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

2015_省自主命题(湖北)

2015 湖北 第 22 题 解答题 区分题
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22.(本小题满分14分)

已知数列 $\left\{ a _ { n } \right\}$ 的各项均为正数, $b _ { n } = n ( 1 + { \frac { 1 } { n } } ) ^ { n } a _ { n } ~ ( n \in \mathbf { N } _ { + } )$ , 为自然对数的底数e

(Ⅰ)求函数 $f ( x ) = 1 + x - \mathbf { e } ^ { x }$ 的单调区间,并比较 $( 1 + { \frac { 1 } { n } } ) ^ { n }$ 与 的大小;e

(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 $c _ { n } = ( a _ { 1 } a _ { 2 } \cdots a _ { n } ) ^ { \frac { 1 } { n } }$ ,数列 $\{ a _ { n } \} \ , \quad \{ c _ { n } \}$ 的前 项和分别记为n $S _ { n } , T _ { n }$ , 证明: $T _ { n } < e S _ { n }$

参考答案

(Ⅰ)f(x)的单调递增区间为(-∞,0),单调递减区间为(0,+∞). $( 1 + { \frac { 1 } { n } } ) ^ { n } < \mathtt { e }$ ;(Ⅱ)详见解析; (Ⅲ)详见解析

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【答案】(Ⅰ)f(x)的单调递增区间为(-∞,0),单调递减区间为(0,+∞). $( 1 + { \frac { 1 } { n } } ) ^ { n } < \mathtt { e }$ ;(Ⅱ)详见解析;
(Ⅲ)详见解析.

【解析】(Ⅰ)f(x)的定义域为(-∞,+∞), $f ^ { \prime } ( x ) = 1 - e ^ { x }$

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(-∞,0),单调递减区间为(0,+∞)

当x>0时, $f ( x ) < f ( 0 ) = 0$ ,即 $1 + x < e ^ { x }$

7 $x = { \frac { 1 } { n } }$ ,得 $1 + { \frac { 1 } { n } } < e ^ { \frac { 1 } { n } }$ ,即 $( 1 + { \frac { 1 } { n } } ) ^ { n } < e$

$$ ( \mathrm { ~ I I ~ } ) \frac { b _ { 1 } } { a _ { 1 } } = 1 \cdot ( 1 + \frac { 1 } { 1 } ) ^ { 1 } = 1 + 1 = 2 \ ; \frac { b _ { 1 } b _ { 2 } } { a _ { 1 } a _ { 2 } } = \frac { b _ { 1 } } { a _ { 1 } } \cdot \frac { b _ { 2 } } { a _ { 2 } } = 2 \cdot 2 ( 1 + \frac { 1 } { 2 } ) ^ { 2 } = ( 2 + 1 ) ^ { 2 } = 3 ^ { 2 } \ ; $$

$$ \frac { b _ { 1 } b _ { 2 } b _ { 3 } } { a _ { 1 } a _ { 2 } a _ { 3 } } = \frac { b _ { 1 } b _ { 2 } } { a _ { 1 } a _ { 2 } } \cdot \frac { b _ { 3 } } { a _ { 3 } } = 3 ^ { 2 } \cdot 3 ( 1 + \frac { 1 } { 3 } ) ^ { 3 } = ( 3 + 1 ) ^ { 3 } = 4 ^ { 5 } \cdot $$

由此推测: ${ \frac { b _ { 1 } b _ { 2 } \cdots b _ { n } } { a _ { 1 } a _ { 2 } \cdots a _ { n } } } = ( n + 1 ) ^ { * }$

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, $b _ { \kappa + 1 } = ( k + 1 ) ( 1 + \frac { 1 } { k + 1 } ) ^ { \kappa + 1 } a _ { \kappa + 1 }$

由归纳假设可得 $\frac { b _ { 1 } b _ { 2 } \cdots b _ { \kappa } b _ { \kappa + 1 } } { a _ { 1 } a _ { 2 } \cdots a _ { \kappa } a _ { \kappa + 1 } } = \frac { b _ { 1 } b _ { 2 } \cdots b _ { \kappa } } { a _ { 1 } a _ { 2 } \cdots a _ { \kappa } } \cdot \frac { b _ { \kappa + 1 } } { a _ { \kappa + 1 } } = ( \bar { k } + 1 ) ^ { \kappa } ( \bar { k } + 1 ) ( 1 + \frac { 1 } { \bar { k } + 1 } ) ^ { \kappa + 1 } = ( \bar { k } + 2 ) ^ { \bar { \kappa } + 1 }$

所以当n=k+1时,②也成立.

根据①②,可知②对一切正整数n都成立.

(II)由 $c _ { * }$ 的定义,②,算术-几何平均不等式, $\boldsymbol { b } _ { \ast }$ 的定义及①得

$$ T _ { * } = c _ { 1 } + c _ { 2 } + c _ { 3 } + \cdots + c _ { * } = ( a _ { 1 } ) ^ { \frac { 1 } { 1 } } + ( a _ { 1 } a _ { 2 } ) ^ { \frac { 1 } { 2 } } + ( a _ { 1 } a _ { 2 } a _ { 3 } ) ^ { \frac { 1 } { 3 } } + \cdots + ( a _ { 1 } a _ { 2 } \cdots a _ { n } ) ^ { \frac { 1 } { n } } $$

$$ = \frac { ( b _ { 1 } ) ^ { \frac { 1 } { 1 } } } { 2 } + \frac { ( b _ { 1 } b _ { 2 } ) ^ { \frac { 1 } { 2 } } } { 3 } + \frac { ( b _ { 1 } b _ { 2 } b _ { 3 } ) ^ { \frac { 1 } { 3 } } } { 4 } + \cdots + \frac { ( b _ { 1 } b _ { 2 } \cdots b _ { n } ) ^ { \frac { 1 } { n } } } { n + 1 } \frac { \approx } { \mp } \mp [ | \overrightarrow { x } | ] $$

$$ \leq { \frac { b _ { 1 } } { 1 \times 2 } } + { \frac { b _ { 1 } + b _ { 2 } } { 2 \times 3 } } + { \frac { b _ { 1 } + b _ { 2 } + b _ { 3 } } { 3 \times 4 } } + \cdots + { \frac { b _ { 1 } + b _ { 2 } + \cdots + b _ { * } } { n ( n + 1 ) } } $$

$$ = b _ { 1 } [ \frac { 1 } { 1 \times 2 } + \frac { 1 } { 2 \times 3 } + \cdots + \frac { 1 } { n ( n + 1 ) } ] + b _ { 2 } [ \frac { 1 } { 2 \times 3 } + \frac { 1 } { 3 \times 4 } + \cdots + \frac { 1 } { n ( n + 1 ) } ] + \cdots + b _ { * } \cdot \frac { 1 } { n ( n + 1 ) } $$

$$ = b _ { 1 } ( 1 - { \frac { 1 } { n + 1 } } ) + b _ { 2 } ( { \frac { 1 } { 2 } } - { \frac { 1 } { n + 1 } } ) + \cdots + b _ { * } ( { \frac { 1 } { n } } - { \frac { 1 } { n + 1 } } ) $$

$$ < \frac { b _ { 1 } } { 1 } + \frac { b _ { 2 } } { 2 } + \cdots + \frac { b _ { * } } { n } = ( 1 + \frac { 1 } { 1 } ) ^ { 1 } a _ { 1 } + ( 1 + \frac { 1 } { 2 } ) ^ { 2 } a _ { 2 } + \cdots + ( 1 + \frac { 1 } { n } ) ^ { * } a _ { * } $$

$$ < e a _ { 1 } + e a _ { 2 } + \cdots + e a _ { n } = e S _ { n } . $$

即 $T _ { n } < e S _ { n }$

【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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