设数列 $\left\{ {a_n} \right\}$:$1, - 2, - 2,3,3,3, - 4, - 4, - 4, - 4, \cdots $,$\underbrace {{{\left( { - 1} \right)}^{k - 1}}k, \cdots ,{{\left( { - 1} \right)}^{k - 1}}k}_{k个}$,$ \cdots $,即当 $\dfrac{{\left( {k - 1} \right)k}}{2} < n \leqslant \dfrac{{k\left( {k + 1} \right)}}{2}$($k \in {{\mathbb{N}}^*}$)时,${a_n} = {\left( { - 1} \right)^{k - 1}}k$.记 ${S_n} = {a_1} + {a_2} + \cdots + {a_n}$($n \in {{\mathbb{N}}^*}$).对于 $l \in {{\mathbb{N}}^*}$,定义集合 ${P_l} = \left\{ {n\left|\right. {S_n} 是 {a_n} 的整数倍,n \in {{\mathbb{N}}^*},且 1 \leqslant n \leqslant l} \right\}$.
【难度】
【出处】
2013年高考江苏卷
【标注】
  • 知识点
    >
    数列
  • 方法
    >
    论述方式
    >
    数学归纳法
  1. 求集合 ${P_{11}}$ 中元素的个数;
    标注
    • 知识点
      >
      数列
    答案
    $ 5$.
    解析
    分别求出 $S_1$ 到 $S_{11}$,逐一验证即可.由数列 $\left\{ {a_n} \right\}$ 的定义得\[{a_1} = 1 , {a_2} = - 2 , {a_3} = - 2 , {a_4} = 3 , {a_5} = 3 ,\\ {a_6} = 3 , {a_7} = - 4 , {a_8} = - 4 , {a_9} = - 4 , {a_{10}} = - 4 ,{a_{11}} = 5,\]根据数列的前 $n$ 项和概念算得\[{S_1} = 1,{S_2} = - 1 ,{S_3} = - 3 ,{S_4} = 0 ,{S_5} = 3 ,\\ {S_6} = 6 ,{S_7} = 2 ,{S_8} = - 2,{S_9} = - 6 ,{S_{10}} = - 10,{S_{11}} = - 5,\]从而\[{S_1} = {a_1} ,{S_4} = 0 \times {a_4},{S_5} = {a_5} ,{S_6} = 2{a_6} , {S_{11}} = - {a_{11}}.\]所以集合 ${P_{11}}$ 中元素的个数为 $ 5$.
  2. 求集合 ${P_{2000}}$ 中元素的个数.
    标注
    • 方法
      >
      论述方式
      >
      数学归纳法
    答案
    $1008$.
    解析
    求出 $S_{2i+1}$ 的通项公式,并得出其与 $2i+1$ 的倍数关系是解决本题的关键.先用数学归纳法证明:\[{S_{i\left( {2i + 1} \right)}} = - i\left( {2i + 1} \right)\left( {i \in {{\mathbb{N}}^*}} \right)\]事实上,① 当 $i = 1$ 时,${S_{i\left( {2i + 1} \right)}} = {S_3} = - 3$,$ - i\left( {2i + 1} \right) = - 3$,故原等式成立;
    ② 假设 $i = m$ 时成立,即 ${S_{m\left( {2m + 1} \right)}} = - m\left( {2m + 1} \right)$,则 $i = m + 1$ 时,\[\begin{split}{S_{\left( {m + 1} \right)\left( {2m + 3} \right)}} &= {S_{m\left( {2m + 1} \right)}} + {\left( {2m + 1} \right)^2} - {\left( {2m + 2} \right)^2} \\&= - m\left( {2m + 1} \right) - 4m - 3\\ &= - \left( {2{m^2} + 5m + 3} \right) \\&= - \left( {m + 1} \right)\left( {2m + 3} \right),\end{split}\]综合 ①② 可得,${S_{i\left( {2i + 1} \right)}} = - i\left( {2i + 1} \right)$.
    于是\[\begin{split}{S_{\left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right)}} &= {S_{i\left( {2i + 1} \right)}} + {\left( {2i + 1} \right)^2}\\& = - i\left( {2i + 1} \right) + {\left( {2i + 1} \right)^2}\\ &= \left( {2i + 1} \right)\left( {i + 1} \right) .\end{split}\]由上可知 ${S_{i\left( {2i + 1} \right)}}$ 是 $2i + 1$ 的倍数,而\[{a_{i\left( {2i + 1} \right) + j}} = 2i + 1\left( {j = 1,2, \cdots ,2i + 1} \right),\]所以 ${S_{i\left( {2i + 1} \right) + j}} = {S_{i\left( {2i + 1} \right)}} + j\left( {2i + 1} \right)$ 是 ${a_{i\left( {2i + 1} \right) + j}}\left( {j = 1,2, \cdots ,2i + 1} \right)$ 的倍数.
    又 $ {S_{\left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right)}} = \left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right) $ 不是 $ 2i + 2 $ 的倍数,而\[ {a_{\left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right) + j}} = - \left( {2i + 2} \right)\left( {j = 1,2, \cdots ,2i + 2} \right) ,\]所以\[\begin{split} {S_{\left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right) + j}} &= {S_{\left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right)}} - j\left( {2i + 2} \right)\\& = \left( {2i + 1} \right)\left( {i + 1} \right) - j\left( {2i + 2} \right)\end{split}\]不是 ${a_{\left( {i + 1} \right)\left( {2i + 1} \right) + j}}\left( {j = 1,2, \cdots ,2i + 2} \right)$ 的倍数,
    故当 $l = i\left( {2i + 1} \right)$ 时,集合 ${P_l}$ 中元素的个数为\[1 + 3 + \cdots + \left( {2i - 1} \right) \overset{\left[a\right]}= {i^2}.\](推导中用到:[a])
    于是,当 $l = i\left( {2i + 1} \right) + j\left( {1 \leqslant j \leqslant 2i + 1} \right)$ 时,集合 ${P_l}$ 中元素的个数为 ${i^2} + j$.
    又 $2000 = 31 \times \left( {2 \times 31 + 1} \right) + 47,$
    故集合 ${P_{2000}}$ 中元素的个数为 ${31^2} + 47 = 1008$.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
0.122141s