【答案】①$\Omega(A): 3,4,4,5,8,4,3,10$
(2)不存在符合条件的 $\Omega$ ,理由见解析
(3)证明见解析
## 【解析】
【分析】(1)直接按照 $\Omega(A)$ 的定义写出 $\Omega(A)$ 即可;
(2)利用反证法,假设存在符合条件的 $\Omega$ ,由此列出方程组,进一步说明方程组无解即可;
(3)分充分性和必要性两方面论证.
## 【小问 1 详解】
由题意得 $\Omega(A): 3,4,4,5,8,4,3,10$ ;
## 【小问 2 详解】
假设存在符合条件的 $\Omega$ ,可知 $\Omega(A)$ 的第 1,2 项之和为 $a_{1}+a_{2}+s$ ,第 3,4 项之和为 $a_{3}+a_{4}+s$ ,
则 $\left\{\begin{array}{l}\left(a_{1}+2\right)+\left(a_{2}+6\right)=a_{1}+a_{2}+s \\ \left(a_{3}+4\right)+\left(a_{4}+2\right)=a_{3}+a_{4}+s\end{array}\right.$ ,而该方程组无解,故假设不成立,
故不存在符合条件的 $\Omega$ ;
## 【小问 3 详解】
我们设序列 $T_{k} \ldots T_{2} T_{1}(A)$ 为 $\left\{a_{k, n}\right\}(1 \leq n \leq 8)$ ,特别规定 $a_{0, n}=a_{n}(1 \leq n \leq 8)$ .
必要性:
若存在序列 $\Omega$ :$\omega_{1}, \omega_{2}, \ldots, \omega_{s}$ ,使得 $\Omega(A)$ 为常数列.
则 $a_{s, 1}=a_{s, 2}=a_{s, 3}=a_{s, 4}=a_{s, 5}=a_{s, 6}=a_{s, 7}=a_{s, 8}$ ,所以 $a_{s, 1}+a_{s, 2}=a_{s, 3}+a_{s, 4}=a_{s, 5}+a_{s, 6}=a_{s, 7}+a_{s, 8}$ .
根据 $T_{k} \ldots T_{2} T_{1}(A)$ 的定义,显然有 $a_{k, 2 j-1}+a_{k, 2 j}=a_{k-1,2 j-1}+a_{k-1,2 j}$ ,这里 $j=1,2,3,4, k=1,2, \ldots$ .
所以不断使用该式就得到,$a_{1}+a_{2}=a_{3}+a_{4}=a_{5}+a_{6}=a_{7}+a_{8}$ ,必要性得证.
充分性:
若 $a_{1}+a_{2}=a_{3}+a_{4}=a_{5}+a_{6}=a_{7}+a_{8}$ .
由已知,$a_{1}+a_{3}+a_{5}+a_{7}$ 为偶数,而 $a_{1}+a_{2}=a_{3}+a_{4}=a_{5}+a_{6}=a_{7}+a_{8}$ ,所以
$a_{2}+a_{4}+a_{6}+a_{8}=4\left(a_{1}+a_{2}\right)-\left(a_{1}+a_{3}+a_{5}+a_{7}\right)$ 也是偶数.
我们设 $T_{s} \ldots T_{2} T_{1}(A)$ 是通过合法的序列 $\Omega$ 的变换能得到的所有可能的数列 $\Omega(A)$ 中,使得 $\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 最小的一个.
上面已经证明 $a_{k, 2 j-1}+a_{k, 2 j}=a_{k-1,2 j-1}+a_{k-1,2 j}$ ,这里 $j=1,2,3,4, k=1,2, \ldots$ .
从而由 $a_{1}+a_{2}=a_{3}+a_{4}=a_{5}+a_{6}=a_{7}+a_{8}$ 可得 $a_{s, 1}+a_{s, 2}=a_{s, 3}+a_{s, 4}=a_{s, 5}+a_{s, 6}=a_{s, 7}+a_{s, 8}$ .
同时,由于 $i_{k}+j_{k}+s_{k}+t_{k}$ 总是偶数,所以 $a_{k, 1}+a_{k, 3}+a_{k, 5}+a_{k, 7}$ 和 $a_{k, 2}+a_{k, 4}+a_{k, 6}+a_{k, 8}$ 的奇偶性保持不
变,从而 $a_{s, 1}+a_{s, 3}+a_{s, 5}+a_{s, 7}$ 和 $a_{s, 2}+a_{s, 4}+a_{s, 6}+a_{s, 8}$ 都是偶数。
下面证明不存在 $j=1,2,3,4$ 使得 $\left|a_{s, 2 j-1}-a_{s, 2 j}\right| \geq 2$ .
假设存在,根据对称性,不妨设 $j=1, a_{s, 2 j-1}-a_{s, 2 j} \geq 2$ ,即 $a_{s, 1}-a_{s, 2} \geq 2$ .
情况 1:若 $\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|=0$ ,则由 $a_{s, 1}+a_{s, 3}+a_{s, 5}+a_{s, 7}$ 和 $a_{s, 2}+a_{s, 4}+a_{s, 6}+a_{s, 8}$ 都是偶数,知 $a_{s, 1}-a_{s, 2} \geq 4$ .
对该数列连续作四次变换 $(2,3,5,8),(2,4,6,8),(2,3,6,7),(2,4,5,7)$ 后,新的
$\left|a_{s+4,1}-a_{s+4,2}\right|+\left|a_{s+4,3}-a_{s+4,4}\right|+\left|a_{s+4,5}-a_{s+4,6}\right|+\left|a_{s+4,7}-a_{s+4,8}\right|$ 相比原来的
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 减少 4 ,这与
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 的最小性矛盾;
情况 2:若 $\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|>0$ ,不妨设 $\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|>0$ 。
情况 2-1:如果 $a_{s, 3}-a_{s, 4} \geq 1$ ,则对该数列连续作两次变换 $(2,4,5,7),(2,4,6,8)$ 后,新的
$\left|a_{s+2,1}-a_{s+2,2}\right|+\left|a_{s+2,3}-a_{s+2,4}\right|+\left|a_{s+2,5}-a_{s+2,6}\right|+\left|a_{s+2,7}-a_{s+2,8}\right|$ 相比原来的
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 至少减少 2 ,这与
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 的最小性矛盾;
情况 2-2:如果 $a_{s, 4}-a_{s, 3} \geq 1$ ,则对该数列连续作两次变换 $(2,3,5,8),(2,3,6,7)$ 后,新的
$\left|a_{s+2,1}-a_{s+2,2}\right|+\left|a_{s+2,3}-a_{s+2,4}\right|+\left|a_{s+2,5}-a_{s+2,6}\right|+\left|a_{s+2,7}-a_{s+2,8}\right|$ 相比原来的
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 至少减少 2 ,这与
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 的最小性矛盾.
这就说明无论如何都会导致矛盾,所以对任意的 $j=1,2,3,4$ 都有 $\left|a_{s, 2 j-1}-a_{s, 2 j}\right| \leq 1$ .
假设存在 $j=1,2,3,4$ 使得 $\left|a_{s, 2 j-1}-a_{s, 2 j}\right|=1$ ,则 $a_{s, 2 j-1}+a_{s, 2 j}$ 是奇数,所以
$a_{s, 1}+a_{s, 2}=a_{s, 3}+a_{s, 4}=a_{s, 5}+a_{s, 6}=a_{s, 7}+a_{s, 8}$ 都是奇数,设为 $2 N+1$ .
则此时对任意 $j=1,2,3,4$ ,由 $\left|a_{s, 2 j-1}-a_{s, 2 j}\right| \leq 1$ 可知必有 $\left\{a_{s, 2 j-1}, a_{s, 2 j}\right\}=\{N, N+1\}$ .
而 $a_{s, 1}+a_{s, 3}+a_{s, 5}+a_{s, 7}$ 和 $a_{s, 2}+a_{s, 4}+a_{s, 6}+a_{s, 8}$ 都是偶数,故集合 $\left\{m \mid a_{s, m}=N\right\}$ 中的四个元素 $i, j, s, t$ 之和
为偶数,对该数列进行一次变换 $(i, j, s, t)$ ,则该数列成为常数列,新的
$\left|a_{s+1,1}-a_{s+1,2}\right|+\left|a_{s+1,3}-a_{s+1,4}\right|+\left|a_{s+1,5}-a_{s+1,6}\right|+\left|a_{s+1,7}-a_{s+1,8}\right|$ 等于零,比原来的
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 更小,这与
$\left|a_{s, 1}-a_{s, 2}\right|+\left|a_{s, 3}-a_{s, 4}\right|+\left|a_{s, 5}-a_{s, 6}\right|+\left|a_{s, 7}-a_{s, 8}\right|$ 的最小性矛盾.
综上,只可能 $\left|a_{s, 2 j-1}-a_{s, 2 j}\right|=0(j=1,2,3,4)$ ,而 $a_{s, 1}+a_{s, 2}=a_{s, 3}+a_{s, 4}=a_{s, 5}+a_{s, 6}=a_{s, 7}+a_{s, 8}$ ,故 $\left\{a_{s, n}\right\}=\Omega(A)$ 是常数列,充分性得证.
【点睛】关键点点睛:本题第三问的关键在于对新定义的理解,以及对其本质的分析.