本题导读
本题考查新定义运算。核心在于新定义理解法、分类讨论法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2018年北京卷理)设 为正整数,集合 .
对于集合 中的任意元素 和 ,记:
(1) 当 时,若 ,,求 和 的值;
(2) 当 时,设 是 的子集,且满足:对于 中的任意元素 ,当 相同时, 是奇数;当 不同时, 是偶数.求集合 中元素个数的最大值;
(3) 给定 ,设 是 的子集,且满足:对于 中的任意两个不同的元素 ,.写出一个集合 ,使其元素个数最多,并说明理由.
🔍【思路分析】
破题导航
- 透析新定义:
注意到 实际上是 。
所以 的本质是:向量 和 在相同位置上同时为 1 的次数总和。
- 就是向量 中 1 的个数。
- 第二问(奇偶性约束):
- 为奇数 向量 中 1 的个数为 1 或 3。
- 为偶数 和 不能在两个以上的位置同时为 1(因为 ,交集只能是 0, 2, 4,而 4 是相向,所以不同元素交集只能是 0 或 2)。
- 这是一个搜索与排除的过程,利用分组矛盾法证明最大值为 4。
- 第三问(互斥构造):
- 意味着任意两个不同的向量不能在同一个位置同时为 1。
- 想象 个位置,每个位置“名花有主”,再加上一个全 0 向量。
✅【答案】
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(1) ,
(2) 最大值为
(3) 最大值为
✍【详细解析】
Abstract
(1)解:
根据定义 :
- ,则 。
- ,则 。
(2)解:
设 ,则 为 中 1 的个数。
由题意, 是奇数,故 中 1 的个数为 1 或 3。
若 ,满足此条件的元素共有 个。
我们将这 8 个元素配对:
- , (奇)
- , (奇)
- , (奇)
- , (奇)
由于每组中两个元素的 值为 1(奇数),不满足“不同元素 为偶数”的条件,故每组至多选一个。
因此 。
取 ,任意两个不同元素 (偶数),符合题意。
故最大值为 4。
(3)解:
要使 ,即任意两个不同向量在相同位置不能同时为 1。
构造集合 如下:
此时 。
理由:
对于 中任意两个不同元素,要么其中一个是全 0 向量(此时 ),要么是两个不同的单位向量(此时在每个位置上 至少有一个是 0,故 )。
证明最大性:
若 ,根据抽屉原理,除去全 0 向量外,至少有 个向量。若其中有两个向量在某位置 同时为 1,则 。要使 ,每个位置 最多只能被一个向量占用。
因此,最多只能有 个“含 1 向量”和 1 个“全 0 向量”。
最大元素个数为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 翻译新定义是第一关:如果死磕 这个公式,计算量会爆炸。将其识别为 是解题的“题眼”。
- 单位向量的妙用:在处理这类 0-1 向量问题时,标准的基向量(只有一个位置为 1)通常是构造最优解的核心。
- 北京卷的压轴逻辑:从具体 () 到局部 () 再到一般化推广 (),这是非常经典的科学思维路径。
📖【试题探源与推广】
Tip
在 Obsidian 笔记中,可以建立一个【信息论基础】的关联:
- 汉明距离 (Hamming Distance):两个等长字符串之间相同位置上不同字符的个数。
- 本题联系:本题的 实际上与汉明距离 有关:。
- 编码理论:这种构造“互斥”集合的问题,在计算机纠错码设计中非常关键。
🔗【关联脉络】
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