已知{an}是公差为d的等差数列，{bn}是公比为q的等比数列，设m，n，p，k都是正整数．（1）求证：若m+n=2p，则am+an=2ap，bmbn=（bp）2；（2）若an=3n+1，是否存在m，k，使得am+am+1=ak？请说明理由；（

Question

已知{a_n}是公差为d的等差数列，{b_n}是公比为q的等比数列，设m，n，p，k都是正整数．
（1）求证：若m+n=2p，则a_m+a_n=2a_p，b_mb_n=（b_p）²；
（2）若a_n=3n+1，是否存在m，k，使得a_m+a_m+1=a_k？请说明理由；
（3）求使命题P：“若b_n=aqⁿ（a、q为常数，且aq≠0）对任意m，都存在k，有b_mb_m+1=b_k”成立的充要条件．

Answer 1

（1）∵{a_n}是公差为d的等差数列，
∴a_m=a₁+（m-1）d，a_n=a₁+（n-1）d，a_m+a_n=2a₁+（m+n-2）d，
又m+n=2p，∴a_m+a_n=2a₁+2（p-1）d，
∵a₁+（p-1）d=a_p，∴a_m+a_n=2a_p． …（3分）
∵{b_n}是公比为q的等比数列，
∴b_m=b₁q^m-1，b_n=b₁q^n-1，b_mb_n=b₁²q^m+n-2，
∵m+n=2p，
∴b_mb_n=b₁²q^2p-2=b₁q^p-1•b₁q^p-1=b_p•b_p=b_p²．　…（6分）
（2）假设存在m，k，使得a_m+a_m+1=a_k，由a_m+a_m+1=a_k得6m+5=3k+1，
即k−2m＝(4)/(3)
Qm、k∈N^*，∴k-2m为整数，矛盾．∴不存在m、k∈N⁺，使等式成立．（10分）
（3）“若b_n=aqⁿ（a、q为常数，且aq≠0）对任意m，都存在k，有b_mb_m+1=b_k”成立，取m=1，
得b₁b₂=b_k，∴a²q³=aq^k，∴a=q^k-3，即a=q^c，其中c是大于等于-2的整数．（13分）
反之，当a=q^c（c是大于等于-2的整数）时，有b_n=q^n+c，
显然b_m⋅b_m+1=q^m+c⋅q^m+1+c=q^2m+1+2c=b_k，其中k=2m+1+c．
∴所求的充要条件是a=q^c，其中c是大于等于-2的整数．…（16分）