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m 为正整数,数列 a1,a2,,a4m+2 是公差不为 0 的等差数列,若从中删去两项 aiaj(i<j) 后剩余的 4m 项可被平均分为 m 组,且每组的 4 个数都能构成等差数列,则称数列 a1,a2,,a4m+2(i,j) 可分数列.

  1. 写出所有的 (i,j)(1i<j6),使数列 a1,a2,,a6(i,j) 可分数列;
  2. m3 时,证明: 数列 a1,a2,,a4m+2(2,13) 可分数列;
  3. 1,2,,4m+2 中一次任取两个数 ij, 记数列 a1,a2,,a4m+2(i,j) 可分数列的概率为 Pm, 证明: Pm>18.
解答

  1. 满足题意的 (i,j)(1,2),(5,6),(1,6).

  2. 证明m=3, 可以给出划分 (a1,a4,a7,a10),(a3,a6,a9,a12),(a5,a8,a11,a14); 当 m4, 则在 m=3 的基础上加上 (a15,a16,a17,a18),,(a4m1,a4m,a4m+1,a4m+2). 这样,数列 a1,a2,,a4m+2(2,13) 可分数列.

  3. 证明 题目只要证明一个不等式,因此我们找到足够多成立的情形即可. 首先,(i,j) 的选取共有 C4m+22 种.

    • 1 启发,可以选取 (i,j) 使得剩下的指标集 {1,2,,i1}, {i+1,,j1}, {j+1,,4m+2} 的各自的元素个数都是 4 的倍数,可以从小到大每连续 4 项组成一个等差数列. 因此4|i1,4|4m+2ji1(mod4),j2(mod4),j>i.
      i=4s+1,j=4t+2,s,tN, 则只需要 0stm, 有 Cm+22 种取法.
    • 2 启发,当 m2 时,设 i=4s+2,j=4t+9,0stm2, 则可以把指标集划分为 A={1,,i2}, B={i1,i+1,,j1,j+1}, C={j+2,,4m+2}, 其中 A,C 的元素个数是 4 的倍数,每 4 项划分即可; B 的元素个数为 ji=4(ts)+8, 从第一项开始对指标以 ts+2 的公差取第一组,移去这些指标后从剩下的指标中的第一项重复这一过程,得到 ts+2 组(t=s+1 的情形由 2 给出). 因此,这样的 (s,t)Cm2 种.

    因此,m=1P1C32C62=15>18,
    m2PmCm+22+Cm2C4m+22=m2+m+18m2+6m+1>18.
    因此结论得证.