【答案】(I)详见解析;(II)详解解析;(III)证明详见解析.
【解析】
【分析】
(I)根据定义验证,即可判断;
(II)根据定义逐一验证,即可判断;
(III)解法一:首先,证明数列中的项数同号,然后证明 $a_{3}=\frac{a_{2}^{2}}{a_{1}}$ ,最后,用数学归纳法证明数列为等比数列即可.
解法二:首先假设数列中的项数均为正数,然后证得 $a_{1}, a_{2}, a_{3}$ 成等比数列,之后证得
$a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}$ 成等比数列,同理即可证得数列为等比数列,从而命题得证.
【详解】(I)$Q a_{2}=2, a_{3}=3, \frac{a_{3}^{2}}{a_{2}}=\frac{9}{2} \notin Z \therefore\left\{a_{n}\right\}$ 不具有性质①;
(II) $\mathrm{Q} \forall i, j \in N^{*}, i>j, \frac{a_{i}^{2}}{a_{j}}=2^{(2 i-j)-1}, 2 i-j \in N^{*} \therefore \frac{a_{i}^{2}}{a_{j}}=a_{2 i-j} \therefore\left\{a_{n}\right\}$ 具有性质①;
$\mathrm{Q} \forall n \in N^{*}, n \geq 3, \exists k=n-1, l=n-2, \frac{a_{k}{ }^{2}}{a_{l}}=2^{(2 k-l)-1}=2^{n-1}=a_{n}, \therefore\left\{a_{n}\right\}$ 具有性质②;
## (III)【解法一】
首先,证明数列中的项数同号,不妨设恒为正数:
显然 $a_{n} \neq 0\left(n \notin N^{*}\right)$ ,假设数列中存在负项,设 $N_{0}=\max \left\{n \mid a_{n}<0\right\}$ ,
第一种情况:若 $N_{0}=1$ ,即 $a_{0}<0由①可知:存在 $m_{1}$ ,满足 $a_{m_{1}}=\frac{a_{2}^{2}}{a_{1}}<0$ ,存在 $m_{2}$ ,满足 $a_{m_{2}}=\frac{a_{3}^{2}}{a_{1}}<0$ ,
由 $N_{0}=1$ 可知 $\frac{a_{2}^{2}}{a_{1}}=\frac{a_{3}^{2}}{a_{1}}$ ,从而 $a_{2}=a_{3}$ ,与数列的单调性矛盾,假设不成立.
第二种情况:若 $N_{0} \geq 2$ ,由①知存在实数 $m$ ,满足 $a_{m}=\frac{a_{N_{0}}^{2}}{a_{1}}<0$ ,由 $N_{0}$ 的定义可知:
$m \leq N_{0}$,
另一方面,$a_{m}=\frac{a_{N_{0}}^{2}}{a_{1}}>\frac{a_{N_{0}}^{2}}{a_{N_{0}}}=a_{N_{0}}$ ,由数列的单调性可知:$m>N_{0}$ ,
这与 $N_{0}$ 的定义矛盾,假设不成立.
同理可证得数列中的项数恒为负数.
综上可得,数列中的项数同号.
其次,证明 $a_{3}=\frac{a_{2}^{2}}{a_{1}}$ :
利用性质②:取 $n=3$ ,此时 $a_{3}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}(k>l)$ ,
由数列的单调性可知 $a_{k}>a_{l}>0$ ,
而 $a_{3}=a_{k} \cdot \frac{a_{k}}{a_{l}}>a_{k}$ ,故 $k<3$ ,
此时必有 $k=2, l=1$ ,即 $a_{3}=\frac{a_{2}^{2}}{a_{1}}$ ,
最后,用数学归纳法证明数列为等比数列:
假设数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 的前 $k(k \geq 3)$ 项成等比数列,不妨设 $a_{s}=a_{1} q^{s-1}(1 \leq s \leq k)$ ,
其中 $a_{1}>0, q>1, ~\left(a_{1}<0,0由①可得:存在整数 $m$ ,满足 $a_{m}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{k-1}}=a_{1} q^{k}>a_{k}$ ,且 $a_{m}=a_{1} q^{k} \geq a_{k+1} \quad(*)$
由②得:存在 $s>t$ ,满足:$a_{k+1}=\frac{a_{s}^{2}}{a_{t}}=a_{s} \cdot \frac{a_{s}}{a_{t}}>a_{s}$ ,由数列的单调性可知:$t由 $a_{s}=a_{1} q^{s-1}(1 \leq s \leq k)$ 可得:$a_{k+1}=\frac{a_{s}^{2}}{a_{t}}=a_{1} q^{2 s-t-1}>a_{k}=a_{1} q^{k-1} \quad(* *)$
由(**)和(*)式可得:$a_{1} q^{k} \geq a_{1} q^{2 s-t-1}>a_{1} q^{k-1}$ ,
结合数列的单调性有:$k \geq 2 s-t-1>k-1$ ,
注意到 $s, t, k$ 均为整数,故 $k=2 s-t-1$ ,
代入(**)式,从而 $a_{k+1}=a_{1} q^{k}$ .
总上可得,数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 的通项公式为:$a_{n}=a_{1} q^{n-1}$ .
即数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 为等比数列.
【解法二】假设数列中的项数均为正数:
首先利用性质②:取 $n=3$ ,此时 $a_{3}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}(k>l)$ ,
由数列的单调性可知 $a_{k}>a_{l}>0$ ,
而 $a_{3}=a_{k} \cdot \frac{a_{k}}{a_{l}}>a_{k}$ ,故 $k<3$ ,
此时必有 $k=2, l=1$ ,即 $a_{3}=\frac{a_{2}^{2}}{a_{1}}$ ,
即 $a_{1}, a_{2}, a_{3}$ 成等比数列,不妨设 $a_{2}=a_{1} q, a_{3}=a_{1} q^{2}(q>1)$ ,
然后利用性质①:取 $i=3, j=2$ ,则 $a_{m}=\frac{a_{3}^{2}}{a_{2}}=\frac{a_{1}^{2} q^{4}}{a_{1} q}=a_{1} q^{3}$ ,
即数列中必然存在一项的值为 $a_{1} q^{3}$ ,下面我们来证明 $a_{4}=a_{1} q^{3}$ ,
否则,由数列的单调性可知 $a_{4}在性质(2)中,取 $n=4$ ,则 $a_{4}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}=a_{k} \frac{a_{k}}{a_{l}}>a_{k}$ ,从而 $k<4$ ,
与前面类似的可知则存在 $\{k, l\} \subseteq\{1,2,3\}(k>l)$ ,满足 $a_{4}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}$ ,
若 $k=3, l=2$ ,则:$a_{4}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}=a_{1} q^{3}$ ,与假设矛盾;
若 $k=3, l=1$ ,则:$a_{4}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}=a_{1} q^{4}>a_{1} q^{3}$ ,与假设矛盾;
若 $k=2, l=1$ ,则:$a_{4}=\frac{a_{k}^{2}}{a_{l}}=a_{1} q^{2}=a_{3}$ ,与数列的单调性矛盾;
即不存在满足题意的正整数 $k, l$ ,可见 $a_{4}同理可得:$a_{5}=a_{1} q^{4}, a_{6}=a_{1} q^{5}, \cdots$ ,从而数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 为等比数列,
同理,当数列中的项数均为负数时亦可证得数列为等比数列.
由推理过程易知数列中的项要么恒正要么恒负,不会同时出现正数和负数.
从而题中的结论得证,数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 为等比数列.
【点睛】本题主要考查数列的综合运用,等比数列的证明,数列性质的应用,数学归纳法与推理方法、不等式的性质的综合运用等知识,意在考查学生的转化能力和推理能力。