本题导读
本题考查数列的概念与性质。核心在于综合法、综合法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2013年北京卷(理)) 已知 是由非负整数组成的无穷数列,该数列前 项的最大值记为 ,第 项之后各项 的最小值记为 ,.
(1)若 为 是一个周期为 4 的数列,写出 的值;
(2)设 是非负整数,证明: () 的充分必要条件为 是公差为 的等差数列;
(3)证明:若 , (),则 的项只能是 1 或者 2,且有无穷多项为 1.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问(定义应用):
- 根据周期数列写出各项。
- ,。由于是周期数列且包含 ,故任意 恒为 1。
- 第二问(充要条件证明):
- 充分性:若为等差数列且 ,则 单调不减。,,代入计算。
- 必要性:利用反证法证明数列必须单调。若存在项下降,则 会出现正值,与 矛盾。
- 第三问(深度推导与反证):
- 证明项的取值范围:通过 限制 的取值,排除 0;利用反证法排除大于 2 的项。
- 证明 1 有无穷多项:若 1 只有有限项,则数列后期恒为 2,这会导致 ,使得 随 增加或保持不变,最终与 产生矛盾。
✅【答案】
点击查看答案
充分性;必要性;项不能为 0;项只能是 1 或 2
✍【详细解析】
Abstract
(Ⅰ)解: 数列 为 周期重复。
- : ,后期项包含 1,故 。。
- : ,后期项包含 1,故 。。
- : ,后期项包含 1,故 。。
- : ,后期项包含 1,故 。。
(Ⅱ)证明: 充分性:若 是公差为 的等差数列,则 。 因 ,数列单调不减,故 。 又因为 随 增大而增大,则 。 所以 。充分性得证。
必要性:若 恒成立,则 。 首先证明 单调不减。假设存在 ,则 。 那么 。由于 且 , 得 ,故 ,与 矛盾。 故 单调不减。从而 。 由 知 ,即为公差为 的等差数列。必要性得证。
(Ⅲ)证明:
- 项不能为 0:若某项为 0,则所有 。则 ,与 矛盾。
- 项只能是 1 或 2:已知 。说明后期一定有 1 出现。 假设存在项 。设 是第一个大于 2 的项。 由于 。 这意味着在 之后必有项为 1。设 。 那么在 时,。而 ,其中包含项 1,故 。 则 ,与 矛盾。故项只能是 1 或 2。
- 有无穷多项为 1:假设 1 只有有限项,设最后一次出现 1 的位置是 。 那么对于所有的 ,数列项均为 2。 则此时 。计算 。 由于前 项中 是最大值,故 。 则 ,与 矛盾。 故数列 中必有无穷多项为 1。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心考点:数列中最大值与最小值的动态平衡。
核心方法:“存在性反证法”。在处理“只能是……”或“有无穷多……”的证明时,假设对立面并推导出与已知恒等式(如 )冲突的结论。
避坑指南:理解 是“第 项之后所有项”的最小值,这意味着即使后面有一万个 2,只要有一个 1, 就只能是 1。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:数列极限思想(虽然本题未直接涉及,但无穷项的性质与之相关)。
结论推广:本题模型实际上探讨了数列的波动界限。若 为常数,数列的增减受极值约束非常严格。
方法推广:压轴题中的新定义问题,第一步通常是“带入数据找规律”,第二步是“逻辑转换”。
🔗【关联脉络】
Multi column
知识锚点 (Nodes)
类题演练 (Links)