## 20.(本小题共13分) 已知数集 A = a _…——2009 高考数学第 20 题答案解析

2009_北京卷

2009 北京 第 20 题 解答题 区分题
2009_北京卷

20.(本小题共13分)

已知数集 $A = \{ a _ { 1 } , a _ { 2 } , \cdots a _ { n } \} ( 1 \leq a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots a _ { n } , n \geq 2 )$ 具有性质P;对任意的

$i , j ( 1 \leq i \leq j \leq n ) , a _ { i } a _ { j }$ 与 $\frac { a _ { j } } { a _ { i } }$ 两数中至少有一个属于A。

(I)分别判断数集{1,3,4}与{1,2,3,6}是否具有性质P,并说明理由;

(Ⅱ)证明: $a _ { 1 } = 1$ ,且 $\frac { a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n } } { a _ { 1 } ^ { - 1 } + a _ { 2 } ^ { - 1 } + \cdots + a _ { n } ^ { - 1 } } = a _ { n }$ ;

(Ⅲ)证明:当n =5时, $a _ { 1 } , a _ { 2 } , a _ { 3 } , a _ { 4 } , a _ { 5 }$ 成等比数列。

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【解答】
(Ⅰ)由于 $3 \times 4 ~ 5 ~ \frac { 4 } { 3 }$ 均不属于数集{1,3,4},∴该数集不具有性质P.由于 $\cdot 1 \times 2 , 1 \times 3 , 1 \times 6 , 2 \times 3 , \frac { 6 } { 2 } , \frac { 6 } { 3 } , \frac { 1 } { 1 } , \frac { 2 } { 2 } , \frac { 3 } { 3 } , \frac { 6 } { 6 }$ 都属于数集{1,2,3,6},∴该数集具有性质P.

(Ⅱ) $\because A = \left\{ a _ { 1 } , a _ { 2 } , \cdots a _ { n } \right\}$ 具有性质P, $\therefore a _ { n } a _ { n } { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } }$ 中至少有一个属于A,由于 $1 \leq a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots < a _ { n } , \ : \ : a _ { n } a _ { n } > a _ { n }$ ,故 $a _ { n } a _ { n } \notin A$ 从而 $1 = { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } \in A \ , \ \therefore a _ { 1 } = 1$ $\because 1 = a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots < a _ { n } , \quad \colon a _ { k } a _ { n } > a _ { n }$ ,故 $a _ { k } a _ { n } \not \in A \left( k = 2 , 3 , \cdots , n \right)$ 由A具有性质P可知 ${ \frac { a _ { n } } { a _ { k } } } \in A { \left( k = 1 , 2 , 3 , \cdots , n \right) }$ 又 $\therefore { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } < { \frac { a _ { n } } { a _ { n - 1 } } } < \cdots < { \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } } < { \frac { a _ { n } } { a _ { 1 } } } , \quad \quad \cdot { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } = a _ { 1 } , { \frac { a _ { n } } { a _ { n - 1 } } } = a _ { 2 } , \cdots { \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } } = a _ { n - 1 } , { \frac { a _ { n } } { a _ { 1 } } } = a _ { n } \wedge { \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } } = { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } }$

$$ \beta \backslash { \overline { { \operatorname { f f f } } } } { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } + { \frac { a _ { n } } { a _ { n - 1 } } } + \cdots + { \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } } + { \frac { a _ { n } } { a _ { 1 } } } = a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n - 1 } + a _ { n } ~ , ~ : { \frac { a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n } } { a _ { 1 } ^ { - 1 } + a _ { 2 } ^ { - 1 } + \cdots + a _ { n } ^ { - 1 } } } = a _ { n } \ . $$

(Ⅲ)由(Ⅱ)知,当 $n = 5$ 时,有 $\frac { a _ { 5 } } { a _ { 4 } } = a _ { 2 } , \frac { a _ { 5 } } { a _ { 3 } } = a _ { 3 }$ ,即 $a _ { 5 } = a _ { 2 } a _ { 4 } = a _ { 3 } ^ { 2 }$

$\because 1 = a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots < a _ { s } \ , \ : a _ { 3 } a _ { 4 } > a _ { 2 } a _ { 4 } = a _ { s } \ , \ : a _ { 3 } a _ { 4 } \not \in A$ ,由A具有性质P可知 $\frac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } \in A$

由 $a _ { 2 } a _ { 4 } = a _ { 3 } ^ { 2 }$ ,得 $\cfrac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } = \cfrac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } \in A$ ,且 $1 < \frac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } < a _ { 3 } , \therefore \frac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } = \frac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } = a _ { 2 }$ ,∴

$$ \frac { a _ { 5 } } { a _ { 4 } } = \frac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } = \frac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } = \frac { a _ { 2 } } { a _ { 1 } } = a _ { 2 } , $$

即 $a _ { 1 } , a _ { 2 } , a _ { 3 } , a _ { 4 } , a _ { 5 }$ 是首项为1,公比为 $a _ { 2 }$ 成等比数列.

解析

一、本大题共8小题,每小题5分,共40分。在每小题列出的四个选项中,选出符合题目要求的一项。

【解答】
(本小题共13分)

已知数集 $A = \left\{ a _ { 1 } , a _ { 2 } , \cdots a _ { n } \right\} \left( 1 \leq a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots a _ { n } , n \geq 2 \right)$ 具有性质P:对任意的$i , j \left( 1 \leq i \leq j \leq n \right)$ $a _ { i } a _ { j } { \frac { a _ { j } } { a _ { i } } }$ 两数中至少有一个属于A.

(I)分别判断数集{1,3,4}与{1,2,3,6}是否具有性质P,并说明理由;

(Ⅱ)证明: $a _ { \scriptscriptstyle 1 } = 1$ ,且 $\frac { a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n } } { a _ { 1 } ^ { - 1 } + a _ { 2 } ^ { - 1 } + \cdots + a _ { n } ^ { - 1 } } = a _ { n }$ ;

(Ⅲ)证明:当n =5时, $a _ { 1 } , a _ { 2 } , a _ { 3 } , a _ { 4 } , a _ { 5 }$ 成等比数列.

【解析】本题主要考查集合、等比数列的性质,考查运算能力、推理论证能力、分类讨论等数学思想方法.本题是数列与不等式的综合题,属于较难层次题.

(Ⅰ)由于 $3 \times 4 ~ 5 ~ \frac { 4 } { 3 }$ 均不属于数集{1,3,4},∴该数集不具有性质P.由于 $1 \times 2 , 1 \times 3 , 1 \times 6 , 2 \times 3 , \frac { 6 } { 2 } , \frac { 6 } { 3 } , \frac { 1 } { 1 } , \frac { 2 } { 2 } , \frac { 3 } { 3 } , \frac { 6 } { 6 }$ 都属于数集{1,2,3,6},∴该数集具有性质P.

(Ⅱ)∵ $A = \left\{ a _ { 1 } , a _ { 2 } , \cdots a _ { n } \right\}$ 具有性质P, $\therefore a _ { n } a _ { n } { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } }$ 中至少有一个属于A,

由于 $1 \leq a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots < a _ { n } , \ : \ : a _ { n } a _ { n } > a _ { n }$ ,故 $a _ { n } a _ { n }$ AÏ .

从而 $1 = { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } \in A \ , \ \therefore a _ { 1 } = 1$

$\because 1 = a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots < a _ { n } , \quad \colon a _ { k } a _ { n } > a _ { n }$ ,故 $a _ { k } a _ { n } \not \in A \left( k = 2 , 3 , \cdots , n \right)$

由A具有性质P可知 ${ \frac { a _ { n } } { a _ { k } } } \in A { \left( k = 1 , 2 , 3 , \cdots , n \right) }$

$$ \gtrsim \because \frac { a _ { n } } { a _ { n } } < \frac { a _ { n } } { a _ { n - 1 } } < \cdots < \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } < \frac { a _ { n } } { a _ { 1 } } , $$

$$ \therefore { \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } = a _ { 1 } , { \frac { a _ { n } } { a _ { n - 1 } } } = a _ { 2 } , \cdots { \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } } = a _ { n - 1 } , { \frac { a _ { n } } { a _ { 1 } } } = a _ { n } , $$

从而 ${ \frac { a _ { n } } { a _ { n } } } + { \frac { a _ { n } } { a _ { n - 1 } } } + \cdots + { \frac { a _ { n } } { a _ { 2 } } } + { \frac { a _ { n } } { a _ { 1 } } } = a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n - 1 } + a _ { n }$

$$ \therefore { \frac { a _ { 1 } + a _ { 2 } + \cdots + a _ { n } } { a _ { 1 } ^ { - 1 } + a _ { 2 } ^ { - 1 } + \cdots + a _ { n } ^ { - 1 } } } = a _ { n } . $$

(Ⅲ)由(Ⅱ)知,当n =5时,有 $\frac { a _ { 5 } } { a _ { 4 } } = a _ { 2 } , \frac { a _ { 5 } } { a _ { 3 } } = a _ { 3 }$ ,即 $a _ { 5 } = a _ { 2 } a _ { 4 } = a _ { 3 } ^ { 2 }$

$$ \because 1 = a _ { 1 } < a _ { 2 } < \cdots < a _ { 5 } $$

∴ $a _ { 3 } a _ { 4 } > a _ { 2 } a _ { 4 } = a _ { 5 } , \ : a _ { 3 } a _ { 4 }$ AÏ ,

由A具有性质P可知 $\frac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } \in \mathcal { A }$

由 $a _ { 2 } a _ { 4 } = a _ { 3 } ^ { 2 }$ ,得 $\cfrac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } = \cfrac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } \in A$ ,且 $1 < \frac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } < a _ { 3 } , \therefore \frac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } = \frac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } = a _ { 2 }$

$$ \therefore \frac { a _ { 5 } } { a _ { 4 } } = \frac { a _ { 4 } } { a _ { 3 } } = \frac { a _ { 3 } } { a _ { 2 } } = \frac { a _ { 2 } } { a _ { 1 } } = a _ { 2 } $$

即 $a _ { 1 } , a _ { 2 } , a _ { 3 } , a _ { 4 } , a _ { 5 }$ 是首项为1,公比为 $a _ { 2 }$ 成等比数列.

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