2009 AMC 12A 第 24 题

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24.

二的塔函数递归定义如下:T(1)=2T(1) = 2,且对 n≥1n \ge 1 有 T(n+1)=2T(n)T(n + 1) = 2^{T(n)}。令 A=(T(2009))T(2009)A = (T(2009))^{T(2009)},且 B=(T(2009))AB = (T(2009))^A。最大的整数 kk 是多少,使得 log⁡2log⁡2log⁡2…log⁡2⏟kB\underbrace{\log_2 \log_2 \log_2 \ldots \log_2}_{k} B 有定义?
The tower function of twos is defined recursively as follows: T(1)=2T(1) = 2 and T(n+1)=2T(n)T(n + 1) = 2^{T(n)} for n≥1.n \ge 1. Let A=(T(2009))T(2009)A = (T(2009))^{T(2009)} and B=(T(2009))A.B = (T(2009))^A. What is the largest integer kk such that log⁡2log⁡2log⁡2…log⁡2⏟kB\underbrace{\log_2 \log_2 \log_2 \ldots \log_2}_{k} B is defined?
20092009
20102010
20112011
20122012
20132013
答案:E
知识点:递推对数指数
小提示:
反复应用 log⁡2\log_2 会剥去幂塔的一层:log⁡2T(n+1)=T(n)\log_2 T(n + 1) = T(n)。
Repeatedly applying log⁡2\log_2 peels one level off a tower: log⁡2T(n+1)=T(n)\log_2 T(n + 1) = T(n)
大提示:
追踪 B=(T(2009))AB = (T(2009))^A 在数值降到小于 11 之前能承受多少次取对数。
Track how many logs B=(T(2009))AB = (T(2009))^A can survive before the value drops below 11
解答:
因为 log⁡2T(n+1)=T(n)\log_2 T(n + 1) = T(n),每次应用 log⁡2\log_2 都会从一个 22 的幂塔顶部去掉一层。
记 Tj=T(j)T_j=T(j),并设 LjL_j 为对 BB 恰好取 jj 次 log⁡2\log_2 所得的结果。前两个结果为 L1=A T2008,L2=T2009T2008+T2007。 \begin{aligned} L_1 &= A\,T_{2008}, \\ L_2 &= T_{2009}T_{2008}+T_{2007} \end{aligned}\text{。}
先看下界,L3>log⁡2(T2009T2008)=T2008+T2007>T2008。 \begin{aligned} L_3 &\gt \log_2(T_{2009}T_{2008}) \\ &= T_{2008}+T_{2007} \\ &\gt T_{2008} \end{aligned}\text{。} 反复取对数可得,对 0≤k≤20070\le k\le 2007 都有 Lk+3>T2008−kL_{k+3} \gt T_{2008-k}。特别地,L2010>2L_{2010}\gt2,于是 L2011>1L_{2011}\gt1,进而 L2012>0L_{2012}\gt0。因此 L2013L_{2013} 有定义。
再看上界,由 T2007<T2008T2009T_{2007}\lt T_{2008}T_{2009} 得 L3<1+T2007+T2008<2T2008,L4<1+T2007<T2008。 \begin{aligned} L_3 &\lt 1+T_{2007}+T_{2008} \\ &\lt 2T_{2008}, \\ L_4 &\lt 1+T_{2007} \lt T_{2008} \end{aligned}\text{。} 反复使用最后一个不等式可得,对 0≤k≤20070\le k\le2007 都有 Lk+4<T2008−kL_{k+4}\lt T_{2008-k}。于是 L2011<2L_{2011}\lt2。结合下界即得 0<L2012<10\lt L_{2012}\lt1,从而 L2013<0L_{2013}\lt0。因此 L2014L_{2014} 无定义,最大的 kk 是 20132013。
因此,正确答案是 E。
Since log⁡2T(n+1)=T(n),\log_2 T(n + 1) = T(n), each application of log⁡2\log_2 strips one 22 off the top of a tower of twos.
Write Tj=T(j),T_j=T(j), and let LjL_j be the result of applying log⁡2\log_2 to BB exactly jj times. The first two results are L1=A T2008,L2=T2009T2008+T2007. \begin{aligned} L_1 &= A\,T_{2008}, \\ L_2 &= T_{2009}T_{2008}+T_{2007}. \end{aligned}
For the lower bound, L3>log⁡2(T2009T2008)=T2008+T2007>T2008. \begin{aligned} L_3 &\gt \log_2(T_{2009}T_{2008}) \\ &= T_{2008}+T_{2007} \\ &\gt T_{2008}. \end{aligned} Repeatedly taking logarithms gives Lk+3>T2008−kL_{k+3} \gt T_{2008-k} for 0≤k≤2007.0\le k\le 2007. In particular, L2010>2,L_{2010}\gt2, so L2011>1L_{2011}\gt1 and L2012>0.L_{2012}\gt0. Thus L2013L_{2013} is defined.
For the upper bound, T2007<T2008T2009,T_{2007}\lt T_{2008}T_{2009}, so L3<1+T2007+T2008<2T2008,L4<1+T2007<T2008. \begin{aligned} L_3 &\lt 1+T_{2007}+T_{2008} \\ &\lt 2T_{2008}, \\ L_4 &\lt 1+T_{2007} \lt T_{2008}. \end{aligned} Repeating the last comparison gives Lk+4<T2008−kL_{k+4}\lt T_{2008-k} for 0≤k≤2007.0\le k\le2007. Hence L2011<2.L_{2011}\lt2. Together with the lower bound, this yields 0<L2012<1,0\lt L_{2012}\lt1, so L2013<0.L_{2013}\lt0. Therefore L2014L_{2014} is undefined, and the largest possible kk is 2013.2013.
Thus, the correct answer is E.
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