定义 R _ p 数列 a _ n:对实数 p,满足: (…——2021 高考数学第 21 题答案解析

2021_北京卷

2021 北京 第 21 题 解答题 区分题
2021_北京卷

21.定义 $R _ { p }$ 数列 $\left\{ a _ { n } \right\}$ :对实数 $\{ p$ ,满足: $\mathrm { ( 1 ) } a _ { 1 } + p \ge 0 \ , a _ { 2 } + p = 0 \ , \textcircled { 2 } \forall n \in N ^ { * } , a _ { 4 n - 1 } < a _ { 4 n } \ ;$ ③

am+n ∈{am + an + p,am + an + p +1} , $m , n \in N ^ { * }$

(1)对于前4项2,-2,0,1的数列,可以是 $R _ { 2 }$ 数列吗?说明理由;

(2)若 $\left\{ a _ { n } \right\}$ 是 $R _ { 0 }$ 数列,求 $a _ { 5 }$ 的值;

(3)是否存在p,使得存在 $R _ { p }$ 数列 $\left\{ a _ { n } \right\}$ ,对 $\forall n \in N ^ { * } , S _ { n } \geq S _ { 1 0 } ?$ 若存在,求出所有这样的 $| p ;$ 若不存在,说明理由.

参考答案

(1) 不可以是 $R _ { 2 }$ 数列;理由见解析; (2) $a _ { 5 } = 1$; (3) 存在; $p = 2$

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【答案】(1)不可以是 $R _ { 2 }$ 数列;理由见解析;② $a _ { 5 } = 1$ ;(3)存在; $p = 2$

【解析】

【分析】①由题意考查 $a _ { 3 }$ 的值即可说明数列不是 $R _ { 2 }$ 数列;

> ②由题意首先确定数列的前4项,然后讨论计算即可确定 $a _ { 5 }$ 的值;

(3)构造数列 $b _ { n } = a _ { n } + p$ ,易知数列 $\left\{ b _ { n } \right\}$ 是 $R _ { 0 }$ 的,结合(2)中的结论求解不等式即可确定满足题意的实数P的值.

【详解】①由性质③结合题意可知 $0 = { a _ { 3 } } \in \left\{ { a _ { 1 } } + { a _ { 2 } } + 2 , { a _ { 1 } } + { a _ { 2 } } + 2 + 1 \right\} = \left\{ 2 , 3 \right\}$

矛盾,故前4项2,-2,0,1的数列,不可能是 $R _ { 2 }$ 数列.

(2)性质① $a _ { 1 } \geq 0 , a _ { 2 } = 0$

由性质③ $a _ { m + 2 } \in \left\{ a _ { m } , a _ { m } + 1 \right\}$ ,因此 $a _ { 3 } = a _ { 1 }$ 或 $a _ { 3 } = a _ { 1 } + 1$ $a _ { 4 } = 0$ 或 $a _ { 4 } = 1$

若 $a _ { \scriptscriptstyle 4 } = 0$ ,由性质②可知 $a _ { 3 } < a _ { 4 }$ ,即 $a _ { \scriptscriptstyle 1 } < 0$ 或 $a _ { \scriptscriptstyle 1 } + 1 < 0$ ,矛盾;

若 $a _ { 4 } = 1 , a _ { 3 } = a _ { 1 } + 1$ ,由 $a _ { 3 } < a _ { 4 }$ 有 $a _ { \scriptscriptstyle 1 } + 1 < 1$ ,矛盾.

因此只能是 $a _ { 4 } = 1 , a _ { 3 } = a _ { 1 }$

又因为 $a _ { 4 } = a _ { 1 } + a _ { 3 }$ 或 $a _ { 4 } = a _ { 1 } + a _ { 3 } + 1$ ,所以 $a _ { 1 } = \frac { 1 } { 2 }$ 或 $a _ { \scriptscriptstyle 1 } = 0$

若 $a _ { 1 } = \frac { 1 } { 2 }$ ,则 $a _ { 2 } = a _ { 1 + 1 } \in \left\{ a _ { 1 } + a _ { 1 } + 0 , a _ { 1 } + a _ { 1 } + 0 + 1 \right\} = \left\{ 2 a _ { 1 } , 2 a _ { 1 } + 1 \right\} = \left\{ 1 , 2 \right\}$

不满足 $a _ { 2 } = 0$ ,舍去.

当 $a _ { \scriptscriptstyle 1 } = 0$ ,则 $\left\{ a _ { n } \right\}$ 前四项为:0,0,0,1,

下面用纳法证明 $a _ { 4 n + i } = n ( i = 1 , 2 , 3 ) , a _ { 4 n + 4 } = n + 1 { \bigl ( } n \in N { \bigr ) }$

当n=0时,经验证命题成立,假设当 $n \leq k ( k \geq 0 )$ 时命题成立,

当n = k +1时:

若i=1,则 $a _ { 4 ( k + 1 ) + 1 } = a _ { 4 k + 5 } = a _ { j + ( 4 k + 5 - j ) }$ ,利用性质③:

$\{ { { a } _ { j } } + { { a } _ { 4 k + 5 - j } } | j \in N ^ { * } , 1 \le j \le 4 k + 4 \} = \{ k , { k + 1 } \}$ ,此时可得: $a _ { 4 k + 5 } = k + 1$

否则,若 $a _ { 4 k + 5 } = k$ ,取k=0可得: $a _ { 5 } = 0$

而由性质②可得: $a _ { 5 } = a _ { 1 } + a _ { 4 } \in \{ 1 , 2 \}$ ,与 $a _ { 5 } = 0$ 矛盾.

同理可得:

$$ \left\{ a _ { j } + a _ { 4 k + 6 - j } \vert j \in N ^ { ^ { \ast } } , 1 \leq j \leq 4 k + 5 \right\} = \left\{ k , k + 1 \right\} , \ \sharp \ a _ { 4 k + 6 } = k + 1 , $$

$\left\{ a _ { j } + a _ { 4 k + 8 - j } \vert j \in N ^ { \ast } , 2 \leq j \leq 4 k + 6 \right\} = \{ k + 1 , k + 2 \}$ ,有 $a _ { 4 k + 8 } = k + 2$

$\left\{ a _ { j } + a _ { 4 k + 7 - j } \vert j \in N ^ { \ast } , 1 \le j \le 4 k + 6 \right\} = \{ k + 1 \}$ ,又因为 $a _ { 4 k + 7 } < a _ { 4 k + 8 }$ ,有 $a _ { 4 k + 7 } = k + 1$

即当n=k+1时命题成立,证毕.

综上可得: $a _ { 1 } = 0 , a _ { 5 } = a _ { 4 \times 1 + 1 } = 1$

(3)令 $b _ { n } = a _ { n } + p$ ,由性质③可知:

$$ \begin{array} { r } { \forall m , n \in N ^ { * } , b _ { m + n } = a _ { m + n } + p \in \left\{ a _ { m } + p + a _ { n } + p , a _ { m } + p + a _ { n } + p + 1 \right\} = \left\{ b _ { m } + b _ { n } , b _ { m } + b _ { n } + 1 \right\} , } \end{array} $$

由于 $b _ { 1 } = a _ { 1 } + p \geq 0 , b _ { 2 } = a _ { 2 } + p = 0 , b _ { 4 n - 1 } = a _ { 4 n - 1 } + p < a _ { 4 n } + p = b _ { 4 n }$

因此数列 $\left\{ b _ { n } \right\}$ 为 $R _ { 0 }$ 数列.

由②可知:

若 $\forall n \in N , a _ { 4 n + i } = n - p ( i = 1 , 2 , 3 ) , a _ { 4 n + 4 } = n + 1 - p$

$$ S _ { 1 1 } - S _ { 1 0 } = a _ { 1 1 } = a _ { 4 \times 2 + 3 } = 2 - p \geq 0 , S _ { 9 } - S _ { 1 0 } = - a _ { 1 0 } = - a _ { 4 \times 2 + 2 } = - ( 2 - p ) \geq 0 , $$

因此 $p = 2$ ,此时 $a _ { 1 } , a _ { 2 } , . . . , a _ { 1 0 } \leq 0 , a _ { j } \geq 0 { \left( j \geq 1 1 \right) }$ ,满足题意.

【点睛】本题属于数列中的“新定义问题”,“新定义”主要是指即时定义新概念、新公式、新定理、新法则、新运算五种,然后根据此新定义去解决问题,有时还需要用类比的方法去理解新的定义,这样有助于对新定义的透彻理解.但是,透过现象看本质,它们考查的还是基础数学知识,所以说“新题”不一定是“难题”,掌握好三基,以不变应万变才是制胜法宝.

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