(本小题满分 14 分) 已知数列 a_ n 的各项均为正…——2015 高考数学第 22 题答案解析

2015_退役省自主命题 (2015·理)

2015 ?? 第 22 题 解答题 区分题
2015_退役省自主命题 (2015·理)

22.(本小题满分 14 分)
已知数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 的各项均为正数,$b_{n}=n\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n} a_{n}\left(n \in \mathbf{N}_{+}\right), e$ 为自然对数的底数.
(I)求函数 $f(x)=1+x-\mathrm{e}^{x}$ 的单调区间,并比较 $\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n}$ 与 $e$ 的大小;
(II)计算 $\frac{b_{1}}{a_{1}}, \frac{b_{1} b_{2}}{a_{1} a_{2}}, \frac{b_{1} b_{2} b_{3}}{a_{1} a_{2} a_{3}}$,由此推测计算 $\frac{b_{1} b_{2} \cdots b_{n}}{a_{1} a_{2} \cdots a_{n}}$ 的公式,并给出证明;

(III)令 $c_{n}=\left(a_{1} a_{2} \cdots a_{n}\right)^{\frac{1}{n}}$,数列 $\left\{a_{n}\right\},\left\{c_{n}\right\}$ 的前 $n$ 项和分别记为 $S_{n}, T_{n}$,证明:$T_{n}

参考答案(I)$f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, 0)$,单调递减区间为 $(0,+\infty) .\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n}<\mathrm{e}$;(II)详见解析; (III)详见解析

完整解析 · 逐步详解

【答案】(I)$f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, 0)$,单调递减区间为 $(0,+\infty) .\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n}<\mathrm{e}$;(II)详见解析;
(III)详见解析。
【解析】(I)$f(x)$ 的定义域为 $(-\infty,+\infty), f^{\prime}(x)=1-e^{x}$.
当 $f^{\prime}(x)>0$,即 $x<0$ 时,$f(x)$ 单调递增;
当 $f^{\prime}(x)<0$,即 $x>0$ 时,$f(x)$ 单调递减.
故 $f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, 0)$,单调递减区间为 $(0,+\infty)$.
当 $x>0$ 时,$f(x)今 $x=\frac{1}{n}$,得 $1+\frac{1}{n}(II)$\frac{b_{1}}{a_{1}}=1 \cdot\left(1+\frac{1}{1}\right)^{1}=1+1=2 ; \quad \frac{b_{1} b_{2}}{a_{1} a_{2}}=\frac{b_{1}}{a_{1}} \cdot \frac{b_{2}}{a_{2}}=2 \cdot 2\left(1+\frac{1}{2}\right)^{2}=(2+1)^{2}=3^{2}$;
$\frac{b_{1} b_{2} b_{3}}{a_{1} a_{2} a_{3}}=\frac{b_{1} b_{2}}{a_{1} a_{2}} \cdot \frac{b_{3}}{a_{3}}=3^{2} \cdot 3\left(1+\frac{1}{3}\right)^{3}=(3+1)^{3}=4^{3}$.
由此推测:$\frac{b_{1} b_{2} \cdots b_{n}}{a_{1} a_{2} \cdots a_{n}}=(n+1)^{n}$.

下面用数学归纳法证明②。
(1)当 $n=1$ 时,左边 $=$ 右边 $=2$,②成立.
(2)假设当 $n=k$ 时,②成立,即 $\frac{b_{1} b_{2} \cdots b_{k}}{a_{1} a_{2} \cdots a_{k}}=(k+1)^{k}$.
当 $n=k+1$ 时,$b_{k+1}=(k+1)\left(1+\frac{1}{k+1}\right)^{k+1} a_{k+1}$,
由归纳假设可得 $\frac{b_{1} b_{2} \cdots b_{k} b_{k+1}}{a_{1} a_{2} \cdots a_{k} a_{k+1}}=\frac{b_{1} b_{2} \cdots b_{k}}{a_{1} a_{2} \cdots a_{k}} \cdot \frac{b_{k+1}}{a_{k+1}}=(k+1)^{k}(k+1)\left(1+\frac{1}{k+1}\right)^{k+1}=(k+2)^{k+1}$.
所以当 $n=k+1$ 时,②也成立.
根据(1)(2),可知②对一切正整数 $n$ 都成立。
(III)由 $c_{n}$ 的定义,②,算术一几何平均不等式,$b_{n}$ 的定义及①得
$T_{n}=c_{1}+c_{2}+c_{3}+\cdots+c_{n}=\left(a_{1}\right)^{\frac{1}{1}}+\left(a_{1} a_{2}\right)^{\frac{1}{2}}+\left(a_{1} a_{2} a_{3}\right)^{\frac{1}{3}}+\cdots+\left(a_{1} a_{2} \cdots a_{n}\right)^{\frac{1}{n}}$

$=\frac{\left(b_{1}\right)^{\frac{1}{1}}}{2}+\frac{\left(b_{1} b_{2}\right)^{\frac{1}{2}}}{3}+\frac{\left(b_{1} b_{2} b_{3}\right)^{\frac{1}{3}}}{4}+\cdots+\frac{\left(b_{1} b_{2} \cdots b_{n}\right)^{\frac{1}{n}}}{n+1}$
$\leq \frac{b_{1}}{1 \times 2}+\frac{b_{1}+b_{2}}{2 \times 3}+\frac{b_{1}+b_{2}+b_{3}}{3 \times 4}+\cdots+\frac{b_{1}+b_{2}+\cdots+b_{n}}{n(n+1)}$
$=b_{1}\left[\frac{1}{1 \times 2}+\frac{1}{2 \times 3}+\cdots+\frac{1}{n(n+1)}\right]+b_{2}\left[\frac{1}{2 \times 3}+\frac{1}{3 \times 4}+\cdots+\frac{1}{n(n+1)}\right]+\cdots+b_{n} \cdot \frac{1}{n(n+1)}$
$=b_{1}\left(1-\frac{1}{n+1}\right)+b_{2}\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{n+1}\right)+\cdots+b_{n}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right)$
$<\frac{b_{1}}{1}+\frac{b_{2}}{2}+\cdots+\frac{b_{n}}{n}=\left(1+\frac{1}{1}\right)^{1} a_{1}+\left(1+\frac{1}{2}\right)^{2} a_{2}+\cdots+\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n} a_{n}$
$

即 $T_{n}【考点定位】导数的应,数列的概念,数学归纳法,基本不等式,不等式的证明.
【名师点睛】使用裂项法求和时,要注意正负项相消时消去了哪些项,保留了哪些项,切不可漏写未被消去的项,未被消去的项有前后对称的特点,实质上造成正负相消是此法的根源与目的。

运用数学归纳法应注意以下三点:(1)$n=n_{0}$ 时成立,要弄清楚命题的含义。(2)由假设 $n=k$ 成立证 $n=k$ +1 时,要推导详实,并且一定要运用 $n=k$ 成立的结论.(3)要注意 $n=k$ 到 $n=k+1$ 时增加的项数.

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