北京大学 2020年强基第13题
📝 题目
正整数 $n \geq 3$ 称为理想的,若存在正整数 $1 \leq k \leq n-1$ 使得 $C_{n}^{k-1}, C_{n}^{k}, C_{n}^{k+1}$ 构成等差数列,其中 $\displaystyle C_{n}^{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}$ 为组合数,则不超过 2020 的理想数个数为( )。 A. 40 B. 41 C. 42 D.前三个答案都不对
💡 答案解析
C 解析:由题意可得 $C_{n}^{k-1}, C_{n}^{k}, C_{n}^{k+1}$ 构成等差数列 则 $2 C_{n}^{k}=C_{n}^{k-1}+C_{n}^{k+1}$ ,化简可得 $n^{2}-(4 k+1) n+4 k^{2}-2=0$ 以 $k$ 为主元整理 $4 k^{2}-4 n k+n^{2}-n-2=0$ ,则 $\displaystyle k=\frac{n \pm \sqrt{n+2}}{2}$ 则 $n+2$ 为完全平方数,则 $n+2=m^{2}$ ,则 $44 \geq m \geq 3$ 若 $\displaystyle k=\frac{n-\sqrt{n+2}}{2}=\frac{m^{2}-m-2}{2}=\frac{(m-2)(m+1)}{2}$ ,因为 $m-2, m+1$ 奇偶性相反 故则对于任意 $44 \geq m \geq 3$ 都满足题意 同理 $\displaystyle k=\frac{n+\sqrt{n+2}}{2}=\frac{m^{2}+m-2}{2}=\frac{(m+2)(m-1)}{2}$ ,因为 $m+2, m-1$ 奇偶性相反 故则对于任意 $44 \geq m \geq 3$ 都满足题意 综上:满足题意的有 42 个,故选 C。
📋 详细解题步骤
步骤 1/6
目标:根据等差数列条件列出方程
由C_n^{k-1}, C_n^k, C_n^{k+1}成等差数列得2C_n^k = C_n^{k-1} + C_n^{k+1},代入组合数公式化简。
公式:2C_n^k = C_n^{k-1} + C_n^{k+1}
提示:利用组合数公式C_n^k = n!/(k!(n-k)!)
步骤 2/6
目标:化简得到关于n和k的二次方程
化简得n^2 - (4k+1)n + 4k^2 - 2 = 0,整理为以k为主元的方程4k^2 - 4nk + n^2 - n - 2 = 0。
公式:n^2 - (4k+1)n + 4k^2 - 2 = 0
提示:注意合并同类项
步骤 3/6
目标:解出k的表达式
解关于k的二次方程得k = (n ± √(n+2))/2,因此n+2必须为完全平方数。
公式:k = (n ± √(n+2))/2
提示:判别式需为完全平方
步骤 4/6
目标:设n+2=m^2,确定m的范围
设n+2=m^2,则n=m^2-2。由n≥3得m≥√5≈2.236,故m≥3;由n≤2020得m^2≤2022,m≤44.97,故m≤44。所以m=3,4,...,44。
公式:n = m^2 - 2, 3 ≤ m ≤ 44
提示:注意n为正整数
步骤 5/6
目标:验证两个k值是否满足1≤k≤n-1
k1=(n-√(n+2))/2=(m^2-m-2)/2=(m-2)(m+1)/2,k2=(n+√(n+2))/2=(m^2+m-2)/2=(m+2)(m-1)/2。由于分子奇偶性相反,k1,k2均为整数。且对m=3,...,44,均满足1≤k≤n-1。
公式:k1 = (m-2)(m+1)/2, k2 = (m+2)(m-1)/2
提示:检查k的范围
步骤 6/6
目标:统计理想数的个数
每个m对应一个n=m^2-2,且m从3到44共42个值,每个n对应两个k,但题目只要求n的个数,故理想数个数为42。
提示:注意题目问的是n的个数
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