2024年浙江杭州高三一模数学试题 #19
已知正项有穷数列 A:a1,a2,⋯,aN(N⩾3),设 T={x∣x=ajai,1⩽i<j⩽N},记 T 的元素个数为 P(T).
(1)若数列 A:1,2,4,16,求集合 T,并写出 P(T) 的值;
(2)若 A 是递增数列或递减数列,求证:" P(T)=N−1 " 的充要条件是 " A 为等比数列";
(3)若 N=2n+1,数列 A 由 2,4,8,⋯,2n,4n 这 n+1 个数组成,且这 n+1 个数在数列 A 中每个至少出现一次,求 P(T) 的取值个数.
解析
(1)根据题意,有T=⋃1⩽i<N{x∣x=ajai,i<j⩽N}={2,4,16}∪{2,8}∪{4}={2,4,8,16},
进而 P(T)=4.
(2)充分性 当 A 为等比数列时,有T=⋃1⩽i<N{x∣x=ajai,i<j⩽N}=⋃1⩽i<N{q,q2,⋯,qN−i},
于是 P(T)=N−1.
必要性 根据集合 T 的定义,有{x∣x=aja1,1<j⩽N}⊆T⟹{a2a1,a3a1,⋯,aNa1}⊆T⟹{a2a1,a3a1,⋯,aNa1}=T,
进而有{a3a2,a4a2,⋯,aNa2}⊆{a2a1,a3a1,⋯,aNa1}⟹{a3a2,a4a2,⋯,aNa2}={a2a1,a3a1,⋯,aN−1a1},
因此这两个集合中的元素从小到大依次对应相等,于是an+1a2=ana1⟺an+1an=a2a1,
其中 n=2,3,⋯,N−1,因此 A 为等比数列.
综上所述,命题得证.
(3)根据题意,可得T⊆{2k∣k=0,±1,⋯,±n,⋯,±(2n−1),},
因此 P(T)⩽4n−1,因为 2,4,8,⋯,2n,4n 这 n+1 个数在数列 A 中均至少出现 1 次,此,又 2,4,8,⋯,2n,4n 这 n+1 个数共出现 2n+1 次,所以数列 A 中存在相等的两项,设为 ai=aj=2t(i<j),则{2k∣k=0,±(t−1),⋯,±(t−n),±(t−2n)},
因此 P(T)⩾2n,接下来证明 P(T) 可以取到从 2n 到 4n−1 的所有 2n 个整数值,从而证明 P(T) 的取值个数为 2n. 如图,以 n=5 为例.
设数列 A0:21,22,⋯,2n,22n,2n,⋯,22,21,则T={2k∣k=0,±1,⋯,±n,⋯,±(2n−1)},
此时 P(T)=4n−1. 现对数列 A0 分别作如下变换: 把前面的 2n 移动到 22n 和后面的 2n 之间,得到数列:21,22,⋯,2n−1,22n,2n,2n,⋯,21,
此时T={1,21,22,23,⋯,2n−1,2n+1,⋯,22n−1,2−1,2−2,⋯,2−n,⋯,21−2n},
此时 P(T)=4n−2. 再把前面的 2n−1 移动到后面的 2n−1 和 2n 之间,得到数列:21,22,⋯,2n−2,22n,2n,2n,2n−1,2n−1,⋯,21,
此时T={1,21,22,23,⋯,2n−1,2n+2,⋯,22n−1,2−1,2−2,⋯,2−n,⋯,21−2n},
此时 P(T)=4n−3. 依此类推,最后把前面的 21 移到最后一项,得到数列An:22n,2n,2n,2n−1,2n−1,⋯,21,21,
此时T{1,2−1,2−2,⋯,2−n,⋯,21−2n},
此时 P(T)=2n.