若数列
An:
a1,
a2,
⋯,
an(
n⩾2)满足
∣ak+1−ak∣=1(
k=1,
2,
⋯,
n−1),则称
An 为
E 数列. 记
S(An)=a1+a2+⋯+an.
(1) 写出一个满足
a1=a5=0,且
S(A5)>0 的
E 数列
A5;
(2) 若
a1=12,
n=2000,证明:
E 数列
An 是递增数列的充要条件是
an=2011;
(3) 对任意给定的整数
n(
n⩾2),是否存在首项为
0 的
E 数列
An,使得
S(An)=0?如果存在,写出一个满足条件的
E 数列
An;如果不存在,说明理由.
\begin{solution}
\begin{enumerate}
\item 取
A5:0,
1,
2,
1,
0. 相邻两项之差的绝对值均为
1,故它是
E 数列;且
a1=a5=0,
S(A5)=0+1+2+1+0=4>0.
\item 先证必要性. 若
An 是递增数列,则
ak+1−ak=1(
k=1,
2,
⋯,
1999),所以
an=a1+(n−1)=12+1999=2011.
再证充分性. 若
an=2011,则
an−a1=2011−12=1999. 又
an−a1=∑k=11999(ak+1−ak),右端共
1999 个取值为
±1 的项,其和为
1999,故每一项都等于
1,即
ak+1−ak=1(
k=1,
2,
⋯,
1999),所以
An 是递增数列.
\item 记
dk=ak+1−ak∈{−1,1}(
k=1,
2,
⋯,
n−1). 由
a1=0 得
ak=∑j=1k−1dj,于是
S(An)=∑k=1nak=∑j=1n−1(n−j)dj. 因为
(n−j)dj 与
n−j 同奇偶,所以
S(An) 与
∑j=1n−1(n−j)=2n(n−1) 同奇偶.
若
S(An)=0,则
2n(n−1) 为偶数,即
n≡0 或
1(mod4). 反之,当
n≡2 或
3(mod4) 时,
2n(n−1) 为奇数,
S(An)=0,不存在满足条件的
E 数列.
当
n≡0(mod4) 时,取
An:0,
1,
0,
−1,
0,
1,
0,
−1,
⋯,即以
0,
1,
0,
−1 为周期重复. 相邻两项之差的绝对值均为
1,且每个周期的和为
0,故
S(An)=0.
当
n≡1(mod4) 时,取上面长度为
n−1 的数列并在末尾添上
0. 它仍是
E 数列,前
n−1 项之和为
0,末项为
0,故
S(An)=0.
综上,满足条件的
E 数列
An 存在当且仅当
n≡0 或
1(mod4).
\end{enumerate}
\end{solution}