当 x R,|x|<1 时,有如下表达式: 1+x+x^…——2013 高考数学第 15 题答案解析

2013_退役省自主命题 (2013·理)

2013 全国 第 15 题 解答题 区分题
2013_退役省自主命题 (2013·理)

15.当 $x \in R,|x|<1$ 时,有如下表达式:

$$ 1+x+x^{2}+\cdots+x^{n}+\cdots=\frac{1}{1-x} $$

两边同时积分得: $\int_{0}^{\frac{1}{2}} 1 d x+\int_{0}^{\frac{1}{2}} x d x+\int_{0}^{\frac{1}{2}} x^{2} d x+\cdots \int_{0}^{\frac{1}{2}} x^{n} d x+\cdots=\int_{0}^{\frac{1}{2}} \frac{1}{1-x} d x$
从而得到如下等式:
$1 \times \frac{1}{2}+\frac{1}{2} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{2}+\frac{1}{3} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{3}+\cdots+\frac{1}{n+1} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{n+1}+\cdots=\ln 2$.
请根据以上材料所蕴含的数学思想方法,计算:
$C_{n}^{0} \times \frac{1}{2}+\frac{1}{2} C_{n}^{1} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{2}+\frac{1}{3} C_{n}^{2} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{3}+\cdots+\frac{1}{n+1} C_{n}^{n} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{n+1}=$

参考答案$\frac{1}{n+1}\left[\left(\frac{3}{2}\right)^{n+1}-1\right]$

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[答案]$\frac{1}{n+1}\left[\left(\frac{3}{2}\right)^{n+1}-1\right]$
[解析]法一:注意到信息中的积分算法,所以逆写可得
$\mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{0} \times \frac{1}{2}+\frac{1}{2} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{1} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{2}+\frac{1}{3} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{2} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{3}+\cdots+\frac{1}{n+1} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{\mathrm{n}} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{n+1}$
$=\int_{0}^{\frac{1}{2}} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{0} x^{0} d x+\int_{0}^{\frac{1}{2}} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{1} x^{1} d x+\int_{0}^{\frac{1}{2}} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{2} x^{2} d x+\cdots+\int_{0}^{\frac{1}{2}} \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{\mathrm{n}} x^{n} d x\left({ }^{*}\right)$
$\because \mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{0} x^{0}+\mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{1} x^{1}+\mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{2} x^{2}+\mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{3} x^{3}+\cdots+\mathrm{C}_{\mathrm{n}}^{\mathrm{n}} x^{n}=(1+x)^{n}$

$$ \therefore(*)=\int_{0}^{\frac{1}{2}}(1+x)^{n} d x=\left.\frac{1}{n+1}(1+x)^{n+1}\right|_{0} ^{\frac{1}{2}}=\frac{1}{n+1}\left[\left(\frac{3}{2}\right)^{n+1}-1\right] $$

法二:考虑组合恒等式 $\frac{1}{k+1} C_{n}^{k}=\frac{1}{n+1} C_{n+1}^{k+1}$ 故直接可得

$$ \begin{aligned} C_{n}^{0} & \times \frac{1}{2}+\frac{1}{2} C_{n}^{1} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{2}+\frac{1}{3} C_{n}^{2} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{3}+\cdots+\frac{1}{n+1} C_{n}^{n} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{n+1} \\ & =\frac{1}{n+1}\left[C_{n+1}^{1} \frac{1}{2}+C_{n+1}^{2} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{2}+C_{n+1}^{3} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{3}+\cdots+C_{n+1}^{n+1} \times\left(\frac{1}{2}\right)^{n+1}\right] \\ & =\frac{1}{n+1}\left[\left(1+\frac{1}{2}\right)^{n+1}-1\right]=\frac{1}{n+1}\left[\left(\frac{3}{2}\right)^{n+1}-1\right] \end{aligned} $$

[ 考点定位]此题的立意在类比应用,巧㠺的逆向构造考查了学生应用信息的能力。难度比较大。不过如果参加竞赛或者熟悉 $\frac{1}{k+1} C_{n}^{k}=\frac{1}{n+1} C_{n+1}^{k+1}$ 恒等式也就比较容易了。

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✅ 来源:2013年 · 全国 · 2013_退役省自主命题 (2013·理) · 第 15 题 · 本题已通过人工审核与系统自动校验

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