问题 解答题
在数列{an}和{bn}中,an=an,bn=(a+1)n+b,n=1,2,3,…,其中a≥2且a∈N*,b∈R.
(Ⅰ)若a1=b1,a2<b2,求数列{bn}的前n项和;
(Ⅱ)证明:当a=2,b=
2
时,数列{bn}中的任意三项都不能构成等比数列;
(Ⅲ)设A={a1,a2,a3,…},B={b1,b2,b3,…},试问在区间[1,a]上是否存在实数b使得C=A∩B≠∅.若存在,求出b的一切可能的取值及相应的集合C;若不存在,试说明理由.
答案

(Ⅰ)因为a1=b1,所以a=a+1+b,b=-1,(1分)

由a2<b2,得a2-2a-1<0,

所以1-

2
<a<1+
2
,(3分)

因为a≥2且a∈N*,所以a=2,(4分)

所以bn=3n-1,{bn}是等差数列,

所以数列{bn}的前n项和Sn=

n
2
(b1+bn)=
3
2
n2+
1
2
n.(5分)

(Ⅱ)由已知bn=3n+

2
,假设3m+
2
3n+
2
3t+
2
成等比数列,其中m,n,t∈N*,且彼此不等,

(3n+

2
)2=(3m+
2
)(3t+
2
),(6分)

所以9n2+6

2
n+2=9mt+3
2
m+3
2
t+2,

所以3n2-3mt=(m+t-2n)

2

若m+t-2n=0,则3n2-3mt=0,可得m=t,与m≠t矛盾;(7分)

若m+t-2n≠0,则m+t-2n为非零整数,(m+t-2n)

2
为无理数,

所以3n2-3mt为无理数,与3n2-3mt是整数矛盾.(9分)

所以数列{bn}中的任意三项都不能构成等比数列.

(Ⅲ)设存在实数b∈[1,a],使C=A∩B≠∅,

设m0∈C,则m0∈A,且m0∈B,

设m0=at(t∈N*),m0=(a+1)s+b(s∈N*),

则at=(a+1)s+b,所以s=

at-b
a+1

因为a,t,s∈N*,且a≥2,所以at-b能被a+1整除.(10分)

(1)当t=1时,因为b∈[1,a],a-b∈[0,a-1],

所以s=

a-b
a+1
N*;(11分)

(2)当t=2n(n∈N*)时,a2n-b=[(a+1)-1]2n-b=(a+1)2n+-C2n1(a+1)+1-b,

由于b∈[1,a],所以b-1∈[0,a-1],0≤b-1<a+1,

所以,当且仅当b=1时,at-b能被a+1整除.(12分)

(3)当t=2n+1(n∈N*)时,a2n+1-b=[(a+1)-1]2n+1-b=(a+1)2n+1++C2n+11(a+1)-1-b,

由于b∈[1,a],所以b+1∈[2,a+1],

所以,当且仅当b+1=a+1,即b=a时,at-b能被a+1整除.(13分)

综上,在区间[1,a]上存在实数b,使C=A∩B≠∅成立,且当b=1时,C={y|y=a2n,n∈N*};当b=a时,C={y|y=a2n+1,n∈N}.

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