已知数列 a_ n 是等差数列, b_ n 是等比数列,…——2025 高考数学第 19 题答案解析

2025_天津卷 (2025)

2025 Tianjin Question 19 Free-response Differentiating
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19.已知数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 是等差数列,$\left\{b_{n}\right\}$ 是等比数列,$a_{1}=b_{1}=2, a_{2}=b_{2}+1, a_{3}=b_{3}$ .

(1) 求 $\left\{a_{n}\right\},\left\{b_{n}\right\}$ 的通项公式;
② $\forall n \in \mathrm{~N}^{*}, I \in\{0,1\}$ ,有 $T_{n}=\left\{p_{1} a_{1} b_{1}+p_{2} a_{2} b_{2}+\ldots+p_{n-1} a_{n-1} b_{n-1}+p_{n} a_{n} b_{n} \mid p_{1}, p_{2}, \ldots, p_{n-1}, p_{n} \in I\right\}$ ,
(i) 求证:对任意实数 $t \in T_{n}$ ,均有 $t<a_{n+1} b_{n+1}$ ;
(ii) 求 $T_{n}$ 所有元素之和。

Answer key

①$a_{n}=3 n-1, b_{n}=2^{n}$ ; ②(i)证明见解析;(ii) $2^{n-1} \cdot\left[8+(3 n-4) 2^{n+1}\right]$

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设等差数列 $\{a_n\}$ 的公差为 $d$,等比数列 $\{b_n\}$ 的公比为 $q$($q\ne0$)。由 $a_1=b_1=2$,$a_2=b_2+1$,$a_3=b_3$ 得
\[ \begin{cases} 2+d=2q+1,\\ 2+2d=2q^2. \end{cases} \]
由第一式得 $d=2q-1$,代入第二式:
\[ 2+2(2q-1)=2q^2 \Rightarrow 4q=2q^2 \Rightarrow q(q-2)=0. \]
因为 $q\ne0$,所以 $q=2$,进而 $d=3$。于是
\[ a_n=2+3(n-1)=3n-1,\qquad b_n=2\cdot2^{n-1}=2^n. \]

记
\[ c_k=a_kb_k=(3k-1)2^k,\qquad S_n=\sum_{k=1}^n c_k. \]
先求 $S_n$。有
\[ S_n=\sum_{k=1}^n(3k-1)2^k, \]
\[ 2S_n=\sum_{k=1}^n(3k-1)2^{k+1}=\sum_{k=2}^{n+1}(3k-4)2^k. \]
两式相减:
\[ -S_n=4+\sum_{k=2}^n3\cdot2^k-(3n-1)2^{n+1}. \]
又
\[ \sum_{k=2}^n2^k=2^{n+1}-4, \]
所以
\[ -S_n=4+3(2^{n+1}-4)-(3n-1)2^{n+1} =-8+(4-3n)2^{n+1}. \]
因此
\[ S_n=8+(3n-4)2^{n+1}. \]

(i)对任意 $t\in T_n$,由于 $c_k>0$ 且 $p_k\in\{0,1\}$,有
\[ t\le S_n. \]
而
\[ a_{n+1}b_{n+1}=(3n+2)2^{n+1}. \]
于是
\[ a_{n+1}b_{n+1}-S_n =(3n+2)2^{n+1}-[8+(3n-4)2^{n+1}] =6\cdot2^{n+1}-8>0. \]
故对任意 $t\in T_n$,均有
\[ t<a_{n+1}b_{n+1}. \]

(ii)由上可知,对任意正整数 $m$,令 $S_0=0$,则
\[ c_m-S_{m-1} =(3m-1)2^m-[8+(3m-7)2^m] =6\cdot2^m-8>0. \]
即每一项 $c_m$ 都大于其前面所有项之和。

若两组不同的 $(p_1,\dots,p_n)$ 与 $(p'_1,\dots,p'_n)$ 给出相同的和,取最大的 $m$ 使 $p_m\ne p'_m$。不妨设 $p_m=1$,$p'_m=0$,则两个和的差为
\[ c_m+\sum_{k=1}^{m-1}(p_k-p'_k)c_k. \]
由于 $p_k-p'_k\in\{-1,0,1\}$,该差至少为
\[ c_m-\sum_{k=1}^{m-1}c_k=c_m-S_{m-1}>0, \]
不可能为 $0$,矛盾。因此所有 $2^n$ 个和互不相同,$T_n$ 的元素与所有 $(p_1,\dots,p_n)\in\{0,1\}^n$ 一一对应。

固定某个 $k$,在全部 $2^n$ 组选择中,$p_k=1$ 的选择有 $2^{n-1}$ 组,所以 $c_k$ 在 $T_n$ 所有元素之和中出现 $2^{n-1}$ 次。于是
\[ \sum_{t\in T_n}t =2^{n-1}\sum_{k=1}^n c_k =2^{n-1}S_n =2^{n-1}[8+(3n-4)2^{n+1}]. \]

综上,$a_n=3n-1,\ b_n=2^n$;(ii)$2^{n-1}\cdot[8+(3n-4)2^{n+1}]$。

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