2023陈省身全国高中数学夏令营题目及解答.docx
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1、第一天2023 年陈省身全国高中数学夏令营题目(共 2 页,第2页)1. 设数列 x = 1 , x= x - x3 , n =1, 2,试求正整数 m 使得 1 x 1 12n+1nnm+12023m2. 已知 O 为定圆,A, B,C 为 O 上的三个动点,使得DABC 为锐角三角形,且 AB AC ,AD 为DABCO的一条高线,I 为DABC 的内心,过点 I 作DADI 的外接圆的切线,与直线 AD 交于点 P 设 AA 为的直径,过点 A 作直线 AA 的垂线与直线 AB 交于点 E ,过点 P 作直线 AP 的垂线与直线 AB 交于点H ,过点 E 作直线 AH 的垂线与直线 A
2、B 交于点 F 证明:(1) AP 为定长;(2) AP 平分线段 EF 1323. 给定点集 M =(x, y) | x, y 1, 2023 ,如果线段 AB 的两个端点都在M 中,| AB |= ,且直线 AB 的斜率不为 3 ,则称 AB 为“好线段”证明:对于M 中任意不同两点 P、Q,存在正整数n 和 M 中的一列点 A0 , A1, , An+1 ,使得 A0 = P, An+1 = Q ,且 Ai Ai+1 都是“好线段” (0 i n) 4. 若集合 X 1, 2, n 满足:在 X 的任意五元子集 A 中都可以找到两个元素a,b (a AC , M 为边 BC 的中点, D
3、ABC 的内心为 I ,A 内的旁切圆I1 与边 BC 切于点 D , DD1 为I1 的直径,直线 AM 与 DD1 交于点 K ,若ABC = b ,BCA = g ,试证明:(1) MI = AD tan b tan g ;MI1AD122KD222(2) I1K = 1 (cot b cot g -1)6102. 已知多项式 f (x) = x7 + a x6 + a x + a, a6有 7 个互不相同的实根,求系数a0 , a1,中的零的个数的最大可能值3. 已知集合1, 2, n 的子集 A1, A2 , Am 满足 Ai= ri n ,且当i j 时,有 Ai Aj , AiA
4、j 试2m1i证明: Cr -1 1i=1n-14. 设m 2 为正整数,用白色或黑色将1, 2, m 染色对于任意的正整数i, j (这里1 i j m ),若x N+ | i x j 中被染为黑色的个数为奇数,则称数对(i, j) 是“好的”求“好的”数对个数的最大可能值 f (m) 第一天参考答案2023 年陈省身全国高中数学夏令营参考答案(共 9 页,第10页)1. 设数列 x = 1 , x= x - x3 , n =1, 2,,试求正整数 m 使得 1 0 ,1- 4x2 0 ,从而nn23-2x2= 3 + x2 (4-3x2 ) 3 , 3-2x2= 5 - 2(1-4x2 )
5、+5x4 5 ,这表明3 3-2x2(1-x2 )2 5 ,也就有(1-x2 )2(1-x2 )2(1-x2 )2(1-x2 )2 2 1 -x2n+11 2 + 5x2 xn2n我们有 1 = 4 ,利用上式并结合 1 = ( 1 - 1 ) + ( 1 - 1 ) + ( 1 - 1 )+ 1 ,就可以得 1 2n + 2 ,x2x2x2x2x2x2x2x2x2x21nnn-1n-1n-2211n即 x2 1 = 1 ;对于另一边有 1 1 + 2(n -1) + 5(x2 + x2 + x2 ) 2n + 2 + 5 ( 1 + 1 + 1 ) 具xxn2n+22(n+1)2212n1n
6、-12 23n体的对n = 2023 ,由于1 1 11+ + + 2 1 + 4 1 +1024 1= 10 ,2 3 42023241024x2所以632 = 3969 4048 1 4048 + 5 10 4096 = 642 ,从而63 x 1 64 ,即 1 x 1 ,故所求的 m = 63 220232023642023632. 已知 O 为定圆,A, B,C 为 O 上的三个动点,使得DABC 为锐角三角形,且 AB AC ,AD 为DABCO的一条高线,I 为DABC 的内心,过点 I 作DADI 的外接圆的切线,与直线 AD 交于点 P 设 AA 为的直径,过点 A 作直线
7、AA 的垂线与直线 AB 交于点 E ,过点 P 作直线 AP 的垂线与直线 AB 交于点H ,过点 E 作直线 AH 的垂线与直线 AB 交于点 F 证明:(1) AP 为定长;(2) AP 平分线段 EF 证明:(1)设 O 的半径为 R ,BAC = a,ABC = b ,BCA = g ,P 为射线 AD 上一点,使得 AP = 2R ,则 AP = AA,于是DAAP 为等腰三角形因为BAD = CAA = 90 - b ,所以 AI 平分AAPO设 AI 与 AP 交于点 M ,则 M 是线段 AP 的中点由于AMA = 90 ,则点M 在 O 上,且为的弧 BC 的中点由鸡爪定理
8、,有 MI = MB 22因为AAM = CAI -CAA = a -(90 - b ) = b -g ,所以22PI 2 = PM 2 + MI 2 = MA2 + MB2 = (2R sin b -g )2 + (2R sin a )2222= 4R2 (1-cos(b -g ) + 1-cosa ) = 4R2 (1- cosa +cos(b -g ) )22= 4R2 (1- cos a +(b -g ) cos a -(b -g ) ) = 4R2 (1-sin g sin b )= 2R (2R - 2Rsin g sin b ) = PA(PA - AD) = PA PD 。于是
9、, PI 与DADI 的外接圆切于点 I ,因此 P = P ,这表明 AP = 2R 为定长(2) 设 AP 与 EF 交于点 N ,因为ABA = 90 ,所以 EB AF 。又因为 AH EF ,所以 H 为DAEF 的垂心由于AAP = AAN = 90 -EAN,AEA = 90 -EAF ,则在等腰三角形 AAP 和 直角三角形 AAE 中,可得AP = 2AAcosAAP = 2AE tanAEAsinEAN = 2AE cotEAF sinEAN 另一方面,设DAEF 的外接圆半径为r ,由于HAP = FAP + FAH = FAP + (AFE - 90) = FAP +
10、AFE - 90 = ANE - 90 ,则 AP = AH cosHAP = 2r cosEAF cos(ANE - 90)= 2r sinEAF cotEAF sinANE = EF cotEAF sinANENE= EF cotEAF AE sinEAN 由式和式可得NE2AE cot EAF sinEAN = EF cot EAF AE sinEAN ,于是 EF = 2NE ,因此 AP 平分线段 EF 1323. 给定点集 M =(x, y) | x, y 1, 2023 ,如果线段 AB 的两个端点都在M 中,| AB |= ,且直线 AB 的斜率不为 3 ,则称 AB 为“好线
11、段”证明:对于M 中任意不同两点 P、Q,存在正整数n 和 M 中的一列点 A0 , A1, , An+1 ,使得 A0 = P, An+1 = Q ,且 Ai Ai+1 都是“好线段” (0 i n) 证明:为方便起见,如果两个点能通过一系列“好线段”连接,则称它们是连通的,也称其中一点能连通到另一点问题相当于证明 M 中任意两点都是连通的为此,我们只需证明, M 中任意一点都能连通到右上角的点 R(2023, 2023) 记S =(x, y) M | 6 x 2023,7 y 2023 我们先证明S 中的任意一点能连通到 R 事实上,注22 +32意到 13=,从而对于S 中任意一点 A
12、(x, y) ,若 A 的横坐标 x 2023 ,则可以依次在M 中取点00A0 A1 = (-3, -2), A1 A2 = (2, -3), A2 A3 = (-3, 2), A3 A4 = (2, -3), A4 A5 = (-3, 2),A1 (x - 3, y - 2), A2 (x -1, y - 5), A3 (x - 4, y - 3), A4 (x - 2, y - 6), A5 (x - 5, y - 4), A6 (x - 2, y - 2), A7 (x +1, y) ,使得A5 A6 = (3, 2), A6 A7 = (3, 2) 这样 A0 A7 = (1,0)
13、,即 A0 可以连通到它右边的点 A7 反复利用这个过程可将 A0 连通到M 中同行的最右端的点 B0 (2023, y) ,即 B0 的横坐标为 2023这时若 B0 的纵坐标7 y 2023 ,则可以依次在M 中取点B1 (2020, y 2), B2 (2017, y 4), B3 (2020, y 6), B4 (2018, y 3), B5 (2021, y 5), B6 (2019, y 2),B7 (2022, y 4), B8 (2020, y 1), B9 (2023, y +1)使得B0 B1 = ( 3, 2),B1B2 = ( 3, 2), B2 B3 = (3, 2)
14、, B3B4 = ( 2,3), B4 B5 = (3, 2),B5 B6 = ( 2,3), B6 B7 = (3, 2), B7 B8 = ( 2,3), B8 B9 = (3, 2).这样 B0 B9 = (0,1) ,即 B0 可以连通到它上方的点 B9 ,反复利用这个过程即可将 B0 连通到 R 而对于 M 心中任意一点 P(x, y) ,要么 x 6 ,要么 y 7 如果 x 6 ,则将 P 连通到(x + 3, y 2)或(x + 3, y + 2) (取决于哪一点仍在 M 中,若都在 M 中则取距离心更近的);类似地,如果 y 7 ,则将 P 连通到(x 2, y + 3) 或
15、(x + 3, y + 2) 反复利用这个过程,可将 P 连通到心中的点,从而完成证明4. 若集合 X 1, 2, , n 满足:在 X 的任意五元子集 A 中都可以找到两个元素a,b (a b) 使得a b 记2X 的最大可能值为 f (n) (这里 X 表示集合 X 中的元素个数),求 f (2023) + f (3000) + f (10000) 解:给定正整数n(n 20) ,令 k =log n 4 ,则2k n 2k +1 ,先证明下面的引理引理:若集合 X 1, 2,n(n 20) 满足:X 的任意五元子集 A 中都可以找到两个元素a,b (a b)使得a b ,则4k 4, 2
16、k n 5 2k 2f (n) = 4k 3, 5 2k 2 n 3 2k 14k 2, 3 2k 1 n 7 2k 2 .4k 1, 7 2k 2 n 2k +1引理证明:(1) 当2k n 5 2k 2 时,构造集合X = 1, 2, 2k 3,6,3 2k 2 5,10,5 2k 37,14,7 2k 3.则 X = (k +1) + (k 1) + (k 2) + (k 2) = 4k 4 ,下面证明任意满足条件的集合 X ,均有 X 4k 4 .a2 假设存在一个满足条件的集合 X 1, 2, n, X a4k 3 ,则对任意t (1 t 4k 7) ,有at +4 2at . 4k
17、 3 ,设 X 中较小的4k 3 个数依次为a1 否则存在t (1 t 4k 7) ,有at +4 2at ,那么at at +1 at +2 at +3 at +4 2at ,即at , at +1, at +2 , at +3 , at +4 中不存在整除关系,矛盾故式成立,所以a 2 a 2k 2 a 5 2k 2 ,这与a n 5 2k 24k 34k 75矛盾,故 f (n) = 4k 4 (2) 当5 2k 2 n 3 2k 1 时,构造集合4k 3X = 1, 2, 2k 3,6,3 2k 2 5,10,5 2k 2 7,14,7 2k 3则 X = (k +1) + (k 1)
18、 + (k 1) + (k 2) = 4k 3 ,下面证明任意满足条件的集合 X ,均有 X 4k 3 假设存在一个满足条件的集合 X 1, 2, n, X 4k 2 ,设 X 中较小的4k 2 个数依次为a1 a2 a4k 2 ,同理于式的证明可得对任意t (1 t 4k 6) ,有at +4 2at 所以a 2 a 2k 2 a 2k 2 6 = 3 2k 1 ,这与a4k 24k 24k 66 n 3 2k 1 矛盾,故 f (n) = 4k 3 (3) 当3 2k 1 n 7 2k 2 时,构造集合X = 1, 2, 2k 3,6,3 2k 1 5,10,5 2k 27,14,7 2k
19、 3则 X = (k +1) + k + (k 1) + (k 2) = 4k 2 ,下面证明任意满足条件的集合 X ,均有 X 4k 2 假设存在一个满足条件的集合 X 1, 2, n, X 4k 1 ,设 X 中较小的4k 1 个数依次为a1 a2 a4k 1 ,同理于式的证明可得对任意t (1 t 4k 5) ,有at +4 2at 所以a 2 a 2k 2 a 7 2k 2 ,这与a4k 14k 14k 57 n 7 2k 2 矛盾,故 f (n) = 4k 2 (4) 当7 2k 2 n 2k +1 时,构造集合X = 1, 2, 2k 3,6,3 2k 1 5,10,5 2k 27
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