设集合 M = ( i , j , s , t ) | i…——2024 高考数学第 21 题答案解析

2024_北京卷

2024 北京 第 21 题 解答题 区分题
2024_北京卷

21. 设集合 $M = \left\{ \left( i , j , s , t \right) \middle | i \in \left\{ 1 , 2 \right\} , j \in \left\{ 3 , 4 \right\} , s \in \left\{ 5 , 6 \right\} , t \in \left\{ 7 , 8 \right\} , 2 \middle | \left( i + j + s + t \right) \right\}$ .对于给定有穷数列$A : \{ a _ { n } \} \left( 1 \leq n \leq 8 \right)$ ,及序列 $\Omega : \omega _ { 1 } , \omega _ { 2 } , . . . , \omega _ { s }$ $\omega _ { k } = \left( i _ { k } , j _ { k } , s _ { k } , t _ { k } \right) \in M$ ,定义变换T:将数列A的第$i _ { 1 } , j _ { 1 } , s _ { 1 } , t _ { 1 }$ 项加1,得到数列 $T _ { 1 } ( A )$ ;将数列 $T _ { 1 } \left( A \right)$ 的第 $i _ { 2 } , j _ { 2 } , s _ { 2 } , t _ { 2 }$ 列加1,得到数列 $T _ { 2 } T _ { 1 } \left( A \right) \ldots$ ;重复上述操作,得到数列 $T _ { s } . . . T _ { 2 } T _ { 1 } \left( A \right)$ ,记为Ω(A).

(1)给定数列A:1,3,2,4,6,3,1,9和序列Ω:(1,3,5,7),(2,4,6,8),(1,3,5,7),写出 $\Omega ( A )$

(2)是否存在序列Ω,使得Ω(A)为 $a _ { 1 } + 2 , a _ { 2 } + 6 , a _ { 3 } + 4 , a _ { 4 } + 2 , a _ { 5 } + 8 , a _ { 6 } + 2 , a _ { 7 } + 4 , a _ { 8 } + 4$ ,若存在,写出一个符合条件的W;若不存在,请说明理由;

(3)若数列A的各项均为正整数,且 $a _ { 1 } + a _ { 3 } + a _ { 5 } + a _ { 7 }$ 为偶数,证明:“存在序列Ω,使得Ω(A)为常数

列”的充要条件为“ $a _ { 1 } + a _ { 2 } = a _ { 3 } + a _ { 4 } = a _ { 5 } + a _ { 6 } = a _ { 7 } + a _ { 8 } ^ { \circ , } .$

参考答案

(1) Ω(A):3,4,4,5,8,4,3,10; (2) 不存在符合条件的W,理由见解析; (3) 证明见解析

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【答案】(1)Ω(A):3,4,4,5,8,4,3,10

(2)不存在符合条件的W,理由见解析

(3)证明见解析

【解析】

【分析】(1)直接按照Ω(A)的定义写出Ω(A)即可;

(2)利用反证法,假设存在符合条件的W,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Ω(A):3,4,4,5,8,4,3,10;

【小问2详解】

假设存在符合条件的Ω,可知Ω(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 $\begin{array} { c } { { \left\{ \left( a _ { 1 } + 2 \right) + \left( a _ { 2 } + 6 \right) = a _ { 1 } + a _ { 2 } + s \right. } } \\ { { \left. \left( a _ { 3 } + 4 \right) + \left( a _ { 4 } + 2 \right) = a _ { 3 } + a _ { 4 } + s \right. } } \end{array}$ ,而该方程组无解,故假设不成立,

故不存在符合条件 W;的

【小问 3 详解】

我们设序列 $T _ { k } . . . T _ { 2 } T _ { 1 } \left( A \right)$ 为 $\left\{ a _ { k , n } \right\} \left( 1 \leq n \leq 8 \right)$ ,特别规定 $a _ { 0 , n } = a _ { n } \left( 1 \leq n \leq 8 \right)$

必要性:

若存在序列 $\Omega : \omega _ { 1 } , \omega _ { 2 } , . . . , \omega _ { s }$ ,使得Ω(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 $T _ { k } . . . T _ { 2 } T _ { 1 } \left( A \right)$ 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, $a _ { \scriptscriptstyle 1 } + a _ { \scriptscriptstyle 3 } + a _ { \scriptscriptstyle 5 } + a _ { \scriptscriptstyle 7 }$ 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 $T _ { s } . . . T _ { 2 } T _ { 1 } \left( A \right)$ 是通过合法的序列Ω的变换能得到的所有可能的数列Ω(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 $j = 1 , 2 , 3 , 4 , \ldots$

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 1N+ .

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 $\left\{ a _ { s , 2 j - 1 } , a _ { s , 2 j } \right\} = \left\{ N , N + 1 \right\}$

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 $\left\{ m | a _ { s , m } = N \right\}$ 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 $\big | a _ { s , 2 j - 1 } - a _ { s , 2 j } \big | = 0 \big ( j = 1 , 2 , 3 , 4 \big )$ ,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.

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