已知(an)是等差数列,(bn)是公比为2的等比数列,且a2-b2=a3-b3=b4-a4.(1)证明:a1=b1;(2)求集合(k|bk=am+a1,1≤m≤500)中元素的个数.
(1)证明:a1=b1;
(2)求集合{k|bk=am+a1,1≤m≤500}中元素的个数.
题目解答
答案
由a2-b2=a3-b3,得a1+d-2b1=a1+2d-4b1,则d=2b1,
由a2-b2=b4-a4,得a1+d-2b1=8b1-(a1+3d),
即a1+d-2b1=4d-(a1+3d),
∴a1=b1.
(2)由(1)知,d=2b1=2a1,
由bk=am+a1知,${b}_{1}•{2}^{k-1}={a}_{1}+(m-1)d+{a}_{1}$,
∴${b}_{1}•{2}^{k-1}={b}_{1}+(m-1)•2{b}_{1}+{b}_{1}$,即2k-1=2m,
又1≤m≤500,故2≤2k-1≤1000,则2≤k≤10,
故集合{k|bk=am+a1,1≤m≤500}中元素个数为9个.
解析
考查要点:本题综合考查等差数列与等比数列的通项公式,以及方程求解的能力。
解题思路:
- 第一问:通过等差数列与等比数列的通项公式,结合题目给出的等式关系,建立方程求解公差与首项的关系,最终证明首项相等。
- 第二问:利用第一问的结论,将条件转化为关于$k$和$m$的方程,结合$m$的范围确定$k$的可能取值个数。
关键点:
- 等差数列与等比数列的通项公式是解题基础。
- 方程变形与指数方程的解法是第二问的核心。
第(1)题
设等差数列$\{a_n\}$的公差为$d$,等比数列$\{b_n\}$的公比为$2$,则通项分别为:
$a_n = a_1 + (n-1)d, \quad b_n = b_1 \cdot 2^{n-1}.$
根据条件$a_2 - b_2 = a_3 - b_3$:
$\begin{aligned}(a_1 + d) - 2b_1 &= (a_1 + 2d) - 4b_1, \\a_1 + d - 2b_1 &= a_1 + 2d - 4b_1, \\d - 2b_1 &= 2d - 4b_1, \\d &= 2b_1.\end{aligned}$
根据条件$a_2 - b_2 = b_4 - a_4$:
$\begin{aligned}(a_1 + d) - 2b_1 &= 8b_1 - (a_1 + 3d), \\a_1 + d - 2b_1 &= 8b_1 - a_1 - 3d, \\2a_1 + 4d &= 10b_1.\end{aligned}$
将$d = 2b_1$代入上式:
$2a_1 + 4 \cdot 2b_1 = 10b_1 \implies 2a_1 = 2b_1 \implies a_1 = b_1.$
第(2)题
由(1)知$d = 2a_1$,等差数列通项为:
$a_m = a_1 + (m-1) \cdot 2a_1 = a_1(2m - 1).$
等比数列通项为:
$b_k = a_1 \cdot 2^{k-1}.$
根据条件$b_k = a_m + a_1$:
$\begin{aligned}a_1 \cdot 2^{k-1} &= a_1(2m - 1) + a_1, \\2^{k-1} &= 2m \implies m = 2^{k-2}.\end{aligned}$
结合$1 \leq m \leq 500$:
$1 \leq 2^{k-2} \leq 500 \implies 2 \leq k \leq 10.$
因此,$k$的可能取值为$2, 3, \dots, 10$,共$9$个值。