- 数学归纳法证明不等式
- 共359题
已知f(x)=x2-alnx在(1,2]上是增函数,g(x)=x-a在(0,1)上是减函数.
(1)求a的值;
(2)设函数φ(x)=2bx-在(0,1]上是增函数,且对于(0,1]内的任意两个变量s,t,恒有f(s)≥φ(t)成立,求实数b的取值范围;
(3)设h(x)=f′(x)-g(x)-2+
,求证:[h(x)]n+2≥h(xn)+2n(n∈N*).
正确答案
(1)f′(x)=2x-,依题意,当x∈(1,2]时,f'(x)≥0恒成立,即a≤(2x2)min⇒a≤2.g′(x)=1-
,当x∈(0,1)时,g'(x)≤0恒成立,即a≥2,所以a=2.…(5分)
(2)f′(x)=2x-=
,所以f(x)在(0,1]上是减函数,最小值是f(1)=1.φ(x)=2bx-
在(0,1]上是增函数,即φ′(x)=2b+
≥0恒成立,得b≥-1,且φ(x)的最大值是φ(1)=2b-1,
由已知得1≥2b-1⇒b≤1,所以b的取值范围是[-1,1].…(5分)
(3)h(x)=f′(x)-g(x)-2+
=…=x+
,
n=1时不等式左右相等,得证;
n≥2时,[h(x)]n-h(xn)=(x+)n-(xn+
)=
xn-2+
xn-4+…+
x2-n=
[
(xn-2+x2-n)+
(xn-4+x4-n)+…+
(x2-n+xn-2)]≥
+
+…+
=2n-2,
所以[h(x)]n+2≥h(xn)+2n(n∈N*)成立.…(5分)
已知定义域为[0,1]的函数f(x)同时满足:
①对于任意的x∈[0,1],总有f(x)≥0;
②f(1)=1;
③若0≤x1≤1,0≤x2≤1,x1+x2≤1,则有f (x1+x2)≥f (x1)+f (x2).
(1)试求f(0)的值;
(2)试求函数f(x)的最大值;
(3)试证明:当x∈(,
],n∈N+时,f(x)<2x.
正确答案
(1)令x1=x2=0,依条件(3)可得f(0+0)≥2f(0),即f(0)≤0
又由条件(1)得f(0)≥0故f(0)=0(3分)
(2)任取0≤x1<x2≤1可知x2-x1∈(0,1],则
f(x2)=f[(x2-x1)+x1]≥f(x2-x1)+f(x1)≥f(x1)
于是当0≤x≤1时,有f(x)≤f(1)=1因此当x=1时,f(x)取最大值1.(8分)
(3)证明:先用数学归纳法证明:当x∈(,
](n∈N+)时,f(x)≤
10当n=1时,x∈(,1],f(x)≤f(1)=1=
,不等式成立.
当n=2时,x∈(,
],
<2x≤1,f(2x)≤1,f(2x)≥f(x)+f(x)=2f(x)
∴f(x)≤f(2x)≤
不等式成立.
20假设当n=k(k∈N+,k≥2)时,不等式成立,即x∈(,
]时,f(x)≤
则当n=k+1时,x∈(,
],记t=2x,则t=2x∈(
,
],∴f(t)≤
而f(t)=f(2x)≥2f(x),∴f(x)≤f(2x)=
f(t)≤
因此当n=k+1时不等式也成立.
由10,20知,当x∈(,
](n∈N+)时,f(x)≤
又当x∈(,
](n∈N+)时,2x>
,此时f(x)<2x.
综上所述:当x∈(,
](n∈N+)时,有f(x)<2x.(14分)
设0<a<1,f(logax)=,
(Ⅰ)求f(x)的表达式,并指出其奇偶性、单调性(不必写出证明过程);
(Ⅱ)解关于x的不等式:f(ax)+f(-2)>f(2)+f(-ax)
(Ⅲ)(理)当n∈N时,比较f(n)与n的大小.
(文)若f(x)-4的值仅在x<2时取负数,求a的取值范围.
正确答案
(Ⅰ)令t=logax,则x=at,∴f(t)=,∴f(x)=
(ax-a-x),x∈R.(2分)
∵f(-x)=f(x),∴奇函数.∵0<a<1,∴函数为增函数(2分)
(Ⅱ)∵f(ax)-f(2)>f(2)-f(ax)
∴f(ax)>f(2),ax>2,
∵0<a<1,∴x<loga2(4分)
(Ⅲ)(理料)f(1)=1,(1分)
当n≥2时,f(n)=•
=
(a+a3+a5+…a2n-1,)
=[(a+a2n-1)+(a3+a2n-3)+…+(a2n-1+a)]>
•n•2an=n(∵0<a<1)(5分)
或用数学归纳法证明:f(k+1)=af(k)+a-k>ak+ak-k∵0<a<1,
∴可令=1+α,α>0,∴ka+a-k>ka+(1+α)n≥ka+1+kα=k(a+
-1)+1>k+1
(文科)∵f(x)<4⇔x<2⇔f(x)<f(2)∴f(2)=4,a=2-(6分)
设f(x)的定义域为(0,+∞),f(x)的导函数为f'(x),且对任意正数x均有f′(x)>,
(1)判断函数F(x)=在(0,+∞)上的单调性;
(2)设x1,x2∈(0,+∞),比较f(x1)+f(x2)与f(x1+x2)的大小,并证明你的结论;
(3)设x1,x2,…xn∈(0,+∞),若n≥2,比较f(x1)+f(x2)+…+f(xn)与f(x1+x2+…+xn)的大小,并证明你的结论.
正确答案
(1)由于f′(x)>得,
>0,而x>0,
则xf′(x)-f(x)>0,
则F′(x)=>0,因此F(x)=
在(0,+∞)上是增函数.
(2)由于x1,x2∈(0,+∞),则0<x1<x1+x2,而F(x)=在(0,+∞)上是增函数,则F(x1)<F(x1+x2),即
<
,
∴(x1+x2)f(x1)<x1f(x1+x2)(1),同理 (x1+x2)f(x2)<x2f(x1+x2)(2)
(1)+(2)得:(x1+x2)[f(x1)+f(x2)]<(x1+x2)f(x1+x2),而x1+x2>0,
因此 f(x1)+f(x2)<f(x1+x2).
(3)证法1:由于x1,x2∈(0,+∞),则0<x1<x1+x2+…+xn,而F(x)=在(0,+∞)上是增函数,则F(x1)<F(x1+x2+…+xn),
即<
,
∴(x1+x2+…+xn)f(x1)>x1f(x1+x2+…+xn)
同理 (x1+x2+…+xn)f(x2)>x2f(x1+x2+…+xn)…(x1+x2+…+xn)f(xn)>xnf(x1+x2+…+xn)
以上n个不等式相加得:(x1+x2+…+xn)[f(x1)+f(x2)+…f(xn)]>(x1+x2+…+xn)f(x1+x2+…+xn)
而x1+x2+…+xn>0,f(x1)+f(x2)+…f(xn)>f(x1+x2+…+xn).
证法2:数学归纳法
①当n=2时,由(2)知,不等式成立;
②当n=k(n≥2)时,不等式f(x1)+f(x2)+…f(xn)>f(x1+x2+…+xn)成立,
即f(x1)+f(x2)+…f(xk)>f(x1+x2+…+xk)成立,
则当n=k+1时,f(x1)+f(x2)+…f(xk)+f(xk+1)>f(x1+x2+…+xk)+f(xk+1)
再由(2)的结论,f(x1+x2+…+xk)+f(xk+1)>f[(x1+x2+…+xk)+xk+1]f(x1+x2+…+xk)+f(xk+1)>f(x1+x2+…+xk+xk+1)
因此不等式f(x1)+f(x2)+…f(xn)>f(x1+x2+…+xn)对任意n≥2的自然数均成立
已知函数f(x)=ln(x+a)-x2-x在x=0处取得极值.
(Ⅰ)求实数a的值;
(II)若关于x的方程,f(x)=-x+b在区间[0,2]上恰有两个不同的实数根,求实数b的取值范围;
(III)证明:对任意的正整数n,不等式+
+…+
>ln(n+1)成立.
正确答案
(Ⅰ)f′(x)=-2x-1,∵x=0时,f(x)取得极值,
∴f'(0)=0,
故 -2×0-1=0,解得a=1.经检验a=1符合题意.
(Ⅱ)由a=1知 f(x)=ln(x+1)-x2-x,由f(x)=-x+b,得 ln(x+1)-x2+
x-b=0.
令 φ(x)=ln(x+1)-x2+x-b,
则 f(x)=-x+b在[0,2]上恰有两个不同的实数根,
等价于φ(x)=0在[0,2]上恰有两个不同实数根. φ′(x)=-2x+
=
,
当x∈(0,1)时,φ'(x)>0,于是φ(x)在[0,1]上单调递增;
当x∈(1,2)时,φ'(x)<0,于是φ(x)在[1,2]上单调递减;
依题意有,解可得ln3-1≤b<ln2+
.
(Ⅲ)f(x)=ln(x+1)-x2-x的定义域为{x|x>1}.
由(Ⅰ)知 f′(x)=.令f′(x)=0时,x=0或x=-
(舍去),
∴当-1<x<0时,f'(x)>0,f(x)单调递增;
当x>0时,f'(x)<0,f(x)单调递减.
∴f(0)为f(x)在(-1,+∞)上的最大值.
∴f(x)≤f(0),
故ln(x+1)-x2-x≤0(当且仅当x=0时,等号成立).
对任意正整数n,取 x=>0得,ln(
+1)<
+
,故ln
<
.
即ln(n+1)-lnn<
分别取n=1,2,3,…,n得:
ln(1+1)-ln1<,
ln(2+1)-ln2<,
…
ln(n+1)-lnn<.
以上n个式子相加得:+
+…+
>ln(n+1).
设函数f(x)=x2ex-1-x3-x2(x∈R).
(1)求函数y=f(x)的单调区间;
(2)求y=f(x)在[-1,2]上的最小值;
(3)当x∈(1,+∞)时,用数学归纳法证明:∀n∈N*,ex-1>.
正确答案
(1)f'(x)=2xex-1+x2ex-1-x2-2x=x(x+2)(ex-1-1),
令f'(x)=0,可得x1=-2,x2=0,x3=1.
当x变化时,f'(x),f(x)的变化情况如下表:
∴函数y=f(x)的增区间为(-2,0)和(1,+∞),减区间为(-∞,-2)和(0,1).
(2)当x∈[-1,2]时,f(-1)=-
<0,
f(2)=4(e-)>0,f(x)极小值=f(1)=-
>f(-1),f(x)极大值=f(0)=0.
所以f(x)在[-1,2]上的最小值为-
.
(3)设gn(x)=ex-1-,当n=1时,只需证明g1(x)=ex-1-x>0,当x∈(1,+∞)时,g1′(x)=ex-1-1>0,
所以g1(x)=ex-1-x在(1,+∞)上是增函数,∴g1(x)>g1(1)=e0-1=0,即ex-1>x;
当x∈(1,+∞)时,假设n=k时不等式成立,即gk(x)=ex-1->0,
当n=k+1时,
因为gk+1′(x)=ex-1-=ex-1-
>0,
所以gk+1(x)在(1,+∞)上也是增函数.
所以gk+1(x)>gk+1(1)=e0-=1-
>0,
即当n=k+1时,不等式成立.
由归纳原理,知当x∈(1,+∞)时,∀n∈N*,ex-1>.
已知a>0,数列{an}满足a1=a,an+1=a+,n=1,2,….
(I)已知数列{an}极限存在且大于零,求A=an(将A用a表示);
(II)设bn=an-A,n=1,2,…,证明:bn+1=-;
(III)若|bn|≤对n=1,2,…都成立,求a的取值范围.
正确答案
(I)由an存在,且A=
an(A>0),对an+1=a+
两边取极限得A=a+
,解得A=
.又A>0,∴A=
.
(II)由an=bn+A,an+1=a+得bn+1+A=a+
.∴bn+1=a-A+
=-
+
=-
.
即bn+1=-对n=1,2,都成立
(III)令|b1|≤,得|a-
(a+
)|≤
.
∴|(
-a)|≤
.
∴-a≤1,解得a≥
.
现证明当a≥时,|bn|≤
对n=1,2,都成立.
(i)当n=1时结论成立(已验证).
(ii)假设当n=k(k≥1)时结论成立,即|bk|≤,那么|bk+1|=
≤
×
故只须证明≤
,即证A|bk+A|≥2对a≥
成立.
由于A==
,
而当a≥时,
-a≤1,∴A≥2.
∴|bk+A|≥A-|bk|≥2-≥1,即A|bk+A|≥2.
故当a≥时,|bk+1|≤
×
=
.
即n=k+1时结论成立.
根据(i)和(ii)可知结论对一切正整数都成立.
故|bn|≤对n=1,2,都成立的a的取值范围为[
,+∞).
用数学归纳法证明不等式+
+…+
>
的过程中,由n=k推导n=k+1时,不等式的左边增加的式子是________.
正确答案
不等式的左边增加的式子是+
-
=
,故填
.
设数列{}满足:a1=2,对一切正整数n,都有
(1)探讨数列{}是否为等比数列,并说明理由;
(2)设
正确答案
(1)是,理由见解析;(2)证明过程详见解析.
试题分析:本题主要考查等比数列的定义、等比数列的证明、数学归纳法、放缩法等数学知识,考查学生的分析问题解决问题的能力、转化能力和计算能力.第一问,通过对已知表达式的移项,变形可得出数列的通项,可以用等比数列的定义证明也可以用数学归纳法证明;第二问,将第一问的结论代入,得到
表达式,法一:利用放缩法和裂项相消法证明,法二:利用数列的累加法和放缩法证明.
试题解析:⑴由得
,
∴对一切,可知
是首项为
,公比为
的等比数列. 5分
(通过归纳猜想,使用数学归纳法证明的,亦应给分)
(2)由(1)知 6分
证一:
10分
12分
证二:∵ ≥
(仅当
时等号成立),故此,
≤
10分
从而,≤
<
12分
记的展开式中,
的系数为
,
的系数为
,其中
(1)求(2)是否存在常数p,q(p
,对
,
恒成立?证明你的结论.
正确答案
(1),(2)p=-2,q=-1.
试题分析:(1)因为,所以
的系数为
,(2)计算得
,代入
,解得p=-2,q=-1,用数学归纳法证明
,①当n=2时,b2=
,结论成立;②设n=k时成立,即
,则当n=k+1时,bk+1=bk+
,由①②可得结论成立.
(1)根据多项式乘法运算法则,得;
(2)计算得,
代入,解得p=-2,q=-1,
下面用数学归纳法证明,
①当n=2时,b2=,结论成立;
②设n=k时成立,即,
则当n=k+1时,
bk+1=bk+,
由①②可得结论成立.
若不等式+
+…+
>
对一切正整数n都成立,猜想正整数a的最大值,并证明结论.
正确答案
见解析
解:当n=1时,+
+
>
,
即>
,所以a<26,而a是正整数,
所以取a=25.
下面用数学归纳法证明:
+
+…+
>
.
①当n=1时,已证;
②假设当n=k时,不等式成立,
即+
+…+
>
.
则当n=k+1时,有
+
+…+
=+
+…+
+
+
+
-
>
+[
+
-
].
因为+
=
>
,
所以+
-
>0,
所以当n=k+1时,不等式也成立.
由①②知,对一切正整数n,
都有+
+…+
>
,
所以a的最大值等于25.
已知数列{bn}是等差数列,b1=1,b1+b2+…+b10=145.
(1)求数列{bn}的通项公式bn;
(2)设数列{an}的通项an=loga(其中a>0且a≠1).记Sn是数列{an}的前n项和,试比较Sn与
logabn+1的大小,并证明你的结论.
正确答案
(1)bn=3n-2.(2)当a>1时,Sn>logabn+1,当0<a<1时,Sn<
logabn+1
(1)设数列{bn}的公差为d,
由题意得
∴bn=3n-2.
(2)由bn=3n-2,知Sn=loga(1+1)+loga+…+loga
=loga
而logabn+1=loga
,于是,比较Sn与
logabn+1的大小比较
(1+1)与
的大小.
取n=1,有1+1=>
=
,
取n=2,有(1+1)>
>
=
.
推测(1+1)…
>
,(*)
①当n=1时,已验证(*)式成立;
②假设n=k(k≥1)时(*)式成立,即(1+1)>
,
则当n=k+1时,
(1+1)>
.
∵-
=
>0,∴
,
从而(1+1),即当n=k+1时,(*)式成立.由①②知(*)式对任意正整数n都成立.于是,当a>1时,Sn>
logabn+1,当0<a<1时,Sn<
logabn+1
已知,
是函数
的两个零点,其中常数
,
,设
.
(Ⅰ)用,
表示
,
;
(Ⅱ)求证:;
(Ⅲ)求证:对任意的.
正确答案
(Ⅰ)(Ⅱ)详见解析,(Ⅲ)详见解析.
试题分析:(Ⅰ)由题意得:,
.因为
,所以
.
.对抽象的求和符号具体化处理,是解答本题的关键.(Ⅱ)
而
,(Ⅲ)用数学归纳法证明有关自然数的命题. (1)当
时,由(Ⅰ)问知
是整数,结论成立.(2)假设当
(
)时结论成立,即
都是整数,由(Ⅱ)问知
.即
时,结论也成立.
解:(Ⅰ)由,
.
因为,所以
.
. 3分
(Ⅱ)由,得
.
即,同理,
.
所以.
所以. 8分
(Ⅲ)用数学归纳法证明.
(1)当时,由(Ⅰ)问知
是整数,结论成立.
(2)假设当(
)时结论成立,即
都是整数.
由,得
.
即.
所以,
.
所以.
即.
由都是整数,且
,
,所以
也是整数.
即时,结论也成立.
由(1)(2)可知,对于一切,
的值都是整数. 13分
是否存在常数a,b使等式对于一切n∈N*都成立?若存在,求出a,b的值,若不存在,请说明理由。
正确答案
详见解析.
试题分析:先假设存在符合题意的常数a,b,c,再令n=1,n=2,n=3构造三个方程求出a,b,c,再用用数学归纳法证明成立,证明时先证:(1)当n=1时成立.(2)再假设n=k(k≥1)时,成立,递推到n=k+1时,成立即可.
试题解析:解:若存在常数a,b使得等式成立,将n=1,n=2代入等式
有:
即有: 4分
对于n为所有正整数是否成立,再用数学归纳法证明
证明:(1)当n=1时,等式成立。 5分
(2)假设n=k时等式成立,即
7分
当n=k+1时,即
11分
也就是说n=k+1时,等式成立,
由(1)(2)可知等式对于任意的n∈N*都成立。 12分.
求证:32n+2-8n-9(n∈N*)能被64整除.
正确答案
(1)当n=1时,式子32n+2-8n-9=34-8-9=64能被64整除,命题成立.…2分
(2)假设当n=k时,32k+2-8k-9能够被64整除. …4分
当n=k+1时,
32k+4-8(k+1)-9
=9[32k+2-8k-9]+64k+64
=9[32k+2-8k-9]+64(k+1)…8分
因 为32k+2-8k-9能够被64整除,
∴9[32k+2-8k-9]+64(k+1)能够被64整除. …10分
即当n=k+1时,命题也成立.
由(1)(2)可知,32n+2-8n-9(n∈N*)能被64整除.…12分
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