数列与函数、不等式的交汇

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  数列中的综合问题,大多与函数交汇,考查利用函数与方程的思想及分类讨论思想解决数列中的问题,有时用不等式的方法研究数列的性质.
  求解这类问题的关键在于利用数列与函数的对应关系,将条件进行准确转化.对于函数的有关性质,主要利用函数的单调性或有界性来求解数列中的最值.但由于数列的通项是一类特殊的函数,所以借助函数的性质研究数列问题,一定要注意数列中的自变量只能取正整数这一特点.
  例1(2015年高考安徽,理18)设n∈N*,xn是曲线y=x2n+2+1在点(1,2)处的切线与x轴交点的横坐标.
  (1)求数列{xn}的通项公式;
  (2)记Tn=x21x23…x22n-1,证明Tn≥14n.
  分析:(1)对题中所给曲线的解析式进行求导,得出曲线y=x2n+2+1在点(1,2)处的切线斜率为2n+2.从而可以写出切线方程为y-2=(2n+2)(x-1).令y=0.解得切线与x轴交点的横坐标xn=1-1n+1=nn+1.
  (2)要证Tn≥14n,需考虑通项x22n-1,通过适当放缩能够使得每项相消即可证明.思路如下:先表示出Tn=x21x23…x22n-1=(12)2(34)2…(2n-12n)2,求出初始条件当n=1时,T1=14.当n≥2时,单独考虑x22n-1,并放缩得x22n-1=(2n-12n)2=(2n-1)2(2n)2>(2n-1)2-1(2n)2=4n2-4n(2n)2=n-1n,所以
  Tn=(12)2×12×23×…×n-1n=14n,综上可得对任意的n∈N*,均有Tn≥14n.
  解:(1)解:y′=(x2n+2+1)′=(2n+2)x2n+1,曲线y=x2n+2+1在点(1,2)处的切线斜率为2n+2.
  从而切线方程为y-2=(2n+2)(x-1).令y=0,解得切线与x轴交点的横坐标xn=1-1n+1=nn+1.
  (2)证:由题设和(1)中的计算结果知Tn=x21x23…x22n-1=(12)2(34)2…(2n-12n)2.
  当n=1时,T1=14.
  当n≥2时,因为x22n-1=(2n-12n)2=(2n-1)2(2n)2>(2n-1)2-1(2n)2=4n2-4n(2n)2=n-1n,
  所以Tn>(12)2×12×23×…×n-1n=14n.
  综上可得对任意的n∈N*,均有Tn≥14n.
  评注:数列是特殊的函数,不等式是深刻认识函数与数列的重要工具,三者的综合是近几年高考命题的新热点,且数列的重心已经偏移到不等式的证明与求解中,而不再是以前的递推求通项.对于数列问题中求和类(或求积类)不等式证明,如果是通过放缩的方法进行证明的,一般有两种类型:一种是能够直接求和(或求积),再放缩;一种是不能直接求和(或求积),需要放缩后才能求和(或求积),求和(或求积)后再进行放缩.在后一种类型中,一定要注意放缩的尺度,二是要注意从哪一项开始放缩.
  例2(2015年高考陕西,理21)设fn(x)是等比数列1,x,x2,…,xn的各项和,其中x>0,n∈N,n≥2.
  (1)证明:函数Fn(x)=fn(x)-2在(12,1)内有且仅有一个零点(记为xn),且xn=12+12xn+1n;
  (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gn(x),比较fn(x)与gn(x)的大小,并加以证明.
  分析:(1)先利用零点定理可证Fn(x)在(12,1)内至少存在一个零点,再利用函数的单调性可证Fn(x)在(12,1)内有且仅有一个零点,进而利用xn是Fn(x)的零点可证xn=12+12xn+1n;(2)先设h(x)=fn(x)-gn(x),再对x的取值范围进行讨论来判断h(x)与0的大小,进而可得fn(x)和gn(x)的大小.
  解析:(1)Fn(x)=fn(x)-2=1+x+x2+…+xn-2,则Fn(1)=n-1>0,
  Fn(12)=1+12+(12)2+…+(12)n-2=1-(12)n+11-12-2=-12n<0,
  所以Fn(x)在(12,1)内至少存在一个零点xn.
  又F′n(x)=1+2x+…+nxn-1>0,故在(12,1)内单调递增,所以Fn(x)在(12,1)内有且仅有一个零点xn.
  因为xn是Fn(x)的零点,所以Fn(xn)=0,即1-xn+1n1-xn-2=0,故xn=12+12xn+1n.
  (2)解法一:由题设,gn(x)=(n+1)(1+xn)2.
  设h(x)=fn(x)-gn(x)=1+x+x2+…+xn-(n+1)(1+xn)2,x>0,
  当x=1时,fn(x)=gn(x);
  当x≠1时,h′(x)=1+2x+…+nxn-1-n(n+1)xn-12,
  若0xn-1+2xn-1+…+nxn-1-n(n+1)2xn-1=n(n+1)2xn-1-n(n+1)2xn-1=0;
  若x>1,h′(x)  所以h(x)在(0,1)上递增,在(1,+∞)上递减,所以h(x)  综上所述,当x=1时,fn(x)=gn(x);当x≠1时fn(x)  解法二:由题设,fn(x)=1+x+x2+…+xn,
  gn(x)=(n+1)(1+xn)2,x>0.   当x=1时,fn(x)=gn(x),
  当x≠1时,用数学归纳法可以证明fn(x)  当n=2时,f2(x)-g2(x)=-12(1-x)2<0,所以f2(x)  假设n=k(k≥2)时,不等式成立,
  即fk(x)  那么,当n=k+1时,
  fk+1(x)=fk(x)+xk+1  又gk+1(x)-2xk+1+(k+1)xk+k+12
  =kxk+1-(k+1)xk+12,
  令hk(x)=kxk+1-(k+1)xk+1(x>0),
  则h′k(x)=k(k+1)xk-k(k+1)xk-1
  =k(k+1)xk-1(x-1).
  所以当0  当x>1,h′k(x)>0,hk(x)在(1,+∞)上递增.
  所以hk(x)>hk(1)=0,
  从而gk+1(x)>2xk+1+(k+1)xk+k+12,
  故fk+1(x)  所以,对于一切n≥2的整数,都有fn(x)  解法三:由已知,记等差数列为{ak},等比数列为{bk},k=1,2,…,n+1.则a1=b1=1,an+1=bn+1=xn,
  所以ak=1+(k-1)·xn-1n(2≤k≤n),bk=xk-1(2≤k≤n),
  令mk(x)=ak-bk=1+(k-1)(xn-1)n-xk-1,x>0(2≤k≤n).
  当x=1时,ak=bk,所以fn(x)=gn(x).
  当x≠1时,m′k(x)=k-1nnxn-1-(k-1)xk-2=(k-1)xk-2(xn-k+1-1),
  而2≤k≤n,所以k-1>0,n-k+1≥1.
  若0  当x>1,xn-k+1>1,m′k(x)>0,
  从而mk(x)在(0,1)上递减,mk(x)在(1,+∞)上递增.所以mk(x)>mk(1)=0,
  所以当x>0且x≠1时,ak>bk(2≤k≤n),又a1=b1,an+1=bn+1,故fn(x)  综上所述,当x=1时,fn(x)=gn(x);当x≠1时fn(x)  评注:数列是考查同学们创新意识与实践精神的最好素材.从近些年的高考试题来看,一些构思精巧、新颖别致、极富思考性和挑战性的数列与方程、函数(包括三角函数)、不等式以及导数等的综合性试题不断涌现,这部分试题往往以压轴题的形式出现,考查综合运用知识的能力,突出知识的融会贯通.数列的问题难度大,往往表现在与递推数列有关,递推含义趋广,不仅有数列前后项的递推,更有关联数列的递推,更甚的是数列间的“复制”式递推;从递推形式上看,既有常规的线性递推,还有分式、三角、分段、积(幂)等形式.在考查通性通法的同时,突出考查思维能力、代数推理能力、分析问题解决问题的能力.
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