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【题目】对于数列,定义变换”:将数列变换成数列,其中,且,这种变换记作.继续对数列进行变换,得到数列依此类推,当得到的数列各项均为时变换结束.

(1)试问经过不断的变换能否结束?若能,请依次写出经过变换得到的各数列;若不能,说明理由;

(2)求经过有限次变换后能够结束的充要条件;

(3)证明:一定能经过有限次变换后结束.

【答案】(1);(2);(3)证明见解析.

【解析】

(1)根据定义,可得不能结束数列能结束,并可写出数列;(2)经过有限次变换后能够结束的充要条件先证明则经过一次变换,就得到数列,从而结束,再证明命题“若数列为常数列为常数列”, 即可得解;(3)先证明引理:将数的最大项一定不大于数列的最大项,其中

” ,再分类讨论:第一类是没有为的项,或者为的项与最大项不相邻,(规定首项与末项相邻),此时由引理可知第二类是含有为的项且与最大项相邻,此时,证明第二类数列经过有限次变换”,一定可以得到第一类数列.

(1)数列不能结束,各数列依次为;….从而以下重复出现,不会出现所有项均为的情形.

数列能结束,各数列依次为

(2)解:经过有限次变换后能够结束的充要条件是

,则经过一次变换就得到数列,从而结束.

当数列经过有限次变换后能够结束时,先证命题若数列为常数列,则为常数列”.

时,数列

由数列为常数列得,解得,从而数列也为常数列.

其它情形同理,得证.

在数列经过有限次变换后结束时,得到数列(常数列),由以上命题,它变换之前的数列也为常数列,可知数列也为常数列.

所以,数列经过有限次变换后能够结束的充要条件是

(3)证明:先证明引理:数列的最大项一定不大于数列的最大项,其中”.

证明:记数列中最大项为,则

,其中

因为所以

,证毕.

现将数列分为两类.

第一类是没有为的项,或者为的项与最大项不相邻(规定首项与末项相邻),此时由引理可知,

第二类是含有为的项,且与最大项相邻,此时

下面证明第二类数列经过有限次变换,一定可以得到第一类数列.

不妨令数列的第一项为,第二项最大().(其它情形同理)

①当数列中只有一项为时,

(),则,此数列各项均不为或含有项但与最大项不相邻,为第一类数列;

,则此数列各项均不为或含有项但与最大项不相邻,为第一类数列;

(),则,此数列各项均不为,为第一类数列;

,则

此数列各项均不为,为第一类数列.

②当数列中有两项为时,若(),则,此数列各项均不为,为第一类数列;

(),则,此数列各项均不为或含有项但与最大项不相邻,为第一类数列.

③当数列中有三项为时,只能是,则

,此数列各项均不为,为第一类数列.

总之,第二类数列至多经过变换,就会得到第一类数列,即至多连续经历变换,数列的最大项又开始减少.

又因为各数列的最大项是非负整数,

故经过有限次变换后,数列的最大项一定会为,此时数列的各项均为,从而结束.

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