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- 2021-06-16 发布
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课时达标训练(二十五) 计数原理与二项式定理
A组
1.(2019·南京盐城一模)已知数列{an}满足a1=1,a2=3,且对任意n∈N*,都有a1C+a2C+a3C+…+an+1C=(an+2-1)·2n-1成立.
(1)求a3的值;
(2)证明:数列{an}是等差数列.
解:(1)在a1C+a2C+a3C+…+an+1C=(an+2-1)·2n-1中,令n=1,则a1C+a2C=a3-1,由a1=1,a2=3,解得a3=5.
(2)证明:若a1,a2,a3,…,an是等差数列,则an=2n-1.
①当n=3时,由(1)知a3=5,此时结论成立.
②假设当n=k(k≥3,k∈N*)时,结论成立,则ak=2k-1.
由a1C+a2C+a3C+…+akC=(ak+1-1)2k-2,k≥3,
对该式倒序相加,得(a1+ak)2k-1=2(ak+1-1)·2k-2,
所以ak+1-ak=a1+1=2,即ak+1=2k-1+2=2(k+1)-1,
所以当n=k+1时,结论成立.
根据①②,可知数列{an}是等差数列.
2.(2019·南师附中等四校联考)设集合M={1,2,3,…,m},集合A,B是M的两个不同子集,记|A∩B|表示集合A∩B的元素个数.若|A∩B|=n,其中1≤n≤m-1,则称(A,B)是M的一组n阶关联子集对((A,B)与(B,A)看作同一组关联子集对),并记集合M的所有n阶关联子集对的组数为an.
(1)当m=3时,求a1,a2;
(2)当m=2 019时,求{an}的通项公式,并求数列{an}的最大项.
解:(1)当m=3时,易知a1=3×4=12,a2=3.
(2)an=C××[C(22 019-n-1)+C·22 018-n+…+C·22 019-k-n+…+C·21+C·20]=C,
=>1,
化简,得(1 008-2n)·32 018-n>1 009-n,(*)
当n≤503时,(*)式成立;
当504≤n≤1 008时,(*)式不成立;
当n≥1 009时,不成立;
所以a1<a2<a3<…<a503<a504,
a504>a505>a506>…>a2 018,
所以a1<a2<a3<…<a503<a504>a505>…>a2 018,
所以数列{an}的最大项为a504=C.
3.(2018·南京、盐城一模)已知n∈N*,nf(n)=CC+2CC+…+rCC+…+nCC.
(1)求f(1),f(2),f(3)的值;
(2)试猜想f(n)的表达式(用一个组合数表示),并证明你的猜想.
解:(1)由条件,nf(n)=CC+2CC+…+rCC+…+nCC,①
在①中令n=1,得f(1)=CC=1.
在①中令n=2,得2f(2)=CC+2CC=6,得f(2)=3.
在①中令n=3,得3f(3)=CC+2CC+3CC=30,得f(3)=10.
(2)猜想f(n)=C(或f(n)=C).
欲证猜想成立,只要证等式nC=CC+2CC+…+rCC+…+nCC成立.
法一:(直接法)当n=1时,等式显然成立.
当n≥2时,因为rC==
=n×=nC,
故rCC=(rC)C=nCC.
故只需证明nC=nCC+nCC+…+nC·C+…+nCC.
即证C=CC+ CC+…+ CC+…+ CC.
而C=C,故即证C=CC+ CC+…+ CC+…+ CC.②
由等式(1+x)2n-1=(1+x)n-1(1+x)n可得,左边xn的系数为C.
而右边(1+x)n-1(1+x)n=(C+Cx+Cx2+…+Cxn-1)(C+Cx+Cx2+…+Cxn),
所以xn的系数为CC+ CC+…+ C·C+…+ CC.
由(1+x)2n-1=(1+x)n-1(1+x)n恒成立可得②成立.
综上,f(n)=C成立.
法二:(构造模型)构造一个组合模型,一个袋中装有(2n-1)个小球,其中n个是编号为1,2,…,n的白球,其余(n-1)个是编号为1,2,…,n-1的黑球.现从袋中任意摸出n个小球,一方面,由分步计数原理其中含有r个黑球((n-r)个白球)的n个小球的组合的个数为C·C,0≤r≤n-1,由分类计数原理有从袋中任意摸出n个小球的组合的总数为CC+ CC+…+ CC+…+ CC.
另一方面,从袋中(2n-1)个小球中任意摸出n个小球的组合的个数为C.
故C=CC+ CC+…+ CC+…+ CC,余下同法一.
法三:(利用导数)由二项式定理,
得(1+x)n=C+Cx+Cx2+…+Cxn.③
两边求导,得n(1+x)n-1=C+2Cx+…+rCxr-1 +…+nCxn-1.④
③×④,得n(1+x)2n-1=(C+Cx+Cx2+…+Cxn)·(C+2Cx+…+rCxr-1 +…+nCxn-1).⑤
左边xn的系数为nC.
右边xn的系数为CC+2CC+…+rCC+…+nCC=CC+2CC+…+r CC+…+nCC=CC+2CC+…+r CC+…+nCC.
由⑤恒成立,得nC=CC+2CC+…+r CC+…+nCC.
故f(n)=C成立.
法四:(构造模型)由nf(n)=CC+2CC+…+rCC+…+nCC,
得nf(n)=nCC+(n-1)CC+…+CC=nCC+(n-1)CC+…+CC,
所以2nf(n)=(n+1)(CC+CC+…+CC) =(n+1)(CC+CC+…+CC),
构造一个组合模型,从2n个元素中选取(n+1)个元素,则有C种选法,现将2n个元素分成两个部分n,n,若(n+1)个元素中,从第一部分中取n个,第二部分中取1个,则有CC种选法,若从第一部分中取(n-1)个,第二部分中取2个,则有CC种选法,…,由分类计数原理可知C=CC+CC+…+CC.
故2nf(n)=(n+1)C,
所以f(n)=·==C.
4.(2018·苏锡常镇调研(二))已知函数f(x)=(x+)2n+1(n∈N*,x∈R).
(1)当n=2时,若f(2)+f(-2)=A,求实数A的值;
(2)若f(2)=m+α(m∈N*,0<α<1),求证:α(m+α)=1.
解:(1)当n=2时,f(x)=(x+)5=Cx5+Cx4+Cx3()2+Cx2()3+Cx()4+C()5,
所以f(2)+f(-2)=(2+)5+(-2+)5=2[C()124+C()322+C()5]=2(5×16+10×4×5+25)=610,
所以A=610.
(2)证明:因为f(x)=(x+)2n+1=Cx2n+1+Cx2n+Cx2n-1()2+…+C()2n+1,
所以f(2)=C22n+1+C22n+C22n-1()2+…+C()2n+1,
由题意知,f(2)=(+2)2n+1=m+α(m∈N*,0<α<1),
首先证明对于固定的n∈N*,满足条件的m,α是唯一的.
假设f(2)=(2+)2n+1=m1+α1=m2+α2(m1,m2∈N*,0<α1<1,0<α2<1,m1≠m2,α1≠α2),
则m1-m2=α2-α1≠0,而m1-m2∈Z,α2-α1∈(-1,0)∪(0,1),矛盾.
所以满足条件的m,α是唯一的.
下面我们求m及α的值:
因为f(2)-f(-2)=(2+)2n+1-(-2+)2n+1=(2+)2n+1+(2-)2n+1=2[C22n+1+C·22n-1()2+C22n-3()4+…+C21()2n],
显然f(2)-f(-2)∈N*.
又因为-2∈(0,1),故(-2)2n+1∈(0,1),
即f(-2)=(-2+)2n+1=(-2)2n+1∈(0,1).
所以令m=2[C22n+1+C22n-1()2+C·22n-3()4+…+C21()2n],
α=(-2+)2n+1,
则m=f(2)-f(-2),α=f(-2),又m+α=f(2),
所以α(m+α)=f(-2)·f(2)=(2+)2n+1·(-2+)2n+1=(5-4)2n+1=1.
B组
1.(2019·南京盐城二模)平面上有2n(n≥3,n∈N*)个点,将每一个点染上红色或蓝色.从这2n个点中任取3个点,记这3个点颜色相同的所有不同取法的总数为T.
(1)若n=3,求T的最小值;
(2)若n≥4,求证:T≥2C.
解:(1)当n=3时,共有6个点.
若染红色的点的个数为0个或6个,则T=C=20;
若染红色的点的个数为1个或5个,则T=C=10;
若染红色的点的个数为2个或4个,则T=C=4;
若染红色的点的个数为3个,则T=C+C=2.
因此T的最小值为2.
(2)证明:因为对任意的n,k∈N*,n≥k,都有C-C=C>0,所以C>C.
设2n个点中含有p(p∈N,p≤2n)个染红色的点,
①当p∈{0,1,2}时,
T=C≥C==4×.
因为n≥4,所以2n-3>n,
于是T>4×=4C>2C.
②当p∈{2n-2,2n-1,2n}时,
T=C≥C,
同理可得T>2C.
③当3≤p≤2n-3时,
T=C+C,
设f(p)=C+C,3≤p≤2n-3,
当3≤p≤2n-4时,
f(p+1)-f(p)=C+C-C-C=C-C,
显然p≠2n-p-1,
当p>2n-p-1,即n≤p≤2n-4时,f(p+1)>f(p),
当p<2n-p-1,即3≤p≤n-1时,f(p+1)<f(p),
即f(n)<f(n+1)<…<f(2n-3),f(3)>f(4)>…>f(n).
因此f(p)≥f(n)=2C,即T≥2C.
综上,当n≥4时,T≥2C.
2.(2018·常州期末)对一个量用两种方法分别算一次,由结果相同构造等式,这种方法称为“算两次”的思想方法.利用这种方法,结合二项式定理,可以得到很多有趣的组合恒等式.如:考察恒等式(1+x)2n=(1+x)n(1+x)n(n∈N*),左边xn的系数为C,而右边(1+x)n(1+x)n=(C+Cx+…+Cxn)(C+Cx+…+Cxn),xn的系数为CC+ CC+…+C C=(C)2+(C)2+(C)2+…+(C)2,因此可得到组合恒等式C=(C)2+(C)2+(C)2+…+(C)2.
(1)根据恒等式(1+x)m+n=(1+x)m(1+x)n(m,n∈N*),两边xk(其中k∈N,k≤m,k≤n)的系数相同,直接写出一个恒等式;
(2)利用算两次的思想方法或其他方法证明:
C2n-2kC=C,其中是指不超过的最大整数.
解:(1)C=CC+CC+…+CC.
(2)证明:考察等式=,等式右边的常数项为:=C,
因为=C·2n-r=C·2n-r,
当且仅当r=2k时,xr-k为常数,
等式左边的常数项为:C2n-2kC,
所以C2n-2kC=C成立.
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