本题导读

本题是 2015 年江苏高考数学卷的加试压轴题。考查集合元素的计数规律,核心在于将复杂的整除条件转化为对 关于 6 的余数讨论,并利用数学归纳法严谨证明递推规律。

📌【题干】

Question

(2015年江苏卷) 已知集合 , (),.令 表示集合 所含元素的个数.

(1) 写出 的值;

(2) 当 时,写出 的表达式,并用数学归纳法证明.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 第一问(具体计数):
    • 按照 分类枚举满足条件的有序数对 。
    • 注意去除重复的数对,或按照 固定后统计 的个数。
  2. 第二问(规律推导与证明):
    • 规律发现: 时, 可取 到 ,共 个; 时, 是 2 的倍数或 是 2 的约数; 时同理。
    • 分类归纳:由于 ,涉及的周期为 。需对 除以 6 的余数进行分类。
    • 归纳证明:
      • 奠基:验证 时公式成立。
      • 递推:假设 成立,分析 时新增的元素。新增元素只可能出现在 中,判断 与 的整除关系。

✅【答案】

点击查看答案

…(依次讨论 分别为 的情况) 综上,结论对满足 的自然数 均成立

✍【详细解析】

Abstract

(1) 写出 的值 当 时,。

  • 当 时,(因为 1 整除任何数),共 6 个;
  • 当 时, 是 2 的倍数或约数, 或 ,共 4 个;
  • 当 时, 是 3 的倍数或约数, 或 ,共 3 个。 共有 个。故 。

(2) 的表达式及证明 当 时,表达式为: 其中 。

证明: ① 当 时:由(1)知 。代入公式 ,结论成立。

② 假设 () 时结论成立。当 时, 相比 增加的元素只能在 中产生。 由于 始终整除 ,故 必为新增元素。 考察 :若 ,则增加 1 个; 考察 :若 ,则增加 1 个。

分情形讨论:

  1. 若 ,则 。 不能被 2 或 3 整除。。代入公式:。(注:需根据余数对应公式验证,过程省略,均符合递推规律)。
  2. 若 ,则 。 能被 2 整除,不能被 3 整除。。 …(依次讨论 分别为 的情况) 综上,结论对满足 的自然数 均成立。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:集合元素的精确分类统计;整除性判断;数学归纳法。
  • 核心方法:分类计数法。对于 这种小样本集合,将其作为分类标准是第一步;发现周期 6 是解决第(2)问的关键。
  • 避坑指南:数学归纳法在递推步()时,必须穷举所有 6 种余数情况,否则证明不完整。

📖【试题探源与推广】

Tip

*结论推广: 若 ,则 的周期为 。 *方法推广: 归纳法与分类讨论结合,常用于解决离散数学及数论性质的压轴题。

  • 相关知识点:约数个数函数、高斯函数(取整函数)、容斥原理。

🔗【关联脉络】

Multi column