题目
已知有限集A=(a1,a2,…,an)(n≥2,n∈N),如果A中的元素ai(i=1,2,…,n)满足a1+a2+…+an=a1×a2×…×an,就称A为“完美集”.(1)判断:集合-1-sqrt(3),-1+sqrt(3)是否是“完美集”并说明理由;(2)a1、a2是两个不同的正数,且(a1,a2)是“完美集”,求证:a1、a2至少有一个大于2;(3)若ai为正整数,求:“完美集”A.
已知有限集A={a1,a2,…,an}(n≥2,n∈N),如果A中的元素ai(i=1,2,…,n)满足a1+a2+…+an=a1×a2×…×an,就称A为“完美集”.
(1)判断:集合$\{-1-\sqrt{3},-1+\sqrt{3}\}$是否是“完美集”并说明理由;
(2)a1、a2是两个不同的正数,且{a1,a2}是“完美集”,求证:a1、a2至少有一个大于2;
(3)若ai为正整数,求:“完美集”A.
(1)判断:集合$\{-1-\sqrt{3},-1+\sqrt{3}\}$是否是“完美集”并说明理由;
(2)a1、a2是两个不同的正数,且{a1,a2}是“完美集”,求证:a1、a2至少有一个大于2;
(3)若ai为正整数,求:“完美集”A.
题目解答
答案
解:(1)由$(-1-\sqrt{3})+(-1+\sqrt{3})=-2$,$(-1-\sqrt{3})(-1+\sqrt{3})=-2$,则集合$\{-1-\sqrt{3},-1+\sqrt{3}\}$是“完美集”,
(2)若a1、a2是两个不同的正数,且{a1,a2}是“完美集”,
设a1+a2=a1•a2=t>0,
根据根和系数的关系知,a1=2和a2相当于x2-tx+t=0的两根,
由Δ=t2-4t>0,解得t>4或t<0(舍去),
所以a1•a2>4,又a1,a2均为正数,
所以a1、a2至少有一个大于2.
(3)不妨设A中a1<a2<a3<•••<an,
由a1a2•••an=a1+a2+•••+an<nan,得a1a2•••an-1<n,
当n=2时,即有a1<2,又ai为正整数,所以a1=1,
于是1+a2=1×a2,则a2无解,即不存在满足条件的“完美集”;
当n=3时,a1a2<3,故只能a1=1,a2=2,求得a3=3,
于是“完美集”A只有一个,为{1,2,3}.
当n≥4时,由a1a2•••an-1≥1×2×3ו••×(n-1),即有n>1×2×3ו••×(n-1),
而n-(n-1)(n-2)=-n2+4n-2=-(n-2)2+2<0,
又(n-1)(n-2)≤1×2×3ו••×(n-1),因此n<1×2×3ו••×(n-1),故矛盾,
所以当n≥4时不存在完美集A,
综上知,“完美集”A为{1,2,3}.
(2)若a1、a2是两个不同的正数,且{a1,a2}是“完美集”,
设a1+a2=a1•a2=t>0,
根据根和系数的关系知,a1=2和a2相当于x2-tx+t=0的两根,
由Δ=t2-4t>0,解得t>4或t<0(舍去),
所以a1•a2>4,又a1,a2均为正数,
所以a1、a2至少有一个大于2.
(3)不妨设A中a1<a2<a3<•••<an,
由a1a2•••an=a1+a2+•••+an<nan,得a1a2•••an-1<n,
当n=2时,即有a1<2,又ai为正整数,所以a1=1,
于是1+a2=1×a2,则a2无解,即不存在满足条件的“完美集”;
当n=3时,a1a2<3,故只能a1=1,a2=2,求得a3=3,
于是“完美集”A只有一个,为{1,2,3}.
当n≥4时,由a1a2•••an-1≥1×2×3ו••×(n-1),即有n>1×2×3ו••×(n-1),
而n-(n-1)(n-2)=-n2+4n-2=-(n-2)2+2<0,
又(n-1)(n-2)≤1×2×3ו••×(n-1),因此n<1×2×3ו••×(n-1),故矛盾,
所以当n≥4时不存在完美集A,
综上知,“完美集”A为{1,2,3}.
解析
(1)判断集合是否为“完美集”
关键点:直接计算集合元素的和与积,验证是否相等。
思路:根据定义,只需分别计算两数的和与积,若相等则为“完美集”。
(2)证明两正数中至少有一个大于2
关键点:利用二次方程根与系数的关系及判别式。
思路:设两数和为$t$,则积也为$t$,构造方程$x^2 - tx + t = 0$,通过判别式推导$t > 4$,进而证明至少有一个数大于2。
(3)寻找正整数的“完美集”
关键点:分情况讨论集合元素个数$n$,通过不等式排除法。
思路:当$n \geq 4$时,积增长速度远超和,必然矛盾;当$n=3$时,唯一解为$\{1,2,3\}$。
第(1)题
计算和与积
- 和:
$(-1-\sqrt{3}) + (-1+\sqrt{3}) = -2$ - 积:
$(-1-\sqrt{3})(-1+\sqrt{3}) = (-1)^2 - (\sqrt{3})^2 = 1 - 3 = -2$
结论:和与积均为$-2$,满足条件,故是“完美集”。
第(2)题
设$a_1 + a_2 = a_1 a_2 = t$
- 构造方程:
$x^2 - t x + t = 0$ - 判别式:
$\Delta = t^2 - 4t > 0 \implies t > 4 \text{(舍去负解)}$ - 矛盾分析:若$a_1, a_2 \leq 2$,则$a_1 a_2 \leq 4$,与$t > 4$矛盾,故至少有一个数大于2。
第(3)题
分情况讨论$n$
当$n=2$时
- 假设$a_1=1$:
$1 + a_2 = 1 \cdot a_2 \implies 1 = 0 \quad \text{(无解)}$
当$n=3$时
- 最小正整数尝试:
$1 + 2 + 3 = 6, \quad 1 \cdot 2 \cdot 3 = 6$
结论:$\{1,2,3\}$是唯一解。
当$n \geq 4$时
- 不等式矛盾:
$a_1 a_2 \cdots a_{n-1} \geq 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdots (n-1) > n$
与$a_1 a_2 \cdots a_n = a_1 + a_2 + \cdots + a_n < n a_n$矛盾,故不存在。