定义 R_ p 数列 a_ n : 对实数 p,满足:①…——2021 高考数学第 21 题答案解析

2021_北京卷 (2021)

2021 Beijing Question 21 Free-response Differentiating
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21.定义 $R_{p}$ 数列 $\left\{a_{n}\right\}:$ 对实数 $p$ ,满足:①$a_{1}+p \geq 0, a_{2}+p=0$ ;②$\forall n \in N^{*}, a_{4 n-1}<a_{4 n}$ ;③ $a_{m+n} \in\left\{a_{m}+a_{n}+p, a_{m}+a_{n}+p+1\right\}, \quad m, n \in N^{*}$.
(1)对于前 4 项 $2,-2,0,1$ 的数列,可以是 $R_{2}$ 数列吗?说明理由;
(2)若 $\left\{a_{n}\right\}$ 是 $R_{0}$ 数列,求 $a_{5}$ 的值;
(3)是否存在 $p$ ,使得存在 $R_{p}$ 数列 $\left\{a_{n}\right\}$ ,对 $\forall n \in N^{*}, S_{n} \geq S_{10}$ ?若存在,求出所有这样的 $p$ ;若不存在,说明理由。

Answer key

(1) 不可以是 $R_{2}$ 数列;理由见解析; (2) $a_{5}=1$; (3) 存在;$p=2$ .

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(1) 若前 4 项为 $2,-2,0,1$ 且 $p=2$,取 $m=1,n=2$,条件③要求
$a_3\in\{a_1+a_2+p,a_1+a_2+p+1\}=\{2,3\}$,
但已知 $a_3=0$,矛盾。所以该数列不可以是 $R_2$ 数列。

(2) 当 $p=0$ 时,$a_1\ge0,a_2=0$。取 $m=n=1$,有
$0=a_2\in\{2a_1,2a_1+1\}$。
由于 $a_1\ge0$,只能 $a_1=0$。
取 $m=1,n=2$,得 $a_3\in\{0,1\}$;取 $m=2,n=2$,得 $a_4\in\{0,1\}$。又 $a_3<a_4$,故 $a_3=0,a_4=1$。
再取 $m=1,n=4$,得 $a_5\in\{a_1+a_4,a_1+a_4+1\}=\{1,2\}$;
取 $m=2,n=3$,得 $a_5\in\{a_2+a_3,a_2+a_3+1\}=\{0,1\}$。
两者交集为 $\{1\}$,所以 $a_5=1$。

(3) 若 $\{a_n\}$ 是 $R_p$ 数列,令 $b_n=a_n+p$。由条件③得
$b_{m+n}=a_{m+n}+p\in\{b_m+b_n,b_m+b_n+1\}$,
且 $b_1\ge0,b_2=0,b_{4n-1}<b_{4n}$,所以 $\{b_n\}$ 是 $R_0$ 数列。

下面确定 $R_0$ 数列。设 $\{b_n\}$ 是 $R_0$ 数列。由 (2) 的前几步知 $b_1=b_2=b_3=0,b_4=1$。令 $d_r=b_{r+1}-b_r$。
由 $m=1$ 得 $d_r\in\{0,1\}$;由 $m=2$ 得
$d_r+d_{r+1}=b_{r+2}-b_r\in\{0,1\}$;
由 $m=3$ 得
$d_r+d_{r+1}+d_{r+2}=b_{r+3}-b_r\in\{0,1\}$。
又 $b_{4k-1}<b_{4k}$,故 $d_{4k-1}=1$。代入上面三相邻和的限制,得
$d_{4k-3}=d_{4k-2}=d_{4k}=d_{4k+1}=0$。
于是 $d_r=1$ 当且仅当 $r=4k-1$,其余为 $0$。因此
$b_n=b_1+\sum_{r=1}^{n-1}d_r=\#\{k\ge1:4k-1\le n-1\}=\lfloor n/4\rfloor$。
故任意 $R_p$ 数列都有
$a_n=\lfloor n/4\rfloor-p$。

若对所有 $n$ 有 $S_n\ge S_{10}$,则
$S_9-S_{10}=-a_{10}=-(2-p)\ge0$,得 $p\ge2$;
$S_{11}-S_{10}=a_{11}=2-p\ge0$,得 $p\le2$。
所以 $p=2$。

当 $p=2$ 时,$a_n=\lfloor n/4\rfloor-2$。此时 $a_1,\dots,a_{10}\le0$,且 $n\ge11$ 时 $a_n\ge0$,所以 $S_n\ge S_{10}$ 对一切 $n$ 成立。
还需说明这样的数列存在:取 $b_n=\lfloor n/4\rfloor$。设 $m=4q+r,n=4s+t$,$0\le r,t\le3$,则
$b_{m+n}=q+s+\lfloor(r+t)/4\rfloor\in\{q+s,q+s+1\}=\{b_m+b_n,b_m+b_n+1\}$;
并且 $b_1=b_2=0$,$b_{4k-1}=k-1<k=b_{4k}$。故 $b$ 是 $R_0$ 数列,从而 $a_n=b_n-2$ 是 $R_2$ 数列。
综上,存在且仅存在 $p=2$。

✅ 来源:2021年 · 北京 · 2021_北京卷 (2021) · 第 21 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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