本题导读
本题考查新定义数列。核心在于赋值法与递推法、多路拆分求交集法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2021年北京卷)定义 数列 :对实数 ,满足:
① ,;
② ,;
③ ,.
(1)对于前 项为 的数列,可以是 数列吗?说明理由;
(2)若 是 数列,求 的值;
(3)是否存在 ,使得存在 数列 ,对 都有 ?若存在,求出所有这样的 ;若不存在,说明理由.
🔍【思路分析】
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(1)验证定义:已知 ,利用条件③推导 的可能取值(将 拆分为 ),与已知的前4项对比是否矛盾即可。
(2)递推与“求交集法”:。首先利用条件①求出 ;然后利用条件③推导 的可能集合,结合条件②(大小关系)锁定 ;最后求 时,利用“多路拆分求交集”技巧——既把 看作 ,又把 看作 ,两路取交集瞬间锁定答案。
(3)整体构造与放缩:题目要求 ,即数列的前 项和在 时取得最小值。这意味着 在 时大体为负或零,在 时为正或零。我们构造新数列 ,可以完美证明 是一个 数列,从而直接借用第(2)问的通项公式推导结论,列出关于 的不等式即可解出 。
✅【答案】
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(1) 不可以是 数列,理由见解析
(2)
(3) 存在
✍【详细解析】
Abstract
(1)解:
若该数列是 数列,则 。已知 。
根据条件③,当 时:
将 代入,得到:
但这与已知条件给出的 矛盾(因为 )。
因此,该数列不可以是 数列。
(2)解:
若 是 数列,则 。
由条件①:,。
由条件③:。
我们先来确定前四项:
求 :。
因为 ,所以 或 。又因为 ,故必有 。
求 :
;
。
根据条件②(取 ):。
在集合 中满足大小关系的唯一组合是:,。
接下来求 (利用不同拆分求交集):
拆分1:;
拆分2:。
由于 必须同时满足上述两个条件,取交集得 。
故 。
(为了解决第三问,我们进一步推导 数列的通项公式)
经过计算可猜想 数列的通项规律为:对于 (设 ),有
,,,。
证明(数学归纳法与多路拆分法):
① 当 时,各项为 ,显然成立。
② 假设当 时结论成立。对于 :
,交集得 ;
同理可证得 。
对于 :,又 ,交集得 。
对于 :由条件② ;又 ,故只能取 。
即当 时结论亦成立。
至此,我们完整确定了 数列的唯一形态。
(3)解:
令 。由条件③可知:
又因为:
① ,;
② 。
这完全符合 数列的定义!
因此,数列 就是第(2)问中求得的那个唯一的 数列。
由(2)的结论可知,,。
从而原数列通项为:。
即:,。
题目要求对 , 恒成立,这意味着前 项和 在 时取得最小值。
这就要求:从 往后加项不能变小,往前回退不能变小。即:
S_{11} - S_{10} = a_{11} \ge 0$$$$S_9 - S_{10} = -a_{10} \ge 0 \implies a_{10} \le 0
我们来计算 和 的值:
,对应 ,故 。
,对应 ,故 。
代入不等式得:
解得: 且 ,即只能是 。
当 时,代入检验:
的各项依次为(四个一组):
可观察到:前7项均为负数, 均为 , 及之后的项均大于等于 。
此时,数列前 项和在 时均达到最小值,因此 是其中一个全局最小值点,满足 ,符合题意。
故存在满足条件的 ,且 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
核心考点与解题技巧:
多路拆分求交集:在处理像 这种“二选一”的递推关系时,由于每次推导都会产生分岔,直接递推会指数级爆炸。核心破局点在于:同一个项(如 )可以有多种拆分方式( 或 )。由于 是确定的单值,不同拆分路径得到的结果集合必须相交且交集唯一定义了该项的值。
构造平移数列法:第(3)问中面对 数列的复杂条件,通过换元构造 ,将其完美转化为我们已经研究透彻的 基础模型。这体现了数学中“将复杂问题转化为已知模型”的化归思想。
最值的临界点分析:数列前 项和的最值问题,本质上是寻找数列各项符号(正负号)的分界点。要使 最小,意味着它前后的项必须满足 且 。
📖【试题探源与推广】
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试题探源:待补
结论推广:待补
🔗【关联脉络】
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