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23数列★★★★★
已知数列 {an}\{a_{n}\} 满足 13an⩽an+1⩽3an\frac{1}{3} a_{n} \leqslant a_{n+1} \leqslant 3a_{n},n∈N∗n \in \mathbf{N}^{*},a1=1a_{1} = 1.
(1) 若 a2=2a_{2} = 2,a3=xa_{3} = x,a4=9a_{4} = 9,求 xx 的取值范围; (2) 若 {an}\{a_{n}\} 是等比数列,且 am=11000a_{m} = \frac{1}{1000},求正整数 mm 的最小值,以及 mm 取最小值时相应 {an}\{a_{n}\} 的公比; (3) 若 a1a_1,a2a_2,⋯\cdots,a100a_{100} 成等差数列,求 a1a_1,a2a_2,⋯\cdots,a100a_{100} 的公差的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由 n=2n=2 时的不等式,得 23⩽x⩽6\dfrac23\leqslant x\leqslant6. 由 n=3n=3 时的不等式,得 x3⩽9⩽3x\dfrac x3\leqslant9\leqslant3x,即 3⩽x⩽273\leqslant x\leqslant27. 两个范围取交集,得到 x∈[3,6]x\in[3,6]. \item 设公比为 qq. 由 n=1n=1 时的条件,13⩽q⩽3\dfrac13\leqslant q\leqslant3,所以 q>0q>0. 因为 a1=1a_1=1,有 am=qm−1=10−3a_m=q^{m-1}=10^{-3},故 q=10−3(m−1)q=10^{-\frac{3}{(m-1)}}. 条件 q⩾13q\geqslant\dfrac13 等价于 103(m−1)⩽310^{\frac{3}{(m-1)}}\leqslant3. 当 m=7m=7 时,q=10−12<13q=10^{-\frac{1}{2}}<\dfrac13,不满足条件;当 m=8m=8 时,q=10−37>13q=10^{-\frac{3}{7}}>\dfrac13,且 q<1<3q<1<3,满足上界条件. 因为 10−3(m−1)10^{-\frac{3}{(m-1)}} 随正整数 mm 增大而增大,故 m=7m=7 不可而 m=8m=8 可行,最小值为 88,相应公比为 q=10−37q=10^{-\frac{3}{7}}. \item 设公差为 dd,则 an=1+(n−1)da_n=1+(n-1)d. 对 n=1n=1,22,…\ldots,9999,原条件分别等价于 an+d⩾an3a_n+d\geqslant\dfrac{a_n}{3} 和 an+d⩽3ana_n+d\leqslant3a_n. 代入 ana_n 后,前一个不等式化为 (2n+1)d⩾−2(2n+1)d\geqslant-2,即 d⩾−22n+1d\geqslant-\dfrac{2}{2n+1};后一个不等式化为 (3−2n)d⩽2(3-2n)d\leqslant2. 当 n=1n=1 时给出 d⩽2d\leqslant2,当 n⩾2n\geqslant2 时给出 d⩾−22n−3d\geqslant-\dfrac{2}{2n-3}. 前一组下界中,2n+12n+1 随 nn 增大而增大,故最强条件来自 n=99n=99,即 d⩾−2199d\geqslant-\dfrac{2}{199}. 对 n⩾2n\geqslant2,有 2n−3<2n+12n-3<2n+1,从而 −22n−3<−22n+1-\dfrac{2}{2n-3}< -\dfrac{2}{2n+1},所以后一组下界不比前一组的最强下界严格. 综合得公差范围为 d∈[−2199,2]d\in\left[-\dfrac{2}{199},2\right]. 代回上述两组不等式可知该范围内各不等式均成立,所以这是充要范围. \end{enumerate} \end{solution}

2014 · 上海 · 文 · 第 23 题 · 解答题

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22数列★★★★☆
已知函数 f(x)=2−∣x∣f(x) = 2 - |x|,无穷数列 {an}\{a_n\} 满足 an+1=f(an)a_{n+1} = f(a_n),n∈N∗n \in \mathbf{N}^*.
(1) 若 a1=0a_1 = 0,求 a2a_2,a3a_3,a4a_4; (2) 若 a1>0a_1 > 0,且 a1a_1,a2a_2,a3a_3 成等比数列,求 a1a_1 的值; (3) 是否存在 a1a_1,使得 a1a_1,a2a_2,a3a_3,⋯\cdots,ana_n,⋯\cdots 成等差数列?若存在,求出所有这样的 a1a_1;若不存在,说明理由.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 a1=0a_1=0 时,a2=2−∣0∣=2a_2=2-|0|=2,a3=2−∣2∣=0a_3=2-|2|=0,a4=2−∣0∣=2a_4=2-|0|=2. \item 设 a1=t>0a_1=t>0.
当 0<t⩽20<t\leqslant2 时,a2=2−t⩾0a_2=2-t\geqslant0,从而 a3=2−(2−t)=ta_3=2-(2-t)=t. 由 a1a_1,a2a_2,a3a_3 成等比数列,得 (2−t)2=t2(2-t)^2=t^2, 所以 4−4t=04-4t=0,即 t=1t=1.
当 t>2t>2 时,a2=2−t<0a_2=2-t<0,从而 a3=2−∣2−t∣=4−ta_3=2-|2-t|=4-t. 于是 (2−t)2=t(4−t)(2-t)^2=t(4-t), 即 2t2−8t+4=02t^2-8t+4=0,解得 t=2±2t=2\pm\sqrt{2}. 结合 t>2t>2,得 t=2+2t=2+\sqrt{2}. 因此 a1=1a_1=1 或 a1=2+2a_1=2+\sqrt{2}. \item 假设数列成等差数列,公差为 dd,则 an=a1+(n−1)da_n=a_1+(n-1)d. 由于对任意 nn 都有 an+1=2−∣an∣⩽2a_{n+1}=2-|a_n|\leqslant2,若 d>0d>0,则等差表达式使 an+1a_{n+1} 在 nn 足够大时大于 22,矛盾. 若 d<0d<0,则 ana_n 在 nn 足够大时为负数,此时递推式变为 an+1=2+ana_{n+1}=2+a_n,所以 d=2d=2,又与 d<0d<0 矛盾. 因此只能有 d=0d=0.
此时所有 ana_n 都等于 a1a_1,由递推式得 a1=2−∣a1∣a_1=2-|a_1|. 当 a1⩾0a_1\geqslant0 时,a1=2−a1a_1=2-a_1,得 a1=1a_1=1;当 a1<0a_1<0 时,a1=2+a1a_1=2+a_1,矛盾. 因此存在且唯一的取值为 a1=1a_1=1. \end{enumerate} \end{solution}

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