(2022年中科大创新班)设
fn(x)=1−x+x22!+⋯+(−x)nn!,n∈N∗,x∈R.
(1)证明:方程f2n−1(x)=0有唯一实数解,记作an.
(2)数列{an}是否为单调数列?请证明你的结论.
解法一. (1)当x⩽0时,显然fn(x)>0,故只需考虑x>0的情况即可.
令
g2n−1(x)=exf2n−1(x)=ex(1−x+x22!+⋯−x2n−1(2n−1)!),
则
g′2n−1(x)=−exx2n−1(2n−1)!.
当x>0时,
g′2n−1(x)=−exx2n−1(2n−1)!<0.
故g2n−1(x)在(0,+∞)上单调递减.
又g2n−1(0)=1>0,而
g2n−1(x)=exn∑k=1[x2k−2(2k−2)!−x2k−1(2k−1)!]=exn∑k=1x2k−2(2k−1)!(2k−1−x),
故
g2n−1(2n−1)=exn∑k=1(2n−1)2k−2(2k−1)!(2k−2n)<0.
由零点存在定理可知方程g2n−1(x)=0在(0,2n−1)上有唯一正数解an.即f2n−1(x)=0在(0,2n−1)上有唯一正数解an.
(2)注意到
g2n+1(x)=g2n−1(x)+ex(x2n(2n)!−x2n+1(2n+1)!),
则
g2n+1(an)=g2n−1(an)+ex(a2nn(2n)!−a2n+1n(2n+1)!)=ex(a2nn(2n)!−a2n+1n(2n+1)!)=ex(a2nn(2n+1)!(2n+1−an))>0=g2n+1(an+1),
再由函数g2n+1(x)单调递减可知an<an+1,故数列{an}单调递增.
解法二. (1)当x⩽0时,显然fn(x)>0,故只需考虑x>0的情况即可.
由于
f2n−1(x)=1−x+x22!+⋯−x2n−1(2n−1)!,
则
f′2n−1(x)=−1+x−x22!+⋯−x2n−2(2n−2)!=−f2n−2(x).
同理可得f′2n(x)=−f′2n−1.
下面用数学归纳法证明:函数f2n−1(x)单调递减,有唯一正零点an∈(0,2n−1),而f2n−2(x)>0.
(a)当n=1时,函数f1(x)=1−x单调递减,有唯一正零点x=a1=1,由f′2(x)=−f1(x)可知f2(x)在(−∞,1]上递减,在(1,+∞)上递增,故f2(x)⩾f2(1)=12>0.
(b)当n=k时,假设函数f2k−1(x)单调递减,有唯一正零点ak∈(0,2k−1),而f2k−2(x)>0.
由f′2k(x)=−f2k−1(x)可知f2k(x)在(−∞,ak)上单调递减,在[ak,+∞)上单调递增,故
f2k(x)⩾f2k(ak)=f2k−1(ak)+a2kk(2k)!=a2kk(2k)!>0.
再由f′2k+1(x)=−f2k(x)可知f2k+1(x)在R上单调递减.
而f2k+1(0)=1>0,再由
f2k+1(x)=k∑m=0[x2m(2m)!−x2m+1(2m+1)!]=k∑m=0x2m(2m+1)!(2m+1−x)
可知
f2k+1(2k+1)=k∑m=0(2k+1)2m(2m+1)!(2m−2k)<0.
由零点存在定理可知方程f2k+1(x)=0在(0,2k+1)上有唯一正零点ak+1.
故n=k+1时结论也成立.
综上所述,对任意正整数n,函数f2n−1(x)单调递减,有唯一正零点an∈(0,2n−1),而f2n−2(x)>0.即方程f2n−1(x)=0有唯一实数解.
(2)注意到
f2n+1(x)=f2n−1(x)+x2n(2n)!−x2n+1(2n+1)!,
则
f2n+1(an)=f2n−1(an)+a2nn(2n)!−a2n+1n(2n+1)!=a2nn(2n)!−a2n+1n(2n+1)!=a2nn(2n+1)!(2n+1−an)>0=f2n+1(an+1),
再由函数f2n+1(x)单调递减可知an<an+1,故数列{an}单调递增.
【推荐】国内首个AI IDE,深度理解中文开发场景,立即下载体验Trae
【推荐】编程新体验,更懂你的AI,立即体验豆包MarsCode编程助手
【推荐】抖音旗下AI助手豆包,你的智能百科全书,全免费不限次数
【推荐】轻量又高性能的 SSH 工具 IShell:AI 加持,快人一步
· Manus重磅发布:全球首款通用AI代理技术深度解析与实战指南
· 被坑几百块钱后,我竟然真的恢复了删除的微信聊天记录!
· 没有Manus邀请码?试试免邀请码的MGX或者开源的OpenManus吧
· 园子的第一款AI主题卫衣上架——"HELLO! HOW CAN I ASSIST YOU TODAY
· 【自荐】一款简洁、开源的在线白板工具 Drawnix