问题 解答题

给定一个n项的实数列a1a2,…,an(n∈N*),任意选取一个实数c,变换T(c)将数列a1,a2,…,an变换为数列|a1-c|,|a2-c|,…,|an-c|,再将得到的数列继续实施这样的变换,这样的变换可以连续进行多次,并且每次所选择的实数c可以不相同,第k(k∈N*)次变换记为Tk(ck),其中ck为第k次变换时选择的实数.如果通过k次变换后,数列中的各项均为0,则称T1(c1),T2(c2),…,Tk(ck)为“k次归零变换”.

(Ⅰ)对数列:1,3,5,7,给出一个“k次归零变换”,其中k≤4;

(Ⅱ)证明:对任意n项数列,都存在“n次归零变换”;

(Ⅲ)对于数列1,22,33,…,nn,是否存在“n-1次归零变换”?请说明理由.

答案

(Ⅰ)方法1:T1(4):3,1,1,3;T2(2):1,1,1,1;T3(1):0,0,0,0.

方法2:T1(2):1,1,3,5;T2(2):1,1,1,3;T3(2):1,1,1,1;T4(1):0,0,0,0..…(4分)

(Ⅱ)经过k次变换后,数列记为

a(k)1
a(k)2
,…,
a(k)n
,k=1,2,….

c1=

1
2
(a1+a2),则
a(1)1
=
a(1)2
=
1
2
|a1-a2|
,即经T1(c1)后,前两项相等;

c2=

1
2
(
a(1)2
+
a(1)3
),则
a(2)1
=
a(2)2
=
a(2)3
=
1
2
|
a(1)3
-
a(1)2
|
,即经T2(c2)后,前3项相等;

设进行变换Tk(ck)时,其中ck=

1
2
(
a(k-1)k
+
a(k-1)k+1
),变换后数列变为
a(k)1
a(k)2
a(k)3
,…,
a(k)k+1
a(k)k+2
,…,
a(k)n
,则
a(k)1
=
a(k)2
=
a(k)3
=…=
a(k)k+1

那么,进行第k+1次变换时,取ck+1=

1
2
(
a(k)k+1
+
a(k)k+2
),

则变换后数列变为

a(k+1)1
a(k+1)2
a(k+1)3
,…,
a(k+1)k+1
a(k+1)k+2
a(k+1)k+3
,…,
a(k+1)n

显然有

a(k+1)1
=
a(k+1)2
=
a(k+1)3
=…=
a(k+1)k+1
=
a(k+1)k+2

经过n-1次变换后,显然有

a(n-1)1
=
a(n-1)2
=
a(n-1)3
=…=
a(n-1)n-1
=
a(n-1)n

最后,取cn=

a(n-1)n
,经过变换Tn(cn)后,数列各项均为0.

所以对任意数列,都存在“n次归零变换”. …(9分)

(Ⅲ)不存在“n-1次归零变换”.…(10分)

证明:首先,“归零变换”过程中,若在其中进行某一次变换Tj(cj)时,cj<min{a1,a2,…,an},那么此变换次数便不是最少.这是因为,这次变换并不是最后的一次变换(因它并未使数列化为全零),设先进行Tj(cj)后,再进行Tj+1(cj+1),由||ai-cj|-cj+1|=|ai-(cj+cj+1)|,即等价于一次变换Tj(cj+cj+1),同理,进行某一步Tj(cj)时,cj>max{a1,a2,…,an};此变换步数也不是最小.

由以上分析可知,如果某一数列经最少的次数的“归零变换”,每一步所取的ci满足min{a1,a2,…,an}≤ci≤max{a1,a2,…,an}.

以下用数学归纳法来证明,对已给数列,不存在“n-1次归零变换”.

(1)当n=2时,对于1,4,显然不存在“一次归零变换”,结论成立.

(由(Ⅱ)可知,存在“两次归零变换”变换:T1(

5
2
),T2(
3
2
))

(2)假设n=k时成立,即1,22,33,…,kk不存在“k-1次归零变换”.

当n=k+1时,假设1,22,33,…,kk,(k+1)k+1存在“k次归零变换”.

此时,对1,22,33,…,kk也显然是“k次归零变换”,由归纳假设以及前面的讨论不难知1,22,33,…,kk不存在“k-1次归零变换”,则k是最少的变换次数,每一次变换ci一定满足1≤cikk,i=1,2,…,k.

因为|…||(k+1)k+1-c1|-c2|-…-ck|=(k+1)k+1-(c1+c2+…+ck)≥(k+1)k+1-k•kk>0

所以,(k+1)k+1绝不可能变换为0,与归纳假设矛盾.

所以,当n=k+1时不存在“k次归零变换”.

由(1)(2)命题得证.            …(13分)

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