设 $\left\{a_n\right\}$ 是可以表示为两个或两个以上连续正整数之和的正整数从小到大排成的数列,设此数列的前 $n$ 项和为 $S_n$.
【难度】
【出处】
【标注】
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    数论初步
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    整除与同余
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    思考方式
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    数论初步
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    整除与同余
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    组合数学
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    组合极值
  1. 求 $a_{100}$,$S_{100}$;
    标注
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    答案
    $a_{100}=107,S_{100}=5651$
    解析
    因为$$13=6+7 , 26=5+6+7+8,$$故 $13,26$ 是 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 中的项.
    下面证明 $32$ 不是数列中的项.
    否则,设$$32 = n + \left( {n + 1} \right) + \cdots + \left( {n + k - 1} \right),$$其中 $k \geqslant 2 , n \in {\mathbb{N}}^*$,于是$$32 = \dfrac{{k\left( {2n + k - 1} \right)}}{2},$$即$$k\left( {2n + k - 1} \right) = 64 = {2^6},$$而 $k$ 与 $2n + k - 1$ 一奇一偶,所以奇数必定是 $1$,但$$2n + k - 1 > 1,$$所以只能 $k=1$,矛盾,故 $32$ 不是数列中的项.
    首先 ${a_1} = 3$,其次形如 ${2^k}(k \in {\mathbb{N}}^*)$ 的数不是数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 中的项,下证其余的数都是数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 中的项.
    剩下的数都可以表示成 ${2^m}\left( {2k + 1} \right)$ 的形式,其中 $m , k \in {\mathbb{N}}* , k \geqslant 1$.
    情形一当 ${2^m} > k$ 时,$${2^m}\left( {2k + 1} \right) = \left( {{2^m} - k} \right) + \left( {{2^m} - k + 1} \right) + \cdots + \left( {{2^m} + k} \right),$$所以此时形如 ${2^m}\left( {2k + 1} \right)$ 的数都是 $\{a_n\}$ 中的项.
    情形二当 ${2^m} \leqslant k$ 时,有$${2^m}\left( {2k + 1} \right) = \left[ {k - \left( {{2^m} - 1} \right)} \right] + \left[ {k - \left( {{2^m} - 2} \right)} \right] + \cdots + k + \left( {k + 1} \right) + \cdots + \left[ {\left( {k + 1} \right) + \left( {{2^m} - 1} \right)} \right],$$所以形如 ${2^m}\left( {2k + 1} \right)$ 的数都可以表示成两个或两个以上连续正整数的和,即是数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 中的项.
    因为$${2^6} < 100 < {2^7},$$所以 ${a_{100}} = 107$,进而$${S_{100}} = \left( {1 + 2 + \cdots + 107} \right) - \left( {1 + 2 + {2^2} + {2^3} + {2^4} + {2^5} + {2^6}} \right) = 5651.$$
  2. 若将 $k$ 表示为两个或两个以上的连续正整数之和的形式,恰有 $i$ 种表示法,则称 $k$ 为 $i$ 形态数,如 $15$ 为 $3$ 形态数.试求所有 $5$ 形态数中的最小数.
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      组合极值
    答案
    $30$
    解析
    设最小的 $5$ 形态数为 $m$,且$$m = n + \left( {n + 1} \right) + \cdots + \left( {n + k - 1} \right),$$其中 $k \geqslant 2$,$k , n \in {\mathbb{N}}^*$,则$$k\left( {2n + k - 1} \right) = 2m,$$且$$2n + k - 1 \geqslant k + 1 > k.$$$m$ 是 $i$ 形态数等价于方程$$k\left( {2n + k - 1} \right) = 2m$$的解恰有 $i$ 个.
    情形一 $2m$ 不是完全平方数.
    设 $2m$ 的因数个数为 $2r$,排序为$$1 = {a_1} < {a_2} < \cdots < {a_{2r}} = 2m,$$则$${a_i}{a_{2r + 1 - i}} = 2m(i = 1 , 2 , \cdots , r).$$当 $k = {a_i}\left( {i = 2 , 3 , \cdots , r} \right)$ 时,$$2n + k - 1 = {a_{2r + 1 - i}},$$此时的 $\left( {k , n} \right)$ 满足要求,方程 $k\left( {2n + k - 1} \right) = 2m$ 满足 $k \geqslant 2$,$k , n \in {\mathbb{N}}^*$ 的解有 $r - 1$ 个.
    由 $r - 1 = 5$ 得 $r = 6$,所以 $2m$ 的因数个数有 $12$ 个.
    考虑到$$12 = 2 \times 6 = 3 \times 4 = 3 \times 2 \times 2$$($1 \times 12$ 不满足要求),显然 $2m$ 含有因数 $2$.
    要想 $m$ 最小,则其质因子应该尽量小,且较小的质因子的次数较大,由此可得$$2m = {2^5} \times 3 = {2^3} \times {3^2} = {2^2} \times 3 \times 5,$$最小的 $m = 30$.
    情形二 $2m$ 是完全平方数.
    设因数个数为 $2r + 1$.
    类似的,方程$$k\left( {2n + k - 1} \right) = 2m$$的解有 $r - 1$ 个,解得 $r = 6$,而 $2m$ 的因数个数为 $13$,只能 $m = {2^{11}}$,不满足要求.
    综上知,最小的 $5$ 形态数为 $30$.
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
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