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2021年高考数学北京21

21.(15分)定义$R_{p}$数列$\{a_{n}\}$:对$p\in R$,满足:
①$a_{1}+p\geqslant 0$,$a_{2}+p=0$;②$\forall n\in N*$,$a_{4n-1}<a_{4n}$;③$\forall m$,$n\in N*$,$a_{m+n}\in \{a_{m}+a_{n}+p$,$a_{m}+a_{n}+p+1\}$.
(1)对前4项2,$-2$,0,1的数列,可以是$R_{2}$数列吗?说明理由;
(2)若$\{a_{n}\}$是$R_{0}$数列,求$a_{5}$的值;
(3)若$S_{n}$是数列$\{a_{n}\}$的前$n$项和,是否存在$p\in R$,使得存在$R_{p}$数列$\{a_{n}\}$,对任意$n\in N*$,满足$S_{n}\geqslant S_{10}$?若存在,求出所有这样的$p$;若不存在,说明理由.
分析:(1)利用性质③,结合题意进行判断,即可得到答案;
(2)由性质③,确定$a_{3}$,$a_{4}$的取值情况,然后分别分析得到$a_{4}=1$,$a_{3}=a_{1}$,从而求出$a_{1}$的值,当$a_{1}=0$,则$\{a_{n}\}$的前四项为0,0,0,1,利用数学归纳法证明$a_{4n+i}=n(i=1$,2,$3)$,$a_{4n+4}=n+1(n\in N)$,即可求得答案;
(3)令$b_{n}=a_{n}+p$,由性质③进行分析,可得数列$\{b_{n}\}$为$R_{0}$数列,利用(2)中的结论,得到$p$的取值情况,即可得到答案.
解:(1)由性质③,结合题意可得$0=a_{3}\in \{a_{1}+a_{2}+2$,$a_{1}+a_{2}+2+1\}=\{2$,$3\}$,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,$a_{1}\geqslant 0$,$a_{2}=0$;
由性质③$a_{m+2}\in \{a_{m}$,$a_{m}+1\}$,因此$a_{3}=a_{1}$或$a_{3}=a_{1}+1$,$a_{4}=0$或$a_{4}=1$,
若$a_{4}=0$,由性质②可得$a_{3}<a_{4}$,即$a_{1}<0$或$a_{1}+1<0$,矛盾;
若$a_{4}=1$,$a_{3}=a_{1}+1$,由$a_{3}<a_{4}$,则$a_{1}+1<1$,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$a_{1}=\dfrac{1}{2}$或$a_{1}=0$.
若$a_{1}=\dfrac{1}{2}$,则$a_{2}\in \{a_{1}+a_{1}+0$,$a_{1}+a_{1}+0+1\}=\{2a_{1}$,$2a_{1}+1\}=\{1$,$2\}$,不满足$a_{2}=0$,舍去;
当$a_{1}=0$,则$\{a_{n}\}$的前四项为0,0,0,1,
下面用数学归纳法证明$a_{4n+i}=n(i=1$,2,$3)$,$a_{4n+4}=n+1(n\in N)$,
当$n=0$时,经检验命题成立;
假设$n\leqslant k(k\geqslant 0)$时命题成立.
当$n=k+1$时,
若$i=1$,则$a_{4(k+1)+1}=a_{4k+5}=a_{j+(4k+5-j)}$,
利用性质③:$\{a_{j}+a_{4k+5-j}\vert j\in N*$,$1\leqslant j\leqslant 4k+4\}=\{k$,$k+1\}$,此时可得$a_{4k+5}=k+1$,
否则$a_{4k+5}=k$,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,$\{a_{j}+a_{4k+6-j}\vert j\in N*$,$1\leqslant j\leqslant 4k+5\}=\{k$,$k+1\}$,此时可得$a_{4k+6}=k+1$,
$\{a_{j}+a_{4k+8-j}\vert j\in N*$,$2\leqslant j\leqslant 4k+6\}=\{k+1$,$k+2\}$,此时可得$a_{4k+8}=k+2$,
$\{a_{j}+a_{4k+7-j}\vert j\in N*$,$1\leqslant j\leqslant 4k+6\}=\{k+1\}$,又因为$a_{4k+7}<a_{4k+8}$,此时可得$a_{4k+7}=k+1$,
即当$n=k+1$时,命题成立.
综上可得,$a_{5}=a_{4\times 1+1}=1$;
(3)令$b_{n}=a_{n}+p$,由性质③可知,$\forall m$,$n\in N*$,$b_{m+n}=a_{m+n}+p\in \{a_{m}+p+a_{n}+p$,$a_{m}+p+a_{n}+p+1\}=\{b_{m}+b_{n}$,$b_{m}+b_{n}+1\}$,
由于$b_{1}=a_{1}+p\geqslant 0$,$b_{2}=a_{2}+p=0$,$b_{4n-1}=a_{4n-1}+p<a_{4n}+p=b_{4n}$,
因此数列$\{b_{n}\}$为$R_{0}$数列,
由(2)可知,若$\forall n\in N*$,$a_{4n+4}=n-p(i=1$,2,$3)$,$a_{4n+1}=n+1-p$;
$S_{11}-S_{10}=a_{11}=a_{4\times 2+3}=2-p\geqslant 0$,
$S_{9}-S_{10}=-a_{10}=-a_{4\times 2+2}=-(2-p)\geqslant 0$,
因此$p=2$,此时$a_{1}$,$a_{2}$,$\cdot \cdot \cdot$,$a_{10}\leqslant 0$,$a_{j}\geqslant 0(j\geqslant 11)$,满足题意.
点评:本题考查了有关数列的新定义问题,解决此类问题,关键是读懂题意,理解新定义的本质,把新情境下的概念、法则、运算化归到常规的数学背景中,运用相关的数学公式、定理、性质进行解答即可,属于难题.
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