已知n∈N∗n\in N^{*},集合Mn={12,34,58,M_{n}=\{\dfrac{1}{2},\dfrac{3}{4},\dfrac{5}{8},…2n−12n}\dfrac{2n-1}{2^{n}}\},集合MnM_{n}所有非空子集的最小元素之和为TnT_{n},则使得Tn⩾180T_{n}\geqslant 180的最小正整数nn的值为___.

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完整解法

1. 分析集合 $M_n$ 中元素的大小顺序

设集合 MnM_n 中的元素为 ak=2k−12ka_k = \dfrac{2k-1}{2^k},其中 1⩽k⩽n1 \leqslant k \leqslant n。
先计算前几项:
a1=12=0.5a_1 = \dfrac{1}{2} = 0.5, a2=34=0.75a_2 = \dfrac{3}{4} = 0.75, a3=58=0.625a_3 = \dfrac{5}{8} = 0.625, a4=716=0.4375a_4 = \dfrac{7}{16} = 0.4375。
当 k⩾2k \geqslant 2 时,
ak+1−ak=2k+12k+1−2k−12k=2k+1−2(2k−1)2k+1=3−2k2k+1<0a_{k+1} - a_k = \dfrac{2k+1}{2^{k+1}} - \dfrac{2k-1}{2^k} = \dfrac{2k+1 - 2(2k-1)}{2^{k+1}} = \dfrac{3-2k}{2^{k+1}} < 0。
所以当 k⩾2k \geqslant 2 时,数列 {ak}\{a_k\} 严格单调递减。
因此,对于 n⩾3n \geqslant 3,集合 MnM_n 中的元素按从小到大的顺序排列为:
an<an−1<⋯<a4<a1<a3<a2a_n < a_{n-1} < \dots < a_4 < a_1 < a_3 < a_2。

2. 建立所有非空子集最小元素之和 $T_n$ 的表达式

根据子集的性质,若将集合的元素按从小到大排列为 y1<y2<⋯<yny_1 < y_2 < \dots < y_n,则以 yiy_i 为最小元素的非空子集必须包含 yiy_i,且只能从比 yiy_i 大的 n−in-i 个元素中选取其它元素,因此这样的非空子集共有 2n−i2^{n-i} 个。
由步骤1的排序,对 n⩾4n \geqslant 4:

  • 最小元素为 a2a_2 的子集有 20=12^0 = 1 个;
  • 最小元素为 a3a_3 的子集有 21=22^1 = 2 个;
  • 最小元素为 a1a_1 的子集有 22=42^2 = 4 个;
  • 最小元素为 aka_k (4⩽k⩽n4 \leqslant k \leqslant n) 的子集有 2k−12^{k-1} 个。
    因此,所有非空子集的最小元素之和为:
    Tn=a1⋅4+a3⋅2+a2⋅1+∑k=4nak⋅2k−1T_n = a_1 \cdot 4 + a_3 \cdot 2 + a_2 \cdot 1 + \sum_{k=4}^n a_k \cdot 2^{k-1}
    代入具体值:
    Tn=12⋅4+58⋅2+34⋅1+∑k=4n2k−12k⋅2k−1T_n = \dfrac{1}{2} \cdot 4 + \dfrac{5}{8} \cdot 2 + \dfrac{3}{4} \cdot 1 + \sum_{k=4}^n \dfrac{2k-1}{2^k} \cdot 2^{k-1}
    Tn=2+54+34+∑k=4n2k−12=4+∑k=4n2k−12T_n = 2 + \dfrac{5}{4} + \dfrac{3}{4} + \sum_{k=4}^n \dfrac{2k-1}{2} = 4 + \sum_{k=4}^n \dfrac{2k-1}{2}

3. 求和并化简得到 $T_n$ 的通项公式

利用等差数列求和公式求 ∑k=4n2k−12\sum_{k=4}^n \dfrac{2k-1}{2}:
此求和项数共 n−3n-3 项,首项为 72\dfrac{7}{2},末项为 2n−12\dfrac{2n-1}{2}。
和为:
∑k=4n2k−12=12⋅(7+2n−1)(n−3)2=n2−92\sum_{k=4}^n \dfrac{2k-1}{2} = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{\left(7 + 2n-1\right)(n-3)}{2} = \dfrac{n^2-9}{2}
所以:
Tn=4+n2−92=n2−12(n⩾3)T_n = 4 + \dfrac{n^2-9}{2} = \dfrac{n^2-1}{2} \quad (n \geqslant 3)
(经检验,当 n=3n=3 时,T3=4T_3 = 4,公式同样成立)。

4. 解不等式求最小正整数 $n$

由 Tn⩾180T_n \geqslant 180,得:
n2−12⩾180  ⟹  n2−1⩾360  ⟹  n2⩾361\dfrac{n^2-1}{2} \geqslant 180 \implies n^2 - 1 \geqslant 360 \implies n^2 \geqslant 361
因为 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*,且 192=36119^2 = 361,
所以满足条件的最小正整数 nn 的值为 1919。

答案

19

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