(本题满分 18 分)本题共有 3 个小题,第 1 小题满…——2016 高考数学第 23 题答案解析

2016_上海卷 (2016·理)

2016 Shanghai Question 23 Free-response Differentiating
2016_上海卷 (2016·理)

23.(本题满分 18 分)本题共有 3 个小题,第 1 小题满分 4 分,第 2 小题满分 6 分,第 3 小题满分 8 分。

若无穷数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 满足:只要 $a_{p}=a_{q}\left(p, q \in \mathrm{~N}^{*}\right)$,必有 $a_{p+1}=a_{q+1}$,则称 $\left\{a_{n}\right\}$ 具有性质 P。
(1)若 $\left\{a_{n}\right\}$ 具有性质 P,且 $a_{1}=1, a_{2}=2, a_{4}=3, a_{5}=2, a_{6}+a_{7}+a_{8}=21$,求 $a_{3}$;
(2)若无穷数列 $\left\{b_{n}\right\}$ 是等差数列,无穷数列 $\left\{c_{n}\right\}$ 是公比为正数的等比数列,$b_{1}=c_{5}=1$, $b_{5}=c_{1}=81, a_{n}=b_{n}+c_{n}$,判断 $\left\{a_{n}\right\}$ 是否具有性质 P,并说明理由;
③设 $\left\{b_{n}\right\}$ 是无穷数列,已知 $a_{n+1}=b_{n}+\sin a_{n}\left(n \in \mathrm{~N}^{*}\right)$。求证:"对任意 $a_{1},\left\{a_{n}\right\}$ 都具有性质 P "的充要条件为"$\left\{b_{n}\right\}$ 是常数列".

Answer key

(1) 16; (2) $\left\{a_{n}\right\}$ 不具有性质 P,理由见解析; (3) 见解析

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(1)由 $a_2=2, a_5=2$ 可知 $a_2=a_5$。
根据性质 P 的定义,若 $a_p=a_q$,则 $a_{p+1}=a_{q+1}$。
因为 $a_2=a_5$,所以 $a_3=a_6$,$a_4=a_7$,$a_5=a_8$。
已知 $a_4=3, a_5=2$,故 $a_7=3, a_8=2$。
又已知 $a_6+a_7+a_8=21$,代入得 $a_3+3+2=21$,解得 $a_3=16$。

(2)设等差数列 $\{b_n\}$ 的公差为 $d$,等比数列 $\{c_n\}$ 的公比为 $q$ ($q>0$)。
由 $b_1=1, b_5=81$,得 $1+4d=81$,解得 $d=20$,故 $b_n=1+20(n-1)=20n-19$。
由 $c_1=81, c_5=1$,得 $81q^4=1$,即 $q^4=\frac{1}{81}$。因 $q>0$,故 $q=\frac{1}{3}$。
所以 $c_n=81 \cdot (\frac{1}{3})^{n-1} = 3^4 \cdot 3^{-(n-1)} = 3^{5-n}$。
从而 $a_n = b_n + c_n = 20n - 19 + 3^{5-n}$。
计算前几项:
$a_1 = 20(1) - 19 + 3^4 = 1 + 81 = 82$;
$a_5 = 20(5) - 19 + 3^0 = 100 - 19 + 1 = 82$。
可见 $a_1=a_5$。
若 $\{a_n\}$ 具有性质 P,则应有 $a_2=a_6$。
计算 $a_2$ 和 $a_6$:
$a_2 = 20(2) - 19 + 3^3 = 40 - 19 + 27 = 48$;
$a_6 = 20(6) - 19 + 3^{-1} = 120 - 19 + \frac{1}{3} = 101 + \frac{1}{3} = \frac{304}{3}$。
显然 $48 \neq \frac{304}{3}$,即 $a_2 \neq a_6$。
因此,$\{a_n\}$ 不具有性质 P。

(3)证明:
**充分性**:
若 $\{b_n\}$ 是常数列,设 $b_n=b$ ($n \in \mathbb{N}^*$)。
则递推关系为 $a_{n+1} = b + \sin a_n$。
对任意给定的 $a_1$,假设存在 $p, q \in \mathbb{N}^*$ 使得 $a_p=a_q$。
则 $a_{p+1} = b + \sin a_p = b + \sin a_q = a_{q+1}$。
这符合性质 P 的定义,故充分性成立。

**必要性**:
用反证法。假设 $\{b_n\}$ 不是常数列,但“对任意 $a_1$,$\{a_n\}$ 都具有性质 P”。
因为 $\{b_n\}$ 不是常数列,必存在最小的正整数 $k$,使得 $b_1=b_2=\cdots=b_k=b$,而 $b_{k+1} \neq b$。
我们要构造一个初始值 $a_1$,使得生成的数列 $\{a_n\}$ 违反性质 P。
考虑方程 $x = b + \sin x$,即 $x - \sin x - b = 0$。
令 $f(x) = x - \sin x - b$。
由于 $-\sin x$ 有界,当 $x \to +\infty$ 时 $f(x) \to +\infty$,当 $x \to -\infty$ 时 $f(x) \to -\infty$。
具体地,取整数 $m$ 使得 $m\pi > |b|$,则:
$f(m\pi) = m\pi - b > 0$,
$f(-m\pi) = -m\pi - b < 0$。
由零点存在定理,存在实数 $c$ 使得 $f(c)=0$,即 $c = b + \sin c$。
取 $a_1 = c$。
由递推公式 $a_{n+1} = b_n + \sin a_n$:
当 $1 \le n \le k$ 时,$b_n=b$,故 $a_{n+1} = b + \sin a_n$。
$a_2 = b + \sin a_1 = b + \sin c = c = a_1$;
$a_3 = b + \sin a_2 = b + \sin c = c = a_2$;
……
以此类推,可得 $a_1 = a_2 = \cdots = a_{k+1} = c$。
特别地,取 $p=1, q=k+1$,有 $a_p = a_q = c$。
若 $\{a_n\}$ 具有性质 P,则必须满足 $a_{p+1} = a_{q+1}$,即 $a_2 = a_{k+2}$。
然而,计算 $a_{k+2}$:
$a_{k+2} = b_{k+1} + \sin a_{k+1} = b_{k+1} + \sin c$。
而 $a_2 = c = b + \sin c$。
因为 $b_{k+1} \neq b$,所以 $b_{k+1} + \sin c \neq b + \sin c$,即 $a_{k+2} \neq a_2$。
这与 $\{a_n\}$ 具有性质 P 矛盾。
因此,假设不成立,$\{b_n\}$ 必须是常数列。
综上所述,“对任意 $a_1$,$\{a_n\}$ 都具有性质 P”的充要条件是“$\{b_n\}$ 是常数列”。

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