已知 $S=\{1,2,\cdots,25\}$,$A\subseteq S$,且 $A$ 的所有子集的元素之和各不相同,则下列说法正确的有 \((\qquad)\)
【难度】
【出处】
2017年清华大学429学术能力测试数学试题
【标注】
【答案】
AD
【解析】
假设集合 $A$ 中有 $7$ 个元素,不妨设为 $a_1<a_2<\cdots<a_7$.考虑 $A$ 的所有 $k (k=2,3,4,5,6)$ 元子集,共有\[2^7-2-7=119\]个.记 $A$ 的每个 $k (k=2,3,4,5,6)$ 元子集元素之和的最小值为 $m$,最大值为 $M$,则\begin{align*}
m&=a_1+a_2,\\
M&\leqslant a_1+a_2+25+24+23+22+21\\
&=a_1+a_2+115,
\end{align*}故其中必有两个子集元素之和相同.
考虑集合 $A$ 的 $6$ 元子集 $\{25,24,23,21,18,12\}$,满足题意.
由此可知,选项A正确,选项B错误.
设集合 $A$ 中有 $n\leqslant 6$ 个元素 $a_i$($i=1,2,\cdots,n$),其中\[a_1<a_2<\cdots<a_n,\]这 $n$ 个元素中任意 $k$ 个元素之和不小于 $2^k-1$.否则这 $k$ 个元素组成的集合的非空子集有 $2^k-1$ 个,必然会出现两个子集元素之和相等,不符合题意.
记 $b_i=a_i-2^{i-1}$($i=1,2,\cdots,n$),则数列 $\left\{b_i\right\}$ 的前 $k$ 项和 $D_k\geqslant 0$($k=1,2,\cdots,n$),因此\begin{align*}
&\sum_{i=1}^{n}{\dfrac{1}{2^{i-1}}}-\sum_{i=1}^{n}{\dfrac{1}{a_i}}\\
={}&\dfrac{a_1-1}{a_1}+\dfrac{a_2-2}{2a_2}+\dfrac{a_3-2^2}{2^2\cdot a_3}+\cdots+\dfrac{a_n-2^{n-1}}{2^{n-1}\cdot a_n}\\
={}&\dfrac{b_1}{a_1}+\dfrac{b_2}{2a_2}+\dfrac{b_3}{2^2\cdot a_3}+\cdots+\dfrac{b_n}{2^{n-1}\cdot a_n}\\
={}&\dfrac{D_1}{a_1}+\dfrac{D_2-D_1}{2a_2}+\dfrac{D_3-D_2}{2^2\cdot a_3}+\cdots+\dfrac{D_n-D_{n-1}}{2^{n-1}\cdot a_n}\\
={}&D_1\cdot\left(\dfrac{1}{a_1}-\dfrac{1}{2a_2}\right)+D_2\cdot\left(\dfrac{1}{2a_2}-\dfrac{1}{2^2a_3}\right)+\cdots+D_{n-1}\cdot\left(\dfrac{1}{2^{n-2}a_{n-1}}-\dfrac{1}{2^{n-1}a_n}\right)+\dfrac{D_n}{2^{n-1}a_n}\\
\geqslant{}&0,
\end{align*}等号当 $a_i=2^{i-1} (i=1,2,3,\cdots,n)$ 时取得.因此 $\dfrac{1}{a_1}+\dfrac{1}{a_2}+\dfrac{1}{a_3}+\cdots+\dfrac{1}{a_n}$ 的最大值为\[\sum\limits_{i=1}^{n}{\dfrac{1}{2^{i-1}}}=2-\dfrac{1}{2^{n-1}},\]因此\[\dfrac{1}{a_1}+\dfrac{1}{a_2}+\dfrac{1}{a_3}+\dfrac{1}{a_4}+\dfrac{1}{a_5}\leqslant \dfrac{31}{16},\]选项 D 正确,选项 C 错误.
m&=a_1+a_2,\\
M&\leqslant a_1+a_2+25+24+23+22+21\\
&=a_1+a_2+115,
\end{align*}故其中必有两个子集元素之和相同.
考虑集合 $A$ 的 $6$ 元子集 $\{25,24,23,21,18,12\}$,满足题意.
由此可知,选项A正确,选项B错误.
设集合 $A$ 中有 $n\leqslant 6$ 个元素 $a_i$($i=1,2,\cdots,n$),其中\[a_1<a_2<\cdots<a_n,\]这 $n$ 个元素中任意 $k$ 个元素之和不小于 $2^k-1$.否则这 $k$ 个元素组成的集合的非空子集有 $2^k-1$ 个,必然会出现两个子集元素之和相等,不符合题意.
记 $b_i=a_i-2^{i-1}$($i=1,2,\cdots,n$),则数列 $\left\{b_i\right\}$ 的前 $k$ 项和 $D_k\geqslant 0$($k=1,2,\cdots,n$),因此\begin{align*}
&\sum_{i=1}^{n}{\dfrac{1}{2^{i-1}}}-\sum_{i=1}^{n}{\dfrac{1}{a_i}}\\
={}&\dfrac{a_1-1}{a_1}+\dfrac{a_2-2}{2a_2}+\dfrac{a_3-2^2}{2^2\cdot a_3}+\cdots+\dfrac{a_n-2^{n-1}}{2^{n-1}\cdot a_n}\\
={}&\dfrac{b_1}{a_1}+\dfrac{b_2}{2a_2}+\dfrac{b_3}{2^2\cdot a_3}+\cdots+\dfrac{b_n}{2^{n-1}\cdot a_n}\\
={}&\dfrac{D_1}{a_1}+\dfrac{D_2-D_1}{2a_2}+\dfrac{D_3-D_2}{2^2\cdot a_3}+\cdots+\dfrac{D_n-D_{n-1}}{2^{n-1}\cdot a_n}\\
={}&D_1\cdot\left(\dfrac{1}{a_1}-\dfrac{1}{2a_2}\right)+D_2\cdot\left(\dfrac{1}{2a_2}-\dfrac{1}{2^2a_3}\right)+\cdots+D_{n-1}\cdot\left(\dfrac{1}{2^{n-2}a_{n-1}}-\dfrac{1}{2^{n-1}a_n}\right)+\dfrac{D_n}{2^{n-1}a_n}\\
\geqslant{}&0,
\end{align*}等号当 $a_i=2^{i-1} (i=1,2,3,\cdots,n)$ 时取得.因此 $\dfrac{1}{a_1}+\dfrac{1}{a_2}+\dfrac{1}{a_3}+\cdots+\dfrac{1}{a_n}$ 的最大值为\[\sum\limits_{i=1}^{n}{\dfrac{1}{2^{i-1}}}=2-\dfrac{1}{2^{n-1}},\]因此\[\dfrac{1}{a_1}+\dfrac{1}{a_2}+\dfrac{1}{a_3}+\dfrac{1}{a_4}+\dfrac{1}{a_5}\leqslant \dfrac{31}{16},\]选项 D 正确,选项 C 错误.
题目
答案
解析
备注