本题导读
本题是一道构思精巧的分段数列压轴大题。核心考查对分段函数式递推规则的深度剖析,通过前几项的迭代发现数列在跨越临界值 3 后的周期与等比衰减规律,深度检验逻辑推理与严谨的代数计算功底。
📌【题干】
Question
(2008年上海卷(理)) 已知以 为首项的数列 满足:.
(1)当 时,求数列 的通项公式;
(2)当 时,试用 表示数列 的前 100 项的和 ;
(3)当 ( 是正整数),,正整数 时,求证:数列 成等比数列当且仅当 .
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问:将 带入规则,前几项依次加 1 直到大于等于 3,触发第二段除以 3,从而形成循环或规律性的变化,据此写出分段通项。
- 第二问:由于 ,各项依次加 1:。由于 ,此时第 5 项触发除以 3,得到 ,自此除第一项外,后续每 3 项构成一个局部退化与循环,采用周期分组及等比数列求和计算。
- 第三问:需要严格证明“当且仅当”,即充分性与必要性双向论证。模仿第二问的步数累加,在步长为 的倍数时观察规律。第一阶段加 直到项数跨过 3,触发除以 。建立相邻提取项的递推等式,令其比值为常数解出 。
✅【答案】
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所以𝑎9𝑚+2 −1𝑚> 0
✍【详细解析】
Abstract
解:(1)当 时,依次迭代计算: 由此可见,从第 4 项开始,数列进入周期为 3 的循环,即 。 由于对任意 , 除以 3 的余数决定其具体取值, 故通项公式为: (其中 )。
(2)当 时,计算前几项: 因为 ,所以 ,下一项触发除以 3: 继续迭代: 由于 ,同理触发除以 3 得:。 观察发现,除了 外,后面的项每 3 项可以归为一组: 第 组()的三项为: 这一组的三项之和为 。 由于总共求前 100 项的和,即 :
(3)证明: 由条件 递推: 因为 ,所以 。 接下来第 项触发除以 : 同理继续累加 次: 再触发除以 : 以此类推,记所研究数列的第 项为 ()。 由上述可知: 依此类推,可得递推关系式:。 要使数列 构成等比数列,其充要条件是递推式中的常数项为 0, 即 。 由于已知 为正整数,当且仅当 时,常数项恰好抵消,此时 ,该数列成等比数列。 得证。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:分段非线性递推数列、分组分组求和技巧、等比数列的充要条件判定。
- 核心方法:构造周期性迭代链,通过设不齐次的一阶递推式 ,明确只有当 时,原数列本身才是严格的等比数列。
- 避坑指南:
- 第二问求和时极易把第一项 直接混入等比公式,必须将其剥离,因为等比规律从第 2 项才真正开始体现;
- 第三问证明“当且仅当”时,必须保证每一步递推中所得到的范围(如 )确实精准落在触发第二段的范围内,利用已知 确保每一步的单调除法动作不发生错位。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题原型取自近代动力系统中的“分段线性映射”与“一维轨道收敛性”。通过设定门槛值 3,使函数轨迹不断发生加减与折叠(类似于不动点迭代)。
- 结论推广: 对于分段规则 ,若起始状态能在恰好步长后跨越临界点 ,则在合适的分组提取下,新提取的子序列将呈现出以 为公比的准等比收敛特征。
🔗【关联脉络】
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