每日一题[165] 指数函数的凹凸性

2015年高考陕西卷理科数学第21题(压轴题):

fn(x)是等比数列1,x,x2,,xn的各项和,其中x>0nNn

(1)证明: 函数F_n(x)=f_n(x)-2\left(\dfrac 12,1\right)内有且仅有一个零点(记为x_n),且x_n=\dfrac 12+\dfrac 12x_n^{n+1}

(2)设有一个与上述等比数列的首项、末项、项数分别相同的等差数列,其各项和为g_n(x),比较f_n(x)g_n(x)的大小,并加以证明.


 cover(1)证明    根据已知,有F_n(x)=x+x^2+\cdots+x^n-1,于是F_n\left(\frac 12\right)=\frac 12+\frac{1}{2^2}+\cdots+\frac{1}{2^n}-1=-\frac{1}{2^n}<0,F_n(1)=n-1>0.

另一方面,考虑到在\left(\dfrac 12,1\right)F_n'(x)=1+2x+\cdots+nx^{n-1}>0,因此函数F_n(x)\left(\dfrac 12,1\right)上单调递增.

综合以上,函数F_n(x)\left(\dfrac 12,1\right)内有且仅有一个零点.

x_n+x_n^2+\cdots+x_n^n-1=0可得\dfrac{x_n-x_n^{n+1}}{1-x_n}-1=0,整理即得x_n=\dfrac 12+\dfrac 12x_n^{n+1}.

(2)解与证明    当x=1f_n(x)=g_n(x);当x\neq 1f_n(x)<g_n(x),证明如下.

根据题意描述,n\geqslant 3

x\geqslant 1时,考虑h_n(x)=f_n(x)-g_n(x)=1+x+x^2+\cdots+x^n-\frac{n+1}{2}\left(1+x^n\right)的导数\begin{split}h_n'(x)&=1+2x+\cdots+nx^{n-1}-\frac{n(n+1)}{2}\cdot x^{n-1}\\&=x^{n-1}\left[1\cdot\left(\frac 1x\right)^{n-1}+2\cdot \left(\frac 1x\right)^{n-2}+\cdots+n-\frac{n(n+1)}{2}\right],\end{split}于是函数h_n(x)(0,1)上单调递增.在(1,+\infty)上单调递减.考虑到h_n(1)=0,于是结论得证.


 注一    (2)的几何意义为指数函数图象的割线恒在指数函数图象的上方.

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 因此也可以将x视为常数,证明当x\neq 1x^k<1+k\cdot\frac{x^n-1}{n}k=0,1,2,\cdots,n成立即可.

注二    (2)的本质与2012年高考重庆理科数学第20题(压轴题)的第(2)小题一致,试题如下:

设数列\left\{a_n\right\}的前n项和S_n满足S_{n+1}=a_2S_n+a_1,其中a_2\neq 0

(1)求证:\left\{a_n\right\}是首项为1的等比数列;

(2)若a_2>-1,求证:S_n\leqslant \dfrac n2\left(a_1+a_n\right)并给出等号成立的充要条件.

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