(20)(本小题满分 13 分) 设函数 f_ x (x)…——2013 高考数学第 20 题答案解析

2013_退役省自主命题 (2013·理)

2013 全国 第 20 题 解答题 区分题
2013_退役省自主命题 (2013·理)

(20)(本小题满分 13 分)
设函数 $f_{x}(x)=-1+x+\frac{x^{2}}{2^{2}}+\frac{x^{3}}{3^{2}}+\ldots+\frac{x^{n}}{n^{2}}\left(x \in R, n \in N^{*}\right)$,证明:
(I)对每个 $n \in N^{*}$,存在唯一的 $x_{n} \in\left[\frac{2}{3}, 1\right]$,满足 $f_{x}\left(x_{n}\right)=0$;
(II)对任意 $p \in N^{*}$,由(I)中 $x_{n}$ 构成的数列 $\left\{x_{n}\right\}$ 满足 $0<x_{n}-x_{n+p}<\frac{1}{n}$.

参考答案

(1)对每个 $n \in N^{*}$,当 $x>0$ 时,$f_{n}^{\prime}(x)=1+\frac{x}{2}+\cdots+\frac{x^{n-1}}{n}>0$, 则 $f_{n}(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调䔎增, 而 $f_{1}(1)=0$,当 $n \geq 2$ 时,$f_{n}(1)=\frac{1}{2^{2}}+\frac{1}{3^{2}}+\cdots+\frac{1}{n^{2}}>0$

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这道题真正考什么?

关键能力
导数与函数
难度
区分题
先及格路线 · 高中数学 · 高难题

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完整解析 · 逐步详解

【答案】(1)对每个 $n \in N^{*}$,当 $x>0$ 时,$f_{n}^{\prime}(x)=1+\frac{x}{2}+\cdots+\frac{x^{n-1}}{n}>0$,
则 $f_{n}(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调䔎增,
而 $f_{1}(1)=0$,当 $n \geq 2$ 时,$f_{n}(1)=\frac{1}{2^{2}}+\frac{1}{3^{2}}+\cdots+\frac{1}{n^{2}}>0$,
故 $f_{n}(1) \geq 0$,
又 $f_{n}\left(\frac{2}{3}\right)=-1+\frac{2}{3}+\sum_{k=2}^{n} \frac{\left(\frac{2}{3}\right)^{k}}{k^{2}}--\frac{1}{3}+\frac{1}{4} \sum_{k=2}^{n}\left(\frac{2}{3}\right)$

$$ =-\frac{1}{3}+\frac{1}{4} \cdot \frac{\left(\frac{2}{3}\right)^{2}\left[1-\left(\frac{2}{3}\right)^{n-1}\right]}{1-\frac{2}{3}}=-\frac{1}{3} \cdot\left(\frac{2}{3}\right)^{n-1}<0 $$

所以对每个 $n \in N^{*}$,存在唯一的 $x_{n} \in\left[\frac{2}{3}, 1\right]$,满足 $f_{x}\left(x_{n}\right)=0$
(1)当 $x>0$ 时,$f_{n+1}(x)=f_{n}(x)+\frac{x^{n+1}}{(n+1)^{2}}>f_{n}(x)$,并由①知
$f_{n+1}\left(x_{n}\right)>f_{n}\left(x_{n}\right)=f_{n+1}\left(x_{n+1}\right)=0$
由 $f_{n+1}(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调递增知,$x_{n+1}<x_{n}$,放 $\left\{x_{n}\right\}$ 为单调迷减数列,
从而对任意 $n, p \in N^{*}, x_{n+p}<x_{n}$
对任意 $p \in N^{*}$,

$$ \begin{aligned} & f_{n}\left(x_{n}\right)=-1+x_{n}+\frac{x_{n}^{2}}{2^{2}}+\cdots+\frac{x_{2}^{2}}{n^{2}}=0 \\ & f_{n+p}\left(x_{n+p}\right)=-1+x_{n+p}+\frac{x_{n+p}^{2}}{2^{2}}+\cdots+\frac{x_{n+p}^{n}}{n^{2}}+\frac{x_{n+p}^{n+1}}{(n+1)^{2}}+\cdots+\frac{x_{n+p}^{n+p}}{(n+p)^{2}}=0 \end{aligned} $$

①-②并移项,利用 $0<x_{n+p}<x_{n} \leq 1$,得

$$ \begin{aligned} x_{n}-x_{n+p} & =\sum_{k=2}^{n} \frac{x_{n+p}^{k}-x_{n}^{k}}{k^{2}}+\sum_{k=n+1}^{n+p} \frac{x_{n+p}^{k}}{k^{2}} \leq \sum_{k=n+1}^{n+p} \frac{x_{n+p}^{k}}{k^{2}} \\ & \leq \sum_{k=n+1}^{n+p} \frac{1}{k^{2}}<\sum_{k=n+1}^{n+p} \frac{1}{k(k-1)}=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+p}<\frac{1}{n} \end{aligned} $$

因此,对任意 $p \in N^{*}, 0<x_{n}-x_{n \cdot p}<\frac{1}{n}$.
【解析】本题考查的是数列函数,而只含双变量,考生在议题的过程中需要冷静的处理好每个变量。第(1)题考查函数的零点问题,要证 F J 对每个 $\mathrm{n} \in N^{*}$,数在某个区间上只有一个零点,一方面要证明函数是单调的,求导即可,另一方面要判断 $,①, f_{n}\left(\frac{2}{3}\right)$ 的正负问题,此题难点在于判断 $f_{n}\left(\frac{2}{3}\right)$ 的正负时,要利用放缩的思想,将榇列函数放组到可以利用等比数列求和,从而证明此函数在指定区间内只有一个零点;第(2)题要讨数列从数吅函数中分离出来,就要通过函数的单调性,由 $f_{n+1}\left(x_{n}\right)>f_{n}\left(x_{n}\right)=f_{n+1}\left(x_{n .}\right)=0, f_{1}(x)$ 在 $(0 \div \infty)$ 内单调谜增,确定 $x_{n+p}<x_{n}$,则不等式左半边成立,右半边通过作差,数列放缩确定最终 $0<x_{n}-x_{n+p}<\frac{1}{n}$.本题属于较难题.
【考点定位】考查函数的导数及其应用,函数零点的判定,等比数列的求和,不等式的放缩等知识。

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