1. 分析集合 $M_n$ 中元素的大小顺序
设集合 Mn 中的元素为 ak=2k2k−1,其中 1⩽k⩽n。
先计算前几项:
a1=21=0.5, a2=43=0.75, a3=85=0.625, a4=167=0.4375。
当 k⩾2 时,
ak+1−ak=2k+12k+1−2k2k−1=2k+12k+1−2(2k−1)=2k+13−2k<0。
所以当 k⩾2 时,数列 {ak} 严格单调递减。
因此,对于 n⩾3,集合 Mn 中的元素按从小到大的顺序排列为:
an<an−1<⋯<a4<a1<a3<a2。
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<⋯<yn,则以 yi 为最小元素的非空子集必须包含 yi,且只能从比 yi 大的 n−i 个元素中选取其它元素,因此这样的非空子集共有 2n−i 个。
由步骤1的排序,对 n⩾4:
- 最小元素为 a2 的子集有 20=1 个;
- 最小元素为 a3 的子集有 21=2 个;
- 最小元素为 a1 的子集有 22=4 个;
- 最小元素为 ak (4⩽k⩽n) 的子集有 2k−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−1
代入具体值:
Tn=21⋅4+85⋅2+43⋅1+∑k=4n2k2k−1⋅2k−1
Tn=2+45+43+∑k=4n22k−1=4+∑k=4n22k−1
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=4n22k−1:
此求和项数共 n−3 项,首项为 27,末项为 22n−1。
和为:
∑k=4n22k−1=21⋅2(7+2n−1)(n−3)=2n2−9
所以:
Tn=4+2n2−9=2n2−1(n⩾3)
(经检验,当 n=3 时,T3=4,公式同样成立)。
4. 解不等式求最小正整数 $n$
由 Tn⩾180,得:
2n2−1⩾180⟹n2−1⩾360⟹n2⩾361
因为 n∈N∗,且 192=361,
所以满足条件的最小正整数 n 的值为 19。