设集合 M= (i, j, s, t)|i 1,2 , j…——2024 高考数学第 21 题答案解析

2024_北京卷 (2024)

2024 Beijing Question 21 Free-response Differentiating
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21.设集合 $M=\{(i, j, s, t)|i \in\{1,2\}, j \in\{3,4\}, s \in\{5,6\}, t \in\{7,8\}, 2|(i+j+s+t)\}$ .对于给定有穷数列 $A:\left\{a_{n}\right\}(1 \leq n \leq 8)$ ,及序列 $\Omega: \omega_{1}, \omega_{2}, \ldots, \omega_{s}, \omega_{k}=\left(i_{k}, j_{k}, s_{k}, t_{k}\right) \in M$ ,定义变换 $T:$ 将数列 A 的第 $i_{1}, j_{1}, s_{1}, t_{1}$ 项加 1 ,得到数列 $T_{1}(A)$ ;将数列 $T_{1}(A)$ 的第 $i_{2}, j_{2}, s_{2}, t_{2}$ 列加1,得到数列 $T_{2} T_{1}(A) \ldots$ ;重复上述操作,得到数列 $T_{s} \ldots T_{2} T_{1}(A)$ ,记为 $\Omega(A)$ .
(1)给定数列 $A: 1,3,2,4,6,3,1,9$ 和序列 $\Omega:(1,3,5,7),(2,4,6,8),(1,3,5,7)$ ,写出 $\Omega(A)$ ;
(2)是否存在序列 $\Omega$ ,使得 $\Omega(A)$ 为 $a_{1}+2, a_{2}+6, a_{3}+4, a_{4}+2, a_{5}+8, a_{6}+2, a_{7}+4, a_{8}+4$ ,若存在,写出一个符合条件的 $\Omega$ ;若不存在,请说明理由;
(3)若数列 A 的各项均为正整数,且 $a_{1}+a_{3}+a_{5}+a_{7}$ 为偶数,证明:"存在序列 $\Omega$ ,使得 $\Omega(A)$ 为常数

列"的充要条件为"$a_{1}+a_{2}=a_{3}+a_{4}=a_{5}+a_{6}=a_{7}+a_{8}$".

Answer key

(1) $\Omega(A): 3,4,4,5,8,4,3,10$; (2) 不存在符合条件的 $\Omega$ ,理由见解析; (3) 证明见解析

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完整解析 · 逐步详解

(1) 依次按定义加 $1$。

初始为 $(1,3,2,4,6,3,1,9)$。

第一次作用 $(1,3,5,7)$,第 $1,3,5,7$ 项加 $1$,得
$(2,3,3,4,7,3,2,9)$。

第二次作用 $(2,4,6,8)$,第 $2,4,6,8$ 项加 $1$,得
$(2,4,3,5,7,4,2,10)$。

第三次作用 $(1,3,5,7)$,第 $1,3,5,7$ 项加 $1$,得
$(3,4,4,5,8,4,3,10)$。

所以 $\Omega(A): 3,4,4,5,8,4,3,10$。

(2) 设存在这样的序列,且共进行 $m$ 次变换。每次变换都在 $\{1,2\},\{3,4\},\{5,6\},\{7,8\}$ 中各选一个下标加 $1$,因此每一对的和都恰好增加 $1$。

目标数列中,第一对 $a_1,a_2$ 的总增量为 $2+6=8$,故 $m=8$;第二对 $a_3,a_4$ 的总增量为 $4+2=6$,故 $m=6$。矛盾。

因此不存在符合条件的序列 $\Omega$。

(3) 记四个配对为
$\{1,2\},\{3,4\},\{5,6\},\{7,8\}$。

必要性:若经过 $m$ 次变换后得到常数列,则最终每一对的两个数都相等,最终四个配对和相等。每次变换都使四个配对和各增加 $1$,所以初始四个配对和也相等,即
$a_1+a_2=a_3+a_4=a_5+a_6=a_7+a_8$。

充分性:设
$a_1+a_2=a_3+a_4=a_5+a_6=a_7+a_8$,
且 $a_1+a_3+a_5+a_7$ 为偶数。

对任一可达数列 $B=(b_1,b_2,\ldots,b_8)$,令
$D_1=b_1-b_2,\ D_2=b_3-b_4,\ D_3=b_5-b_6,\ D_4=b_7-b_8$,
并令
$\Phi=|D_1|+|D_2|+|D_3|+|D_4|$。

由于每次变换在每一对中恰有一个数加 $1$,若初始四个配对和相等,则所有可达数列的四个配对和仍相等。又因为合法变换要求下标和为偶数,等价于所选奇数下标 $1,3,5,7$ 的个数为偶数,所以奇数项和的奇偶性不变,仍为偶数。

设当前公共配对和为 $S$,奇数项和为 $O$。则
$D_1+D_2+D_3+D_4=O-(4S-O)=2O-4S$,
故
$D_1+D_2+D_3+D_4\equiv0\pmod4$。
同时 $D_r=2b_{2r-1}-S$,所以四个 $D_r$ 同奇偶。

在所有可达数列中取一个使 $\Phi$ 最小的数列,仍记为 $B$。

下面证明此时必有 $\Phi=0$。

若存在某个 $|D_r|\ge2$。由于四个配对地位对称,且把一次变换中的每个下标换成同一配对中的另一个下标仍合法,并使所有 $D_r$ 的改变量反号,所以只需讨论 $D_1\ge2$。

若 $D_2=D_3=D_4=0$,则由 $D_1+D_2+D_3+D_4\equiv0\pmod4$ 得 $D_1\ge4$。连续作四次变换
$(2,3,5,8),(2,4,6,8),(2,3,6,7),(2,4,5,7)$。
它们对 $(D_1,D_2,D_3,D_4)$ 的总改变量为 $(-4,0,0,0)$,于是 $\Phi$ 减少 $4$,与最小性矛盾。

若某个 $D_q\ne0$,可设 $q=2$。若 $D_2\ge1$,连续作两次变换
$(2,4,5,7),(2,4,6,8)$,
总改变量为 $(-2,-2,0,0)$。此时 $|D_1|$ 减少 $2$,而 $|D_2|$ 不增加,故 $\Phi$ 至少减少 $2$,矛盾。

若 $D_2\le-1$,连续作两次变换
$(2,3,5,8),(2,3,6,7)$,
总改变量为 $(-2,+2,0,0)$。同样 $|D_1|$ 减少 $2$,而 $|D_2|$ 不增加,故 $\Phi$ 至少减少 $2$,矛盾。

因此对所有 $r$ 都有 $|D_r|\le1$。

若 $\Phi>0$,则至少有一个 $|D_r|=1$。由于四个 $D_r$ 同奇偶,故四个 $D_r$ 全为 $\pm1$。设其中 $+1$ 的个数为 $p$,则
$D_1+D_2+D_3+D_4=2p-4$。
由其模 $4$ 为 $0$ 知 $p$ 为偶数。

此时公共配对和 $S$ 为奇数,设 $S=2N+1$。每一对的两个数分别为 $N$ 与 $N+1$。当 $D_r=1$ 时,较小值 $N$ 在偶数位;当 $D_r=-1$ 时,较小值 $N$ 在奇数位。取四个等于 $N$ 的位置,它们分别来自四个配对。由于 $D_r=-1$ 的个数为 $4-p$,仍为偶数,所以这四个位置中奇数下标的个数为偶数,其下标和为偶数,构成 $M$ 中的一个元素。

对这四个位置作一次变换,所有 $N$ 都变为 $N+1$,数列成为常数列,从而 $\Phi=0$,与最小性矛盾。

故 $\Phi=0$。于是 $D_1=D_2=D_3=D_4=0$,每一对内部两个数相等;又四个配对和相等,所以八项全相等,即该可达数列为常数列。

因此存在序列 $\Omega$,使得 $\Omega(A)$ 为常数列。

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