已知数列{an}\{a_{n}\}的前nn项为和SnS_{n},点(n,Snn)(n, \dfrac {S_{n}}{n})在直线y=12x+112y= \dfrac {1}{2}x+ \dfrac {11}{2}上.数列{bn}\{b_{n}\}满足bn+2−2bn+1+bn=0(n∈N∗)b_{n+2}-2b_{n+1}+b_{n}=0(n∈N^{*}),且b3=11b_{3}=11,前99项和为153153. (1)求数列{an}\{a_{n}\},{bn}\{b_{n}\}的通项公式; (2)求数列{(an−5)⋅2an}\{(a_{n}-5)\cdot 2^{a_{n}}\}的前nn项和Tn(3)T_{n}(3)设n∈N∗n∈N^{*},f(n)={bn,n为偶数an,n为奇数f(n)= \begin{cases} \overset{a_{n},n{为奇数}}{b_{n},n{为偶数}}\end{cases}问是否存在m∈N∗m∈N^{*},使得f(m+15)=5f(m)f(m+15)=5f(m)成立?若存在,求出mm的值;若不存在,请说明理由.

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完整解法

(1)

1. 求数列 $\{a_n\}$ 的通项公式

由题意,点 (n,Snn)(n, \dfrac{S_n}{n}) 在直线 y=12x+112y = \dfrac{1}{2}x + \dfrac{11}{2} 上,得:
Snn=12n+112  ⟹  Sn=12n2+112n\frac{S_n}{n} = \frac{1}{2}n + \frac{11}{2} \implies S_n = \frac{1}{2}n^2 + \frac{11}{2}n
当 n=1n = 1 时,a1=S1=12+112=6a_1 = S_1 = \dfrac{1}{2} + \dfrac{11}{2} = 6;
当 n≥2n \ge 2 时,
an=Sn−Sn−1=(12n2+112n)−(12(n−1)2+112(n−1))=n+5a_n = S_n - S_{n-1} = \left(\frac{1}{2}n^2 + \frac{11}{2}n\right) - \left(\frac{1}{2}(n-1)^2 + \frac{11}{2}(n-1)\right) = n + 5
当 n=1n = 1 时,a1=1+5=6a_1 = 1 + 5 = 6 符合上式,故 an=n+5a_n = n + 5 (n∈N∗n \in \mathbb{N}^*)。

2. 求数列 $\{b_n\}$ 的通项公式

由 bn+2−2bn+1+bn=0b_{n+2} - 2b_{n+1} + b_n = 0,得 bn+2−bn+1=bn+1−bnb_{n+2} - b_{n+1} = b_{n+1} - b_n,说明 {bn}\{b_n\} 为等差数列。
设 {bn}\{b_n\} 的公差为 dd。由前 99 项和 S9(b)=9b5=153S_9^{(b)} = 9 b_5 = 153,可得 b5=17b_5 = 17。
已知 b3=11b_3 = 11,根据等差数列通项性质:
b5−b3=2d  ⟹  17−11=2d  ⟹  d=3b_5 - b_3 = 2d \implies 17 - 11 = 2d \implies d = 3
所以 bn=b3+(n−3)d=11+3(n−3)=3n+2b_n = b_3 + (n - 3)d = 11 + 3(n - 3) = 3n + 2 (n∈N∗n \in \mathbb{N}^*)。

答案

an=n+5a_n = n + 5,bn=3n+2b_n = 3n + 2

(2)

1. 化简通项并写出 $T_n$ 的展开式

因为 an=n+5a_n = n + 5,所以 an−5=na_n - 5 = n,2an=2n+52^{a_n} = 2^{n+5}。
数列 {(an−5)⋅2an}\{(a_n - 5) \cdot 2^{a_n}\} 的通项为 cn=n⋅2n+5c_n = n \cdot 2^{n+5}。
则前 nn 项和 TnT_n 为:
Tn=1⋅26+2⋅27+3⋅28+⋯+n⋅2n+5T_n = 1 \cdot 2^6 + 2 \cdot 2^7 + 3 \cdot 2^8 + \dots + n \cdot 2^{n+5}

2. 用错位相减法求和 $T_n$

两边同乘以 22,得:
2Tn=1⋅27+2⋅28+⋯+(n−1)⋅2n+5+n⋅2n+62 T_n = 1 \cdot 2^7 + 2 \cdot 2^8 + \dots + (n - 1) \cdot 2^{n+5} + n \cdot 2^{n+6}
两式相减,得:
−Tn=26+27+28+⋯+2n+5−n⋅2n+6-T_n = 2^6 + 2^7 + 2^8 + \dots + 2^{n+5} - n \cdot 2^{n+6}
利用等比数列求和公式:
26+27+⋯+2n+5=26(2n−1)2−1=2n+6−642^6 + 2^7 + \dots + 2^{n+5} = \frac{2^6(2^n - 1)}{2 - 1} = 2^{n+6} - 64
代入得:
−Tn=2n+6−64−n⋅2n+6=(1−n)⋅2n+6−64-T_n = 2^{n+6} - 64 - n \cdot 2^{n+6} = (1 - n) \cdot 2^{n+6} - 64
解得 Tn=(n−1)⋅2n+6+64T_n = (n - 1) \cdot 2^{n+6} + 64。

答案

Tn=(n−1)⋅2n+6+64T_n = (n - 1) \cdot 2^{n+6} + 64

(3)

1. 对 $m$ 的奇偶性分类讨论并列出方程

由题意,分段函数 f(n)f(n) 的解析式为:
f(n)={n+5,n 为奇数3n+2,n 为偶数f(n) = \begin{cases} n + 5, & n \text{ 为奇数} \\ 3n + 2, & n \text{ 为偶数} \end{cases}
由于 1515 是奇数,所以 mm 与 m+15m + 15 的奇偶性相反。

情形 1:当 mm 为奇数时,m+15m + 15 为偶数。
此时 f(m)=am=m+5f(m) = a_m = m + 5,f(m+15)=bm+15=3(m+15)+2=3m+47f(m + 15) = b_{m+15} = 3(m + 15) + 2 = 3m + 47。
由 f(m+15)=5f(m)f(m + 15) = 5f(m) 得:
3m+47=5(m+5)  ⟹  3m+47=5m+25  ⟹  2m=22  ⟹  m=113m + 47 = 5(m + 5) \implies 3m + 47 = 5m + 25 \implies 2m = 22 \implies m = 11
经检验,m=11m = 11 为奇数,满足条件。

2. 讨论另一种情形并得出最终结论

情形 2:当 mm 为偶数时,m+15m + 15 为奇数。
此时 f(m)=bm=3m+2f(m) = b_m = 3m + 2,f(m+15)=am+15=(m+15)+5=m+20f(m + 15) = a_{m+15} = (m + 15) + 5 = m + 20。
由 f(m+15)=5f(m)f(m + 15) = 5f(m) 得:
m+20=5(3m+2)  ⟹  m+20=15m+10  ⟹  14m=10  ⟹  m=57m + 20 = 5(3m + 2) \implies m + 20 = 15m + 10 \implies 14m = 10 \implies m = \frac{5}{7}
因为 m=57∉N∗m = \frac{5}{7} \notin \mathbb{N}^*,无正整数解。

综上所述,存在正整数 m=11m = 11,使得 f(m+15)=5f(m)f(m + 15) = 5f(m) 成立。

答案

存在,m=11m = 11

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