(本小满分 16 分) 定义首项为 1 且公比为正数的等比…——2019 高考数学第 20 题答案解析

2019_江苏卷 (2019)

2019 江苏 第 20 题 解答题 区分题
2019_江苏卷 (2019)

20.(本小满分 16 分)
定义首项为 1 且公比为正数的等比数列为"M一数列"。
(1)已知等比数列 $\left\{a_{n}\right\}\left(n \in \mathbf{N}^{*}\right)$ 满足:$a_{2} a_{4}=a_{5}, a_{3}-4 a_{2}+4 a_{1}=0$ ,求证:数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 为" M 一数列"
(2)已知数列 $\left\{b_{n}\right\}$ 满足:$b_{1}=1, \frac{1}{S_{n}}=\frac{2}{b_{n}}-\frac{2}{b_{n+1}}$ ,其中 $S_{n}$ 为数列 $\left\{b_{n}\right\}$ 的前 $n$ 项和.
(1)求数列 $\left\{b_{n}\right\}$ 的通项公式;
②设 $m$ 为正整数,若存在"M一数列"$\left\{c_{n}\right\}\left(n \in \mathbf{N}^{*}\right)$ ,对任意正整数 $k$ ,当 $k \leqslant m$ 时,都有 $c_{k} \leq b_{k} \leq c_{k+1}$成立,求 $m$ 的最大值.

数学 II(附加题)

参考答案

(1) 见解析; (2) ①$b_{n}=n\left(n \in \mathbf{N}^{*}\right)$ ;(2) 5 .

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完整解析 · 逐步详解

设等比数列 $\{a_n\}$ 的公比为 $q$,则 $a_n=a_1q^{n-1}$,且 $a_1\ne0,\ q\ne0$。

由 $a_2a_4=a_5$,得
\[ (a_1q)(a_1q^3)=a_1q^4, \]
即
\[ a_1^2q^4=a_1q^4. \]
因为 $a_1q^4\ne0$,所以 $a_1=1$。

由 $a_3-4a_2+4a_1=0$,得
\[ a_1q^2-4a_1q+4a_1=0. \]
代入 $a_1=1$,得
\[ q^2-4q+4=0, \]
即
\[ (q-2)^2=0, \]
所以 $q=2>0$。故 $\{a_n\}$ 是首项为 $1$、公比为正数的等比数列,即为“M 数列”。

由题设 $\dfrac1{S_n}=\dfrac2{b_n}-\dfrac2{b_{n+1}}$ 可知 $b_n\ne0$,$S_n\ne0$。

当 $n=1$ 时,$S_1=b_1=1$,所以
\[ 1=\frac2{1}-\frac2{b_2}, \]
解得
\[ b_2=2. \]

又
\[ \frac1{S_n}=\frac{2(b_{n+1}-b_n)}{b_nb_{n+1}}, \]
且右边不为 $0$,故 $b_{n+1}\ne b_n$,从而
\[ S_n=\frac{b_nb_{n+1}}{2(b_{n+1}-b_n)}. \]

当 $n\ge2$ 时,$b_n=S_n-S_{n-1}$,于是
\[ b_n=\frac{b_nb_{n+1}}{2(b_{n+1}-b_n)} -\frac{b_{n-1}b_n}{2(b_n-b_{n-1})}. \]
两边除以 $b_n$,得
\[ 1=\frac{b_{n+1}}{2(b_{n+1}-b_n)} -\frac{b_{n-1}}{2(b_n-b_{n-1})}. \]
整理得
\[ 2=\frac{b_{n+1}}{b_{n+1}-b_n} -\frac{b_{n-1}}{b_n-b_{n-1}}. \]
清分母后可得
\[ b_n(2b_n-b_{n+1}-b_{n-1})=0. \]
因为 $b_n\ne0$,所以
\[ b_{n+1}+b_{n-1}=2b_n. \]
因此 $\{b_n\}$ 是等差数列。又 $b_1=1,\ b_2=2$,公差为 $1$,故
\[ b_n=n\quad(n\in\mathbf N^*). \]

设“M 数列” $\{c_n\}$ 的公比为 $q>0$,则 $c_1=1$,$c_k=q^{k-1}$。由 $b_k=k$,条件化为
\[ q^{k-1}\le k\le q^k,\qquad k=1,2,\dots,m. \]

取 $q=\sqrt[3]{3}$。逐项检验:

\[ q^0=1\le1\le q; \]

\[ q\le2\le q^2, \]
因为 $3\le8\le9$;

\[ q^2\le3\le q^3, \]
因为 $9\le27$ 且 $q^3=3$;

\[ q^3=3\le4\le q^4, \]
其中 $4\le q^4$ 等价于 $4^3=64\le81=3^4$;

\[ q^4\le5\le q^5, \]
其中 $q^4\le5$ 等价于 $3^4=81\le125=5^3$,$5\le q^5$ 等价于 $5^3=125\le243=3^5$。

所以 $m=5$ 可以满足条件。

若 $m\ge6$,则对 $k=3$ 和 $k=6$ 都有
\[ q^{k-1}\le k\le q^k. \]
由 $k=3$ 得
\[ 3\le q^3, \]
由 $k=6$ 得
\[ q^5\le6. \]
于是
\[ q^{15}\ge3^5=243, \]
同时
\[ q^{15}\le6^3=216, \]
矛盾。因此 $m$ 不能达到 $6$。

综上,$m$ 的最大值为 $5$。

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