| 2025年高考数学天津-19 |
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2026-10-10 17:46:40 |
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(15分)$\{a_{n}\}$是等差数列,$\{b_{n}\}$是等比数列,$a_{1}=b_{1}=2$,$a_{2}=b_{2}+1$,$a_{3}=b_{3}$. $(I)$求$\{a_{n}\}$,$\{b_{n}\}$的通项公式; (Ⅱ)$\forall n\in N^*$,$I=\{0$,$1\}$,有$T_{n}=\{p_{1}a_{1}b_{1}+p_{2}a_{2}b_{2}+\ldots +p_{n-1}a_{n-1}b_{n-1}+p_{n}a_{n}b_{n}\vert p_{1}$,$p_{2}$,$\ldots$,$p_{n-1}$,$p_{n}\in I\}$. $(i)$求证:$\forall t\in T_{n}$,均有$t < a_{n+1}b_{n+1}$; $(ii)$求$T_{n}$所有元素之和. 〖答案〗(Ⅰ)$a_{n}=3n-1$,${b}_{n}={2}^{n}$; (Ⅱ)$(i)$证明见解答;$(ii)2^{n+2}+(3n-4)\cdot 2^{2n}$. 〖分析〗(Ⅰ)设数列$\{a_{n}\}$的公差为$d$,数列$\{b_{n}\}$公比为$q(q\ne 0)$,由题中条件列出关于$d$和$q(q\ne 0)$的方程求解,再结合等差和等比数列通项公式即可得解; (Ⅱ)$(i)$由题意结合(Ⅰ)求出$a_{n+1}b_{n+1}$和$p_{1}a_{1}b_{1}+p_{2}a_{2}b_{2}+\ldots +p_{n-1}a_{n-1}b_{n-1}+p_{n}a_{n}b_{n}$的最大值,再作差比较两者大小即可证明; $(ii)$根据$p_{1}$,$p_{2}$,$\ldots$,$p_{n-1}$,$p_{n}$中全为1;一个为0其余为1;2个为0其余为1;$\ldots$;全为0等情况将$T_{n}$中的所有元素分系列,并求出各系列中元素的和,最后将所有系列所得的和加起来即可得解. 〖解答〗解:(Ⅰ)设等差数列$\{a_{n}\}$的公差为$d$,等比数列$\{b_{n}\}$公比为$q(q\ne 0)$, 因为$a_{1}=b_{1}=2$,$a_{2}=b_{2}+1$,$a_{3}=b_{3}$, 所以$\left\{\begin{array}{l}2+d=2q+1\\ 2+2d=2q^{2}\end{array}\right.$,解得$\left\{\begin{array}{l}d=3\\ q=2\end{array}\right.$, 所以$a_{n}=2+3(n-1)=3n-1,b_{n}=2\times 2^{n-1}=2^{n}$; (Ⅱ)$(i)$证明:由(1)知$a_{n+1}b_{n+1}=(3n+2)2^{n+1}$, $p_{n}a_{n}b_{n}=(3n-1)2^{n}p_{n}=0$或$p_{n}a_{n}b_{n}=(3n-1)2^{n} > 0$, 当$p_{n}a_{n}b_{n}=(3n-1)2^{n} > 0$时, 设$S_{n}=p_{1}a_{1}b_{1}+p_{2}a_{2}b_{2}+...+p_{n-1}a_{n-1}b_{n-1}+p_{n}a_{n}b_{n}$ $=2\times 2+5\times 2^{2}+...+(3n-4)2^{n-1}+(3n-1)2^{n}$,① 则$2{S}_{n}=2\times {2}^{2}+5\times {2}^{3}+...+(3n-4){2}^{n}+(3n-1){2}^{n+1}$,② ①$-$②得:$-{S}_{n}=4+3({2}^{2}+{2}^{3}+...+{2}^{n})-(3n-1){2}^{n+1}$ $=4+3\times \dfrac{{2}^{2}(1-{2}^{n-1})}{1-2}-(3n-1){2}^{n+1}=-8-(3n-4)2^{n+1}$, 所以$S_{n}=8+(3n-4)2^{n+1}$,所以$S_{n}=8+(3n-4)2^{n+1}$为$T_{n}$中的最大元素, 此时$a_{n+1}b_{n+1}-S_{n}=(3n+2)2^{n+1}-[8+(3n-4)2^{n+1}]=6\cdot 2^{n+1}-8 > 0$恒成立, 所以对$\forall t\in T_{n}$,均有$t < a_{n+1}b_{n+1}$; $(ii)$因为每个$p_{i}(i=1$,2,$\ldots$,$n)$都有2个值$(0$和$1)$可以取, 所以$T_{n}$所有的元素个数为$2^{n}$个,因为$a_{i}b_{i}$随着$i$的增大而增大, 所以这$2^{n}$个元素互不相同, 又因为$a_{i}b_{i}(i=1$,2,$\ldots$,$n)$在所有元素中出现的总次数为$2^{n-1}$, 所以$T_{n}$中的所有元素之和为${2}^{n-1}{S}_{n}={2}^{n-1}[8+(3n-4){2}^{n+1}]=2^{n+2}+(3n-4)\cdot 2^{2n}$. 〖点评〗本题考查等差等比数列基本量的运算,错位相减法求数列的和,数列的综合应用,属于难题.
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