培优点 9 新情景、新定义下的数列问题
近几年全国各地高考试题,我们总能在试卷的压轴题位置发现新定义数列题的身影,
它们对数列综合问题的考查常常以新定义、新构造和新情景形式呈现,有时还伴随着数列
与集合,难度较大.
题型一 数列中的新概念
通过创新概念,以集合、函数、数列等的常规知识为问题背景,直接利用创新概念的内涵
来构造相应的关系式(或不等式等),结合相关知识中的性质、公式来综合与应用.
例1 (1)0-1周期序列在通信技术中有着重要应用.若序列 aa…a…满足a∈{0,1}(i=
1 2 n i
1,2,…),且存在正整数m,使得a =a(i=1,2,…)成立,则称其为0-1周期序列,并
i+m i
称满足a =a(i=1,2,…)的最小正整数m为这个序列的周期.对于周期为m的0-1序列
i+m i
aa…a…,C(k)=a (k=1,2,…,m-1)是描述其性质的重要指标,下列周期为5的0-1
1 2 n i i+k
序列中,满足C(k)≤(k=1,2,3,4)的序列是( )
A.11010… B.11011…
C.10001… D.11001…
答案 C
解析 周期为5的0-1序列中,
C(k)=a (k=1,2,3,4).
i i+k
验证C(1)=(aa+aa+aa+aa+aa)
1 2 2 3 3 4 4 5 5 6
=(aa+aa+aa+aa+aa)≤.
1 2 2 3 3 4 4 5 5 1
对于A,C(1)=(1+0+0+0+0)=,满足C(1)≤.
对于B,C(1)=(1+0+0+1+1)=>,不满足C(1)≤,故排除B.
对于C,C(1)=(0+0+0+0+1)=,满足C(1)≤.
对于D,C(1)=(1+0+0+0+1)=>,不满足C(1)≤,故排除D.
再对A,C验证C(2)=(aa+aa+aa+aa+aa)=(aa+aa+aa+aa+aa)≤.
1 3 2 4 3 5 4 6 5 7 1 3 2 4 3 5 4 1 5 2
对于A,C(2)=(0+1+0+1+0)=>,不满足C(2)≤,故排除A.
对于C,C(2)=(0+0+0+0+0)=0,满足C(2)≤.
(2)(2023·武汉模拟)将1,2,…,n按照某种顺序排成一列得到数列{a},对任意1≤i<j≤n,
n
如果a>a,那么称数对(a,a)构成数列{a}的一个逆序对.若n=4,则恰有2个逆序对的
i j i j n
数列{a}的个数为( )
n
A.4 B.5 C.6 D.7
答案 B
解析 若n=4,则1≤i<j≤4,
由1,2,3,4构成的逆序对有(4,3),(4,2),(4,1),(3,2),(3,1),(2,1),若数列{a}的第一个数为4,则至少有3个逆序对;
n
若数列{a}的第二个数为4,
n
则恰有2个逆序对的数列{a}为{1,4,2,3};
n
若数列{a}的第三个数为4,
n
则恰有2个逆序对的数列{a}为{1,3,4,2}或{2,1,4,3};
n
若数列{a}的第四个数为4,
n
则恰有2个逆序对的数列{a}为{2,3,1,4}或{3,1,2,4},
n
综上,恰有2个逆序对的数列{a}的个数为5.
n
思维升华 与数列的新概念有关的问题的求解策略
①通过给出一个新的数列的概念,或约定一种新的运算,或给出几个新模型来创设新问题
的情景,要求在阅读理解的基础上,依据题目提供的信息,联系所学的知识和方法,实现
信息的迁移,达到灵活解题的目的.
②遇到新定义问题,应耐心读题,分析新定义的特点,弄清新定义的性质,按新定义的要
求,“照章办事”,逐条分析,运算,验证,使得问题得以解决.
跟踪训练1 (多选)(2023·江西联考)在一次数学活动课上,老师设计了有序实数组 A={a ,
1
a ,a ,…,a},a∈{0,1},i=1,2,3,…,n,f(A)表示把A中每个1都变为0,0,每个0都
2 3 n i
变为1,所得到的新的有序实数组,例如 A={0,1},则f(A)={1,0,0}.定义A =f(A),k
k+1 k
=1,2,3,…,n,若A={0,1},则( )
1
A.A 中有249个1
100
B.A 中有249个0
101
C.A,A,A,…,A 中0的总个数比1的总个数多250-1
1 2 3 100
D.A,A,A,…,A 中1的总个数为251-1
1 2 3 100
答案 AC
解析 因为 A ={0,1},所以 A ={1,0,0},A ={0,0,1,1},A ={1,1,0,0,0,0},A =
1 2 3 4 5
{0,0,0,0,1,1,1,1},A={1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0},
6
显然,A ,A ,A 中分别有2,4,8项,其中1和0的项数相同,A ,A ,A 中分别有3,6,12
1 3 5 2 4 6
项,其中有的项为1,的项为0,
设A 中共有a 项,其中有b 项1,c 项0,
n n n n
则a= b=
n n
c=
n所以A 中有249个1,A正确;
100
A 中有250个0,B错误;
101
c -b = 则A ,A ,A ,…,A 中0的总个数比1的总个数多0+20+0
n n 1 2 3 100
+21+0+…+249==250-1,C正确;
A,A,A,…,A 中1的总个数为+=251-2,D错误.
1 2 3 100
题型二 以数列和项与通项关系定义新数列
例2 (1)(多选)(2023·苏州模拟)若数列{a}满足:对任意的n∈N (n≥3),总存在i,j∈N ,
n + +
使a=a+a(i≠j,i<n,j<n),则称{a}是“F数列”.则下列数列是“F数列”的有( )
n i j n
A.a=2n B.a=n2
n n
C.a=3n D.a=n-1
n n
答案 AD
解析 对于A,由a+a=2(i+j),要使a=a+a=2n(i≠j,i<n,j<n)且i,j∈N ,
i j n i j +
所以只需n=i+j≥3,显然对任意的n∈N (n≥3),总存在i,j∈N ,使得a =a+a,满
+ + n i j
足“F数列”;
对于B,由a=12,a=22,a=32,显然a≠a+a,不满足“F数列”;
1 2 3 3 1 2
对于C,对于任意3n,n∈N ,个位数为3,9,7,1均为奇数,所以3i+3j必为偶数,显然3i+
+
3j=3n不成立,不满足“F数列”;
对于D,由n∈N (n≥3),
+
a +a =n-2+n-3
n-1 n-2
=n-2·
=n-2·
=n-1=a,
n
故对任意的n∈N (n≥3),总存在a=a+a,满足“F数列”.
+ n i j
(2)(多选)(2023·威海模拟)已知数列{a}的首项a =1,前n项和为S.设λ与k是常数,若对
n 1 n
任意n∈N ,均有 成立,则称此数列为“λ-k”数列.若数列{a}是“-
+ n
2”数列,且a>0,则( )
n
A.S=9n-1
n
B.{a}为等比数列
n
C.{S-a}的前n项和为
n n
D.为等差数列
答案 AC
解析 由条件可知,λ=,k=2,则-==,
两边平方后,整理为
S -4+3S=0,
n+1 n
即(-)(-3)=0,
得=或=3,
若=,则S =S,则a =0,
n+1 n n+1
这与a>0矛盾,所以不成立,
n
所以=3,则S =9S ,S =a =1,所以数列{S}是首项为1,公比为9的等比数列,即S
n+1 n 1 1 n n
=9n-1,故A正确;
由S =9S 可得S=9S (n≥2),两式相减得,
n+1 n n n-1
a =9a(n≥2),并且n=1时,S=9S,即a+a=9a,得a=8,
n+1 n 2 1 1 2 1 2
那么=8≠9,所以{a}不是等比数列,故B错误;
n
a=
n
当n=1时,S-a=0,
1 1
当n≥2时,设数列{S-a}的前n项和为T,
n n n
则T=(S-a)+(S-a)+…+(S-a)
n 1 1 2 2 n n
=(S+S+…+S)-(a+a+…+a)
1 2 n 1 2 n
=-=,
当n=1时,T=0成立,故T=,故C正确;
1 n
因为=1,=,=,+≠2,所以数列不是等差数列,故D错误.
思维升华 解决此类问题,关键是根据题干中的新定义、新公式、新定理、新法则、新运
算等,将新数列转化为等差或等比数列,或者找到新数列的递推关系进行求解.
跟踪训练2 (多选)(2023·北京人大附中模拟)已知数列{a}满足:对任意的n∈N ,总存在
n +
m∈N ,使得S=a ,则称{a}为“回旋数列”.以下结论中正确的是( )
+ n m n
A.若a=2 023n,则{a}为“回旋数列”
n n
B.设{a}为等比数列,且公比q为有理数,则{a}为“回旋数列”
n n
C.设{a}为等差数列,当a=1,公差d<0时,若{a}为“回旋数列”,则d=-1
n 1 n
D.若{a}为“回旋数列”,则对任意n∈N ,总存在m∈N ,使得a=S
n + + n m
答案 AC
解析 对于A,由a=2 023n可得S=2 023(1+2+3+…+n)=2 023×,
n n
由S=a 可得2 023×=2 023m,取m=即可,则{a}为“回旋数列”,故A正确;
n m n
对于B,当q=1时,S=na,a =a,
n 1 m 1
由S =a 可得na =a ,故当n=2时,很明显na =a 不成立,故{a}不是“回旋数列”,
n m 1 1 1 1 n
故B错误;对于C,{a}是等差数列,故a =1+(m-1)d,
n m
S=n+d,
n
因为数列{a}是“回旋数列”,
n
所以1+(m-1)d=n+d,
即m=++1,
其中为非负整数,
所以要保证恒为整数,
故d为所有非负整数的公约数,且d<0,所以d=-1,故C正确;
对于D,由A可知,当a=2 023n时,{a}为“回旋数列”,
n n
取a=2 023×2,S =2 023×,显然不存在m,使得S =a=2 023×2,故D错误.
2 m m 2
题型三 数列新情景
例3 (1)九连环是中国最杰出的益智游戏.九连环由九个相互连接的环组成,这九个环套在
一个中空的长形柄中,九连环的玩法就是要将这九个环从柄上解下来,规则如下:如果要
解下(或安上)第n号环,则第(n-1)号环必须解下(或安上),n-1往前的都要解下(或安上)
才能实现.记解下n连环所需的最少移动步数为a ,已知a =1,a =2,a =a +2a +
n 1 2 n n-1 n-2
1(n≥3),则解六连环最少需要移动圆环步数为( )
A.42 B.85 C.256 D.341
答案 A
解析 由题意可得,a=a+2a+1=2+2+1=5,
3 2 1
a=a+2a+1=5+4+1=10,
4 3 2
a=a+2a+1=10+10+1=21,
5 4 3
a=a+2a+1=21+20+1=42.
6 5 4
(2)(2021·新高考全国Ⅰ)某校学生在研究民间剪纸艺术时,发现剪纸时经常会沿纸的某条对
称轴把纸对折.规格为20 dm×12 dm的长方形纸,对折1次共可以得到10 dm×12 dm,20
dm×6 dm两种规格的图形,它们的面积之和S =240 dm2,对折2次共可以得到5 dm×12
1
dm,10 dm×6 dm,20 dm×3 dm三种规格的图形,它们的面积之和S =180 dm2,以此类推,
2
则对折4次共可以得到不同规格图形的种数为_____;如果对折n次,那么 =_____ dm2.
k
答案 5 240
解析 依题意得,S=120×2=240;S=60×3=180;
1 2
当n=3时,共可以得到5 dm×6 dm, dm×12 dm,10 dm×3 dm,20 dm× dm四种规格
的图形,且5×6=30,×12=30,10×3=30,20×=30,所以S=30×4=120;
3
当n=4时,共可以得到5 dm×3 dm, dm×6 dm, dm×12 dm,10 dm× dm,20 dm×dm五种规格的图形,所以对折4次共可以得到不同规格图形的种数为5,且5×3=15,×6
=15,×12=15,10×=15,20×=15,所以S=15×5=75;
4
……
所以可归纳S=×(k+1)=.
k
所以 =240,①
k
所以×
k
=240,②
由①-②得,
×=240
k
=240=240,
所以 =240dm2.
k
思维升华 对于新情景问题,关键是要从问题情境中寻找“重要信息”,即研究对象的本
质特征、数量关系(数量化的特征)等,建立数学模型求解.
跟踪训练3 几位大学生响应国家的创业号召,开发了一款应用软件.为激发大家学习数学
的兴趣,他们推出了“解数学题获取软件激活码”的活动.这款软件的激活码为下面数学
问题的答案:已知数列1,1,2,1,2,4,1,2,4,8,1,2,4,8,16,…,其中第一项是20,接下来的两项
是20,21,再接下来的三项是20,21,22,依此类推.求满足如下条件的最小整数N:N>55且该
数列的前N项和为2的整数幂.那么该款软件的激活码是( )
A.95 B.105 C.115 D.125
答案 A
解析 将数列排成行的形式
1
1,2
1,2,4
1,2,4,8
第n行为20,21,…,2n-1,
第n行和为a==2n-1,
n
前n行共有个数,
前项和为S=-n=2n+1-2-n,
n
假设从第1行第1个数到第n+1行第m(1≤m≤n+1)个数共有N个数,则N=+m,
前N项和为T =S+a =2n+1-2-n+2m-1,
N n m
若T 为2的整数幂,则有2+n=2m-1,
N
∵N>55,∴n>10,且n为奇数,
当n=11时,m无整数解,
当n=13时,m=4,此时N=+4=95.1.(2023·河北统考)数学家杨辉在其专著《详解九章算术法》和《算法通变本末》中,提出
了一些新的高阶等差数列.其中二阶等差数列是一个常见的高阶等差数列,如数列
2,4,7,11,16,从第二项起,每一项与前一项的差组成新数列2,3,4,5,新数列2,3,4,5为等差
数列,则称数列 2,4,7,11,16为二阶等差数列.现有二阶等差数列{a},其前七项分别为
n
2,2,3,5,8,12,17,则该数列的第20项为( )
A.173 B.171 C.155 D.151
答案 A
解析 根据题意得新数列为0,1,2,3,4,…,则二阶等差数列{a}的通项公式为a =+2,则
n n
a =+2=173.
20
2.(2023·佳木斯模拟)科学家牛顿用“作切线”的方法求函数的零点时,给出了“牛顿数
列”,其定义是:对于函数f(x),若数列{x}满足x =x-,则称数列{x}为牛顿数列,若
n n+1 n n
函数f(x)=x2,数列{x}为牛顿数列且x=2,a=log x,则a 的值是( )
n 1 n 2 n 8
A.8 B.2 C.-6 D.-4
答案 C
解析 根据题意,
x =x-=x-=x-=,
n+1 n n n
所以=,
又x=2,
1
所以{x}为首项是2,公比是的等比数列,
n
所以x=2×n-1=n-2=22-n,
n
所以a=log x=log 22-n=2-n,
n 2 n 2
所以a=2-8=-6.
8
3.若三个非零且互不相等的实数x,x,x 成等差数列且满足+=,则称x,x,x 成一个
1 2 3 1 2 3
“β等差数列”.已知集合M={x||x|≤100,x∈Z},则由M中的三个元素组成的所有数列
中,“β等差数列”的个数为( )
A.25 B.50 C.51 D.100
答案 B
解析 由三个非零且互不相等的实数x,x,x 成等差数列且满足+=,知
1 2 3
消去x,并整理得,(2x+x)(x-x)=0,
2 1 3 1 3
所以x=x(舍去),x=-2x,于是有x=-x.
1 3 3 1 2 1
在集合M={x||x|≤100,x∈Z}中,三个元素组成的所有数列必为整数列,
所以x 必为2的倍数,且x∈[-50,50],x≠0,
1 1 1
故这样的数列共50个.4.(2023·盐城模拟)将正整数n分解为两个正整数k,k 的积,即n=k·k,当k,k 两数差
1 2 1 2 1 2
的绝对值最小时,我们称其为最优分解.如 20=1×20=2×10=4×5,其中4×5即为20
的最优分解,当k,k 是n的最优分解时,定义f(n)=|k-k|,则数列{f(5n)}的前2 023项的
1 2 1 2
和为( )
A.51 012 B.51 012-1
C.52 023 D.52 023-1
答案 B
解析 当n=2k(k∈N )时,
+
由于52k=5k×5k,此时f(52k)=|5k-5k|=0,
当n=2k-1(k∈N )时,由于52k-1=5k-1×5k,
+
此时f(52k-1)=|5k-5k-1|=5k-5k-1,
所以数列{f(5n)}的前2 023项的和为
(5-1)+0+(52-5)+0+(53-52)+0+…+(51 011-51 010)+0+(51 012-51 011)=51 012-1.
5.(2023·郑州模拟)普林斯顿大学的康威教授发现了一类有趣的数列并命名为“外观数列”,
该数列的后一项由前一项的外观产生.以 1为首项的“外观数列”记作A ,其中A 为
1 1
1,11,21,1211,111221,…,即第一项为1,外观上看是1个1,因此第二项为11;第二项外
观上看是 2 个 1,因此第三项为 21;第三项外观上看是 1 个 2,1 个 1,因此第四项为
1211,…,按照相同的规则可得A 其他项,例如A 为3,13,1113,3113,132113,…,若A 的
1 3 i
第n项记作a ,A的第n项记作b ,其中i,j∈[2,9],若c =|a -b|,则{c}的前n项和为(
n j n n n n n
)
A.2n|i-j| B.n(i+j)
C.n|i-j| D.|i-j|
答案 C
解析 由题得,a=i,a=1i,a=111i,a=311i,…,a=…i,
1 2 3 4 n
b=j,b=1j,b=111j,b=311j,…,b=…j,
1 2 3 4 n
由递推可知,随着n的增大,a 和b 每一项除了最后一位不同外,其余各位数都相同,
n n
所以c=|a-b|=|i-j|,
n n n
所以{c}的前n项和为n|i-j|.
n
6.(多选)在数列{a}中,若a-a=p(n≥2,n∈N ,p为常数),则{a}称为“等方差数列”,
n + n
下列对“等方差数列”的判断,其中正确的为( )
A.若{a}是等方差数列,则{a}是等差数列
n
B.若{a}是等方差数列,则{a}是等方差数列
n
C.{(-1)n}是等方差数列
D.若{a}是等方差数列,则{a }(k∈N ,k为常数)也是等方差数列
n kn +
答案 ACD解析 对于A中,数列{a}是等方差数列,可得a-a=p(n≥2,n∈N ,p为常数),
n +
即有{a}是首项为a,公差为p的等差数列,故A正确;
对于B中,例如:数列{}是等方差数列,但是数列{n}不是等方差数列,故B不正确;
对于C中,数列{(-1)n}中,a-a=[(-1)n]2-[(-1)n-1]2=0,(n≥2,n∈N ),
+
所以数列{(-1)n}是等方差数列,故C正确;
对于D中,数列{a}中的项列举出来是a,a,…,a,…,a ,…,
n 1 2 k 2k
数列{a }中的项列举出来是a,a ,a ,…,
kn k 2k 3k
因为a-a=a-a=…=a-a=p,
所以(a-a)+(a-a)+…+(a-a)=kp,所以a-a=kp,
所以数列{a }是等方差数列,故D正确.
kn
7.(多选)(2023·浙江联考)“角谷猜想”是指一个正整数,如果是奇数就乘以3再加1,如
果是偶数就除以2,这样经过若干次这两种运算,最终必进入循环图1→4→2→1.对任意正
整数a,按照上述规则实施第n次运算的结果为a(n∈N),下列说法正确的是( )
0 n
A.当a=7时,则a =5
0 11
B.当a=16时,数列{a}为递减数列
0 n
C.若a=1,且a(i=1,2,3,4)均不为1,则a=5
5 i 0
D.当a=10时,从a(i=1,2,3,4,5,6)中任取两个数至少一个为奇数的概率为
0 i
答案 AD
解析 若a =7,则a =22,a =11,a =34,a =17,a =52,a =26,a =13,a =40,
0 1 2 3 4 5 6 7 8
a=20,a =10,a =5,故A选项符合题意;
9 10 11
若a=16,则a=8,a=4,a=2,a=1,a=4,易知{a}不是递减数列,故B选项不符
0 1 2 3 4 5 n
合题意;
若a =1,则a =2,a =4,当a =8时,则a =16,a =5或32,a =1(舍去),故C选项
5 4 3 2 1 0 2
不符合题意;
若a=10,则a=5,a=16,a=8,a=4,a=2,a=1,所以从a(i=1,2,3,4,5,6)中任取
0 1 2 3 4 5 6 i
两个数至少一个为奇数的概率为1-=,故D选项符合题意.
8.(2023·宝鸡模拟)对给定的数列{a}(a≠0),记b =,则称数列{b}为数列{a}的一阶商
n n n n n
数列;记c =,则称数列{c}为数列{a}的二阶商数列;依此类推,可得数列{a}的P阶商
n n n n
数列(P∈N ),已知数列{a}的二阶商数列的各项均为 e,且 a =1,a =1,则 a =
+ n 1 2 10
__________.
答案 e36
解析 由数列{a}的二阶商数列的各项均为e,可知c==e,而b==1,
n n 1
故数列{b}是以1为首项,e为公比的等比数列,
n
即b=en-1,即=en-1,n∈N ,
n +即=1,=e,=e2,…,=e8.
所以a =a····…·=1×1×e×e2×…×e8=e1+2+…+8= =e36,
10 1
故a =e36.
10
9.(2023·潍坊模拟)若项数为n的数列{a}满足:a=a (i=1,2,3,…,n),我们称其为n
n i n+1-i
项的“对称数列”.例如:数列1,2,2,1为4项的“对称数列”;数列1,2,3,2,1为5项的
“对称数列”.设数列{c}为2k+1项的“对称数列”,其中c ,c ,…,c 是公差为2
n 1 2 k+1
的等差数列,数列{c}的最大项等于8,记数列{c}的前2k+1项和为S ,若S =32,
n n 2k+1 2k+1
则k=______.
答案 3或4
解析 由题意,c =8,
k+1
又c,c,…,c 是公差为2的等差数列,
1 2 k+1
故c+2k=8,则c=8-2k,c=c -2=6.
1 1 k k+1
又S =32,故2(c+c+…+c)+c =32,
2k+1 1 2 k k+1
即c+c+…+c=12,
1 2 k
由等差数列前n项和公式有=12,
化简得k2-7k+12=0,解得k=3或k=4.
10.(2023·沈阳模拟)已知数列{a},令b 为a ,a ,…,a 中的最大值(k=1,2,…,n),则
n k 1 2 k
称数列{b}为{a}的“控制数列”,{b}中不同数的个数称为“控制数列”{b}的“阶数”.
n n n n
例如:{a}为 1,3,5,4,2,则“控制数列”{b}为 1,3,5,5,5,其“阶数”为 3,若{a}由
n n n
1,2,3,4,5 任意顺序构成,则使“控制数列”{b}的“阶数”为 2 的所有{a}的个数为
n n
________.
答案 50
解析 当{b}由1,5构成时,则a=1,a=5,a,a,a 为2,3,4的一个排列,
n 1 2 3 4 5
故满足条件的数列{a}有A=6(个);
n
当{b}由2,5构成时,则a=2,a=5,a,a,a 为1,3,4的一个排列,
n 1 2 3 4 5
或a=2,a=1,a=5,a,a 为3,4的一个排列,
1 2 3 4 5
故满足条件的数列{a}有A+A=8(个);
n
当{b}由3,5构成时,则a =3,a ,a ,a ,a 为1,2,4,5的一个排列,且数字4排在5的后
n 1 2 3 4 5
面,
故满足条件的数列{a}有=12(个);
n
当{b}由4,5构成时,则a=4,a,a,a,a 为1,2,3,5的一个排列,
n 1 2 3 4 5
故满足条件的数列{a}有A=24(个).
n
由分类加法计数原理可得满足条件的数列{a}共有50个.
n