## 20.(本小题共13分) 已知数集 A = a _…——2009 高考数学第 20 题答案解析

2009_北京 Paper

2009 Beijing Question 20 Free-response Differentiating
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20.(本小题共13分)

已知数集 $A = \{ a _ { 1 } , a _ { 2 } , \cdots a _ { n } \} ( 1 \leq a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots a _ { n } , n \geq 2 )$ 具有性质P;对任意的

$i , j ( 1 \leq i \leq j \leq n ) , a _ { i } a _ { j }$ 与 $\frac { a _ { j } } { a _ { i } }$ 两数中至少有一个属于A。

(I)分别判断数集{1,3,4}与{1,2,3,6}是否具有性质P,并说明理由;

(Ⅱ)证明: $a _ { 1 } = 1$ ,且 $\frac { a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n } } { a _ { 1 } ^ { - 1 } + a _ { 2 } ^ { - 1 } + \cdots + a _ { n } ^ { - 1 } } = a _ { n }$ ;

(Ⅲ)证明:当n =5时, $a _ { 1 } , a _ { 2 } , a _ { 3 } , a _ { 4 } , a _ { 5 }$ 成等比数列。

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(Ⅰ)对于数集 $\{1, 3, 4\}$:
取 $i=2, j=3$,即 $a_2=3, a_3=4$。
计算乘积 $a_2 a_3 = 3 \times 4 = 12$,商 $\frac{a_3}{a_2} = \frac{4}{3}$。
因为 $12 \notin \{1, 3, 4\}$ 且 $\frac{4}{3} \notin \{1, 3, 4\}$,两数均不属于该集合,故 $\{1, 3, 4\}$ 不具有性质 P。

对于数集 $\{1, 2, 3, 6\}$:
任取 $a_i, a_j \in \{1, 2, 3, 6\}$ ($i \le j$):
- 若 $a_i=1$,则 $\frac{a_j}{1} = a_j \in A$,满足条件。
- 若 $a_i=2, a_j=2$,$\frac{2}{2}=1 \in A$;$a_i=2, a_j=3$,$\frac{3}{2} \notin A$ 但 $2\times3=6 \in A$;$a_i=2, a_j=6$,$\frac{6}{2}=3 \in A$。
- 若 $a_i=3, a_j=3$,$\frac{3}{3}=1 \in A$;$a_i=3, a_j=6$,$\frac{6}{3}=2 \in A$。
- 若 $a_i=6, a_j=6$,$\frac{6}{6}=1 \in A$。
所有情况中,$a_i a_j$ 与 $\frac{a_j}{a_i}$ 至少有一个属于 $A$,故 $\{1, 2, 3, 6\}$ 具有性质 P。

(Ⅱ)证明 $a_1=1$:
由性质 P,对于 $i=j=n$,$a_n a_n$ 与 $\frac{a_n}{a_n}$ 中至少有一个属于 $A$。
因为 $a_n \ge 1$ 且 $n \ge 2$,若 $a_n > 1$,则 $a_n^2 > a_n$,而 $a_n$ 是 $A$ 中最大元素,故 $a_n^2 \notin A$。
因此必须有 $\frac{a_n}{a_n} = 1 \in A$。
又因为 $1 \le a_1 < a_2 < \dots < a_n$,所以 $A$ 中最小元素 $a_1$ 必须为 1,即 $a_1 = 1$。

证明等式:
对于任意 $k \in \{1, 2, \dots, n\}$,考虑 $a_k$ 与 $a_n$。
因为 $a_k \ge 1$,所以 $a_k a_n \ge a_n$。
当 $k < n$ 时,$a_k < a_n \implies a_k a_n > a_n$,故 $a_k a_n \notin A$。
当 $k = n$ 时,$a_n a_n > a_n$(因 $a_n \ge a_2 > a_1=1$),故 $a_n^2 \notin A$。
综上,对任意 $k$,都有 $a_k a_n \notin A$。
根据性质 P,既然乘积不属于 $A$,则商 $\frac{a_n}{a_k}$ 必须属于 $A$。
令 $b_k = \frac{a_n}{a_k}$,则集合 $B = \{ \frac{a_n}{a_1}, \frac{a_n}{a_2}, \dots, \frac{a_n}{a_n} \}$ 是 $A$ 的子集。
由于 $a_1 < a_2 < \dots < a_n$,可知 $\frac{a_n}{a_1} > \frac{a_n}{a_2} > \dots > \frac{a_n}{a_n}$。
即 $B$ 中有 $n$ 个互不相同的元素,且都属于 $A$。
因为 $A$ 也只有 $n$ 个元素,所以 $B = A$。
对应关系为:
$\frac{a_n}{a_n} = a_1$
$\frac{a_n}{a_{n-1}} = a_2$
$\dots$
$\frac{a_n}{a_{n-k+1}} = a_k$
$\dots$
$\frac{a_n}{a_1} = a_n$
一般地,$\frac{a_n}{a_{n-i+1}} = a_i$,即 $a_i a_{n-i+1} = a_n$。

对 $B$ 中元素求和:
$\sum_{k=1}^n \frac{a_n}{a_k} = \sum_{k=1}^n a_k$
$a_n \sum_{k=1}^n \frac{1}{a_k} = \sum_{k=1}^n a_k$
$\frac{\sum_{k=1}^n a_k}{\sum_{k=1}^n \frac{1}{a_k}} = a_n$
即 $\frac{a_1 + a_2 + \cdots + a_n}{a_1^{-1} + a_2^{-1} + \cdots + a_n^{-1}} = a_n$。得证。

(Ⅲ)当 $n=5$ 时,由(Ⅱ)中的对应关系 $a_i a_{6-i} = a_5$:
$i=1 \implies a_1 a_5 = a_5 \implies a_1=1$(已证)。
$i=2 \implies a_2 a_4 = a_5$。
$i=3 \implies a_3 a_3 = a_5 \implies a_3^2 = a_5$。
由此可得 $a_2 a_4 = a_3^2$,即 $\frac{a_3}{a_2} = \frac{a_4}{a_3}$。
令公比 $q = \frac{a_3}{a_2} = \frac{a_4}{a_3}$。
我们需要证明 $a_2, a_3, a_4, a_5$ 成等比数列,即需证 $\frac{a_2}{a_1} = \frac{a_3}{a_2} = \frac{a_4}{a_3} = \frac{a_5}{a_4}$。
已知 $\frac{a_3}{a_2} = \frac{a_4}{a_3}$,只需证 $\frac{a_2}{a_1} = \frac{a_3}{a_2}$ 和 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_5}{a_4}$。

考察 $\frac{a_4}{a_3}$。由上知 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2}$。
因为 $1 = a_1 < a_2 < a_3$,所以 $1 < \frac{a_3}{a_2} < a_3$(因为 $a_2 \ge 2 \implies a_3/a_2 < a_3/1$ 不一定成立,但 $a_3/a_2 < a_3$ 显然成立,因为 $a_2 > 1$)。
更严谨地:
由 $a_2 a_4 = a_5$ 和 $a_3^2 = a_5$,得 $a_4 = \frac{a_3^2}{a_2}$。
考虑元素 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2}$。
因为 $a_2 < a_3$,所以 $1 < \frac{a_3}{a_2}$。
又因为 $a_2 \ge a_1=1$ 且 $a_2 < a_3$,所以 $\frac{a_3}{a_2} < a_3$ 是不一定的,但 $\frac{a_3}{a_2}$ 肯定小于 $a_4$ 吗?
$a_4 = a_3 \cdot \frac{a_3}{a_2}$。因为 $a_3 > a_2 \ge 1$,若 $a_2=1$ 则矛盾($a_1=1$),故 $a_2 > 1$。
实际上,由 $a_1 < a_2 < a_3 < a_4 < a_5$,
$\frac{a_3}{a_2}$ 是 $A$ 中的某个元素吗?
回顾(Ⅱ)的结论:$\frac{a_5}{a_k} \in A$。
$\frac{a_5}{a_4} = a_2$,$\frac{a_5}{a_3} = a_3$,$\frac{a_5}{a_2} = a_4$,$\frac{a_5}{a_1} = a_5$。
这说明 $a_2, a_3, a_4, a_5$ 分别对应 $\frac{a_5}{a_4}, \frac{a_5}{a_3}, \frac{a_5}{a_2}, \frac{a_5}{a_1}$。
我们要找的是相邻项的比值。
已知 $a_3^2 = a_5 \implies a_3 = \sqrt{a_5}$。
$a_2 a_4 = a_5$。
考虑 $a_2$ 和 $a_3$ 的关系。
考察 $a_2 a_3$。
若 $a_2 a_3 \in A$,则 $a_2 a_3$ 只能是 $a_3, a_4, a_5$ 之一(因为 $a_2 a_3 > a_2 > 1$)。
- 若 $a_2 a_3 = a_3 \implies a_2=1=a_1$,矛盾。
- 若 $a_2 a_3 = a_4$,则 $\frac{a_4}{a_3} = a_2$。
- 若 $a_2 a_3 = a_5$,则结合 $a_2 a_4 = a_5$ 得 $a_3=a_4$,矛盾。
若 $a_2 a_3 \notin A$,则 $\frac{a_3}{a_2} \in A$。
令 $x = \frac{a_3}{a_2}$。因为 $a_2 < a_3$,所以 $x > 1$。
$x$ 必须是 $A$ 中的元素 $a_2, a_3, a_4, a_5$ 之一。
- 若 $x = a_2$,则 $\frac{a_3}{a_2} = a_2 \implies a_3 = a_2^2$。
此时 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2} = a_2$,即 $a_4 = a_2 a_3 = a_2^3$。
$a_5 = a_3^2 = (a_2^2)^2 = a_2^4$。
同时 $a_5 = a_2 a_4 = a_2 \cdot a_2^3 = a_2^4$。一致。
此时数列为 $1, a_2, a_2^2, a_2^3, a_2^4$,是公比为 $a_2$ 的等比数列。
- 若 $x = a_3$,则 $\frac{a_3}{a_2} = a_3 \implies a_2=1$,矛盾。
- 若 $x = a_4$ 或 $a_5$,则 $\frac{a_3}{a_2} \ge a_4 > a_3 \implies a_2 < 1$,矛盾。

现在需要排除 "$a_2 a_3 \in A$" 中 $a_2 a_3 = a_4$ 的情况是否导致非等比,或者确认它必然导出等比。
如果 $a_2 a_3 = a_4$,则 $\frac{a_4}{a_3} = a_2$。
前面已证 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2}$。
所以 $\frac{a_3}{a_2} = a_2 \implies a_3 = a_2^2$。
这导出了同样的结果:$a_3 = a_2^2, a_4 = a_2^3, a_5 = a_2^4$。
无论 $a_2 a_3$ 是否属于 $A$,只要利用 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2}$ 这一关键中间结论,并结合值域限制,都能推出 $a_{k+1}/a_k = a_2$。

具体推导如下:
由(Ⅱ)知 $\frac{a_5}{a_3} = a_3 \implies a_3^2 = a_5$。
$\frac{a_5}{a_4} = a_2 \implies a_4 = \frac{a_5}{a_2} = \frac{a_3^2}{a_2}$。
故 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2}$。
令此比值为 $q$。则 $a_3 = q a_2, a_4 = q a_3 = q^2 a_2$。
$a_5 = a_3^2 = q^2 a_2^2$。
又 $a_5 = a_2 a_4 = a_2 (q^2 a_2) = q^2 a_2^2$。一致。
现在看 $a_2$ 与 $a_1$ 的关系。
考虑 $\frac{a_3}{a_2} = q$。
$q = \frac{a_3}{a_2}$。因为 $1 < a_2 < a_3$,所以 $1 < q < a_3$(因 $a_2 > 1$)。
$q$ 是否为 $A$ 中元素?
考察 $a_2, a_3$。
若 $a_2 a_3 \in A$,则 $a_2 a_3 \in \{a_3, a_4, a_5\}$。
$a_2 a_3 = a_3 \implies a_2=1$ (舍)。
$a_2 a_3 = a_5 \implies a_2 a_3 = a_3^2 \implies a_2=a_3$ (舍)。
故若 $a_2 a_3 \in A$,必为 $a_4$。
即 $a_4 = a_2 a_3 \implies \frac{a_4}{a_3} = a_2$。
因为 $\frac{a_4}{a_3} = \frac{a_3}{a_2}$,所以 $\frac{a_3}{a_2} = a_2 \implies q = a_2$。
若 $a_2 a_3 \notin A$,则 $\frac{a_3}{a_2} \in A$。
即 $q \in A$。
$q = \frac{a_3}{a_2}$。
因为 $a_1 < a_2 < a_3$,所以 $1 < q < a_3$(因为 $a_2 > 1$)。
$A$ 中小于 $a_3$ 的元素只有 $a_1, a_2$。
$q > 1 = a_1$,故 $q$ 只能等于 $a_2$。
综上,无论哪种情况,都有 $q = a_2$。
即 $\frac{a_3}{a_2} = a_2 \implies a_3 = a_2^2$。
进而 $\frac{a_4}{a_3} = a_2 \implies a_4 = a_2^3$。
$\frac{a_5}{a_4} = \frac{a_2^4}{a_2^3} = a_2$。
$\frac{a_2}{a_1} = \frac{a_2}{1} = a_2$。
所以 $\frac{a_2}{a_1} = \frac{a_3}{a_2} = \frac{a_4}{a_3} = \frac{a_5}{a_4} = a_2$。
故 $a_1, a_2, a_3, a_4, a_5$ 成等比数列。

✅ 来源:2009年 · 北京 · 2009_北京卷 · 第 20 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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