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20数列★★★★☆
已知数列 {an}\{a_{n}\} 满足 a1=1a_1 = 1,∣an+1−an∣=pn|a_{n + 1} - a_n| = p^n,n∈N∗n \in \mathbf{N}^*.
(1) 若 {an}\{a_n\} 是递增数列,且 a1a_1,2a22a_2,3a33a_3 成等差数列,求 pp 的值; (2) 若 p=12p = \frac{1}{2},且 {a2n−1}\{a_{2n-1}\} 是递增数列,{a2n}\{a_{2n}\} 是递减数列,求数列 {an}\{a_n\} 的通项公式.
\begin{solution} 因为 pn=∣an+1−an∣⩾0p^n=|a_{n+1}-a_n|\geqslant0 对任意正整数 nn 成立,且第一问中的数列递增,所以 p>0p>0. 于是 a2=1+pa_2=1+p,a3=1+p+p2a_3=1+p+p^2. 三个数 a1a_1,2a22a_2,3a33a_3 成等差数列,故
4a2=a1+3a34a_2=a_1+3a_3
代入上式得 4(1+p)=1+3(1+p+p2)4(1+p)=1+3(1+p+p^2),即 p(1−3p)=0p(1-3p)=0. 由 p>0p>0,得 p=13p=\frac13.
第二问中令 dn=an+1−and_n=a_{n+1}-a_n,则 ∣dn∣=2−n|d_n|=2^{-n}. 由奇数项组成的数列递增,
d2n−1+d2n=a2n+1−a2n−1>0d_{2n-1}+d_{2n}=a_{2n+1}-a_{2n-1}>0
由于 ∣d2n−1∣=2∣d2n∣|d_{2n-1}|=2|d_{2n}|,只能有 d2n−1=2−(2n−1)d_{2n-1}=2^{-(2n-1)}. 由偶数项组成的数列递减,
d2n+d2n+1=a2n+2−a2n<0d_{2n}+d_{2n+1}=a_{2n+2}-a_{2n}<0
由于 ∣d2n∣=2∣d2n+1∣|d_{2n}|=2|d_{2n+1}|,只能有 d2n=−2−2nd_{2n}=-2^{-2n}. 因而对所有 n⩾1n\geqslant1,
dn=(−1)n+12nd_n=\frac{(-1)^{n+1}}{2^n}
于是
an=1+∑k=1n−1(−1)k+12k=1+13(1−(−12)n−1)=43−(−1)n−13⋅2n−1a_n=1+\sum_{k=1}^{n-1}\frac{(-1)^{k+1}}{2^k} =1+\frac{1}{3}\left(1-\left(-\frac12\right)^{n-1}\right) =\frac43-\frac{(-1)^{n-1}}{3\cdot2^{n-1}}
\end{solution}

2014 · 湖南 · 理 · 第 20 题 · 解答题

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19数列★★★★☆
已知数列 {an}\{a_n\} 的各项均为正数,记 A(n)=a1+a2+⋯+anA(n)=a_1+a_2+\cdots+a_n,B(n)=a2+a3+⋯+an+1B(n)=a_2+a_3+\cdots+a_{n+1},C(n)=a3+a4+⋯+an+2C(n)=a_3+a_4+\cdots+a_{n+2},n=1n=1,22,⋯\cdots.
(1) 若 a1=1a_1=1,a2=5a_2=5,且对任意 n∈N∗n\in\mathbf{N}^*,三个数 A(n)A(n),B(n)B(n),C(n)C(n) 组成等差数列,求数列 {an}\{a_n\} 的通项公式; (2) 证明:数列 {an}\{a_n\} 是公比为 qq 的等比数列的充分必要条件是:对任意 n∈N∗n\in\mathbf{N}^*,三个数 A(n)A(n),B(n)B(n),C(n)C(n) 组成公比为 qq 的等比数列.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 对任意 nn,由 A(n)A(n),B(n)B(n),C(n)C(n) 成等差数列,有
A(n)+C(n)=2B(n)A(n)+C(n)=2B(n)
代入三组和式并消去公共项,得到
a1−an+1=a2−an+2a_1-a_{n+1}=a_2-a_{n+2}
即
an+2−an+1=a2−a1=4a_{n+2}-a_{n+1}=a_2-a_1=4
所以数列从第一项开始公差为 44,结合 a1=1a_1=1,得
an=a1+(n−1)⋅4=4n−3a_n=a_1+(n-1)\cdot4=4n-3
\item 先证必要性. 若 {an}\{a_n\} 是公比为 qq 的等比数列,则 B(n)=qA(n)B(n)=qA(n),C(n)=qB(n)=q2A(n)C(n)=qB(n)=q^2A(n). 故 A(n)A(n),B(n)B(n),C(n)C(n) 成公比为 qq 的等比数列.
再证充分性. 已知对任意 nn, B(n)=qA(n)B(n)=qA(n),C(n)=qB(n)C(n)=qB(n). 取相邻两式相减. 由 B(n)−B(n−1)=an+1B(n)-B(n-1)=a_{n+1},以及
A(n)−A(n−1)=anA(n)-A(n-1)=a_n
对 n⩾2n\geqslant2 有
an+1=B(n)−B(n−1)=q(A(n)−A(n−1))=qana_{n+1}=B(n)-B(n-1) =q\bigl(A(n)-A(n-1)\bigr) =qa_n
当 n=1n=1 时,B(1)=qA(1)B(1)=qA(1) 给出 a2=qa1a_2=qa_1. 因而对所有 n⩾1n\geqslant1 都有 an+1=qana_{n+1}=qa_n,所以 {an}\{a_n\} 是公比为 qq 的等比数列. 必要性与充分性均成立. \end{enumerate} \end{solution}

2012 · 湖南 · 理 · 第 19 题 · 解答题

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19解析几何★★★★☆
为了考察冰川的融化状况,一支科考队在某冰川上相距 8 km8 \mathrm{~km} 的 AA,BB 两点各建一个考察基地. 视冰川面为平面形,以过 AA,BB 两点的直线为 xx 轴,线段 ABAB 的垂直平分线为 yy 轴建立平面直角坐标系(如图). 在直线 x=2x = 2 的右侧,考察范围为到点 BB 的距离不超过 655 km\frac{6\sqrt{5}}{5} \mathrm{~km} 的区域. 在直线 x=2x = 2 的左侧,考察范围为到 AA,BB 两点的距离之和不超过 45 km4\sqrt{5} \mathrm{~km} 的区域.
(1) 求考察区域边界曲线的方程; (2) 如图所示,设线段 P1P2P_{1}P_{2},P2P3P_{2}P_{3} 是冰川的部分边界线(不考虑其他边界),当冰川融化时,边界线沿与其垂直的方向朝考察区域平行移动,第一年移动 0.2 km0.2 \mathrm{~km},以后每年移动的距离为前一年的 2 倍. 求冰川边界线移动到考察区域所需的最短时间.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 在直线 x=2x=2 的右侧,考察区域是以 B(4,0)B\left(4,0\right) 为圆心、半径为 655\frac{6\sqrt{5}}{5} 的圆的内部,因此其边界曲线为 C1:(x−4)2+y2=365C_{1}:\left(x-4\right)^2+y^2=\frac{36}{5},x⩾2x\geqslant2. 在直线 x=2x=2 的左侧,考察区域边界是以 A(−4,0)A\left(-4,0\right),B(4,0)B\left(4,0\right) 为焦点的椭圆. 设其长半轴为 α\alpha,半焦距为 c0c_{0},则 2α=452\alpha=4\sqrt{5},c0=4c_{0}=4,从而 α=25\alpha=2\sqrt{5},短半轴平方为 α2−c02=4\alpha^2-c_{0}^2=4. 所以另一段边界曲线为 C2:x220+y24=1C_{2}:\frac{x^2}{20}+\frac{y^2}{4}=1,x<2x<2. \item 直线段 P1P2P_{1}P_{2} 的斜率为
6−(−1)−833+53=3\frac{6-(-1)}{-\frac{8\sqrt{3}}{3}+5\sqrt{3}}=\sqrt{3}
故其所在直线方程为 3x−y+14=0\sqrt{3}x-y+14=0. 对椭圆内部的点,有
3x−y=2(15x25−y2)⩾−215+1=−8\sqrt{3}x-y=2\left(\sqrt{15}\frac{x}{2\sqrt{5}}-\frac{y}{2}\right)\geqslant-2\sqrt{15+1}=-8
等号在 (−532,12)\left(-\frac{5\sqrt{3}}{2},\frac{1}{2}\right) 处取得,且该点满足 x<2x<2,属于考察区域边界. 所以从直线 P1P2P_{1}P_{2} 沿法向朝考察区域移动,首次接触考察区域所需的距离为
14−832+(−1)2=3 km\frac{14-8}{\sqrt{3^2+(-1)^2}}=3\text{ km}
该椭圆边界点到原直线的垂足为 (−43,2)(-4\sqrt{3},2),其纵坐标在 [−1,6][-1,6] 内,故垂足确在线段 P1P2P_{1}P_{2} 上,以上距离确实是该线段的最小移动距离. 直线段 P2P3P_{2}P_{3} 所在直线为 y=6y=6. 考察区域的最高点纵坐标为圆 C1C_{1} 的最高点纵坐标 655\frac{6\sqrt{5}}{5},所以该线段向下移动至考察区域至少需要
6−655>3 km6-\frac{6\sqrt{5}}{5}>3\text{ km}
圆的最高点横坐标为 44,位于线段 P2P3P_{2}P_{3} 的横坐标范围内,所以这个距离也确实可以在该线段上取得. 因此冰川边界线首次移动到考察区域时,所需移动距离为 3 km3\text{ km}.
设经过 nn 年移动的总距离为 sns_n,则
sn=0.2(1+2+22+⋯+2n−1)=0.2(2n−1)s_n=0.2\left(1+2+2^2+\cdots+2^{n-1}\right)=0.2\left(2^n-1\right)
有 s3=1.4<3s_3=1.4<3,s4=3s_4=3,故冰川边界线移动到考察区域所需的最短时间为 44 年. \end{enumerate} \end{solution}

2010 · 湖南 · 理 · 第 19 题 · 解答题

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