对于数集 $ X=\left\{-1,x_1,x_2,\cdots,x_n\right\} $,其中 $ 0<x_1<x_2<\cdots<x_n,n\geqslant 2 $,定义向量集 $ Y=\left\{\overrightarrow a \left|\right. \overrightarrow a=\left(s,t\right),s\in X,t\in X\right\} $.若对任意 $\overrightarrow a_1\in Y $,存在 $\overrightarrow a_2\in Y $,使得 $\overrightarrow a_1\cdot \overrightarrow a_2=0 $,则称 $ X $ 具有性质 $ {\mathbb{P}} $.例如 $ \left\{-1,1,2\right\} $ 具有性质 $ {\mathbb{P}} $.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 若 $ x>2 $,且 $ \left\{-1,1,2,x\right\} $ 具有性质 ${\mathbb{ P}} $,求 $ x $ 的值;
    标注
    答案
    解析
    选取 $\overrightarrow a_1=\left(x,2\right) $,$ Y $ 中与 $\overrightarrow a_1 $ 垂直的元素必有形式 $ \left(-1,b\right) $,
    所以 $ x=2b $,从而\[ x=4. \]
  2. 若 $ X $ 具有性质 $ {\mathbb{P}} $,求证:$ 1\in X $,且当 $ x_n>1 $ 时,$ x_1=1 $;
    标注
    答案
    解析
    取 $\overrightarrow a_1=\left(x_1,x_1\right)\in Y $,设 $\overrightarrow a_2=\left(s,t\right)\in Y $ 满足 $\overrightarrow a_1\cdot \overrightarrow a_2=0 ,$
    由 $ \left(s+t\right)x_1=0 $ 得 $ s+t=0 ,$ 所以 $ s,t $ 异号.
    因为 $ -1 $ 是 $ X $ 中唯一的负数,所以 $ s,t $ 之中一为 $ -1 $,另一为 $ 1 $,故 $ 1\in X. $
    假设 $ x_k=1 $,其中 $ 1<k<n $,则 $0<x_1<1<x_n. $
    选取 $\overrightarrow a_1=\left(x_1,x_n\right)\in Y $,并设 $\overrightarrow a_2=\left(s,t\right)\in Y $ 满足 $ \overrightarrow a_1\cdot \overrightarrow a_2=0 ,$
    即 $ sx_1+tx_n=0, $ 则 $ s,t$ 异号,从而 $ s,t $ 之中恰有一个为 $ -1 $.
    若 $ s=-1 $,则 $x_1=tx_n>t\geqslant x_1$,矛盾;
    若 $ t=-1 $,则 $ x_n=sx_1<s\leqslant x_n $,矛盾,
    所以 $ x_1=1. $
  3. 若 $ X $ 具有性质 ${\mathbb{ P}} $,且 $ x_1=1,x_2=q $($ q $ 为常数),求有穷数列 $ x_1,x_2,\cdots,x_n $ 的通项公式.
    标注
    答案
    解析
    解法一:猜测 $ x_i=q^{i-1},i=1,2,\cdots,n $.记\[ A_k=\left\{-1,1,x_2,\cdots,x_k\right\},k=2,3,\cdots,n. \]先证明:若 $ A_{k+1} $ 具有性质 $ {\mathbb{P}} $,则 $ A_k $ 也具有性质 $ {\mathbb{P}} $.
    任取 $\overrightarrow a_1=\left(s,t\right),s,t\in A_k $.
    当 $ s,t $ 中出现 $ -1 $ 时,显然有 $ \overrightarrow a_2 $ 满足 $\overrightarrow a_1\cdot \overrightarrow a_2=0 $;
    当 $ s\neq -1 $ 且 $ t\neq -1 $ 时,则 $ s,t\geqslant 1 $.
    因为 $ A_{k+1 }$ 具有性质 $ {\mathbb{P}} $,所以有 $\overrightarrow a_2=\left(s_1,t_1\right),s_1,t_1\in A_{k+1} $,
    使得 $\overrightarrow a_1\cdot \overrightarrow a_2=0 $,从而 $ s_1 $ 和 $ t_1 $ 中有一个是 $ -1 $,不妨设 $ s_1=-1 $.
    假设 $ t_1 \in A_{k+1} $ 且 $ t_1 \notin A_k $,则 $ t_1=x_{k+1} $.
    由 $ \left(s,t\right)\cdot \left(-1,x_{k+1}\right)=0 $,得 $ s=tx_{k+1}\geqslant x_{k+1} $,与 $ s\in A_k $ 矛盾.
    所以 $ t_1\in A_k $,从而 $ A_k $ 也具有性质 $ {\mathbb{P}} $.
    现用数学归纳法证明:$ x_i=q^{i-1},i=1,2,\cdots,n $.
    当 $ n=2 $ 时,结论显然成立;
    假设 $ n=k $ 时,$ A_k=\left\{-1,1,x_2 ,\cdots,x_k\right\} $ 有性质 ${\mathbb{ P}} $,
    即 $ x_i=q^{i-1},i=1,2,\cdots,k $;
    当 $ n=k+1 $ 时,若 $ A_{k+1}=\left\{-1,1,x_2,\cdots,x_k,x_{k+1}\right\} $ 有性质 ${\mathbb{ P }}$,
    则 $ A_k=\left\{-1,1,x_2,\cdots,x_k\right\} $ 也有性质 $ {\mathbb{P }}$,
    所以 $ A_{k+1}=\left\{-1,1,q,\cdots,q^{k-1},x_{k+1}\right\} $.
    取 $\overrightarrow a_1=\left(x_{k+1},q\right) $,并设 $\overrightarrow a_2=\left(s,t\right) $ 满足 $ \overrightarrow a_1\cdot\overrightarrow a_2=0 $.
    由此可得 $ s=-1 $ 或 $ t=-1 $.若 $ t=-1 $,则 $ x_{k+1}={\dfrac{q}{s}}\leqslant q $,不可能;
    所以 $ s=-1,x_{k+1}=qt\leqslant q^k $ 且 $ x_{k+1}>q^{k-1 }$,所以 $ x_{k+1}=q^k $.
    综上所述,$ x_i=q^{i-1},i=1,2,\cdots,n $.
    解法二:设 $\overrightarrow a_1=\left(s_1,t_1\right),\overrightarrow a_2=\left(s_2,t_2\right) $,则 $\overrightarrow a_1\cdot \overrightarrow a_2=0 $ 等价于 $ {\dfrac{s_1}{t_1}}=-{\dfrac{t_2}{s_2}} $.
    记 $B{ = }\left\{ {\dfrac{s}{t} \left|\right. s \in X,t \in X,\left| s \right| > \left| t \right|} \right\}$,则数集 $ X $ 具有性质 $ {\mathbb{P}} $,当且仅当数集 $ B $ 关于原点对称.
    注意到 $ -1 $ 是 $ X $ 中的唯一负数,$ B\cap \left(-\infty ,0\right)=\left\{-x_2,-x_3,\cdots,-x_n\right\} $ 共有 $ n-1 $ 个数,
    所以 $ B\cap \left(0,+\infty \right) $ 也只有 $ n-1 $ 个数.由于\[ {\dfrac{x_n}{x_{n-1}}}<{\dfrac{x_n}{x_{n-2}}}<\cdots<{\dfrac{x_n}{x_2}}<{\dfrac{x_n}{x_1}} ,\]已有 $ n-1 $ 个数,对以下三角数阵:\[ \begin{split}{\dfrac{x_n}{x_{n-1}}}&<{\dfrac{x_n}{x_{n-2}}}<\cdots<{\dfrac{x_n}{x_2}}<{\dfrac{x_n}{x_1}},\\ {\dfrac{x_{n-1}}{x_{n-2}}}&<{\dfrac{x_{n-1}}{x_{n-3}}}<\cdots<{\dfrac{x_{n-1}}{x_1}},
    \\ \cdots \cdots
    \\ {\dfrac{x_2}{x_1}} .\end{split}\]注意到 $ {\dfrac{x_n}{x_1}}>{\dfrac{x_{n-1}}{x_1}}>\cdots>{\dfrac{x_2}{x_1}} $,所以\[ {\dfrac{x_n}{x_{n-1}}}={\dfrac{x_{n-1}}{x_{n-2}}}=\cdots={\dfrac{x_2}{x_1}}, \]从而数列的通项为\[ x_k=x_1 \left({\dfrac{x_2}{x_1}}\right) ^{k-1}=q^{k-1},k=1, 2,\cdots,n. \]
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 问题3 答案3 解析3 备注3
0.184877s