2022年中科大创新班函数问题解答

(2022年中科大创新班)设
fn(x)=1x+x22!++(x)nn!,nN,xR.

(1)证明:方程f2n1(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x0时,显然fn(x)>0,故只需考虑x>0的情况即可.



g2n1(x)=exf2n1(x)=ex(1x+x22!+x2n1(2n1)!),

g2n1(x)=exx2n1(2n1)!.


x>0时,
g2n1(x)=exx2n1(2n1)!<0.
g2n1(x)(0,+)上单调递减.

g2n1(0)=1>0,而
g2n1(x)=exk=1n[x2k2(2k2)!x2k1(2k1)!]=exk=1nx2k2(2k1)!(2k1x),

g2n1(2n1)=exk=1n(2n1)2k2(2k1)!(2k2n)<0.
由零点存在定理可知方程g2n1(x)=0(0,2n1)上有唯一正数解an.即f2n1(x)=0(0,2n1)上有唯一正数解an.

(2)注意到
g2n+1(x)=g2n1(x)+ex(x2n(2n)!x2n+1(2n+1)!),

g2n+1(an)=g2n1(an)+ex(an2n(2n)!an2n+1(2n+1)!)=ex(an2n(2n)!an2n+1(2n+1)!)=ex(an2n(2n+1)!(2n+1an))>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x0时,显然fn(x)>0,故只需考虑x>0的情况即可.

由于
f2n1(x)=1x+x22!+x2n1(2n1)!,

f2n1(x)=1+xx22!+x2n2(2n2)!=f2n2(x).
同理可得f2n(x)=f2n1.

下面用数学归纳法证明:函数f2n1(x)单调递减,有唯一正零点an(0,2n1),而f2n2(x)>0.

(a)当n=1时,函数f1(x)=1x单调递减,有唯一正零点x=a1=1,由f2(x)=f1(x)可知f2(x)(,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f2k1(x)单调递减,有唯一正零点ak(0,2k1),而f2k2(x)>0.

f2k(x)=f2k1(x)可知f2k(x)(,ak)上单调递减,在[ak,+)上单调递增,故
f2k(x)f2k(ak)=f2k1(ak)+ak2k(2k)!=ak2k(2k)!>0.
再由f2k+1(x)=f2k(x)可知f2k+1(x)R上单调递减.

f2k+1(0)=1>0,再由
f2k+1(x)=m=0k[x2m(2m)!x2m+1(2m+1)!]=m=0kx2m(2m+1)!(2m+1x)
可知
f2k+1(2k+1)=m=0k(2k+1)2m(2m+1)!(2m2k)<0.
由零点存在定理可知方程f2k+1(x)=0(0,2k+1)上有唯一正零点ak+1.

n=k+1时结论也成立.

综上所述,对任意正整数n,函数f2n1(x)单调递减,有唯一正零点an(0,2n1),而f2n2(x)>0.即方程f2n1(x)=0有唯一实数解.


(2)注意到
f2n+1(x)=f2n1(x)+x2n(2n)!x2n+1(2n+1)!,

f2n+1(an)=f2n1(an)+an2n(2n)!an2n+1(2n+1)!=an2n(2n)!an2n+1(2n+1)!=an2n(2n+1)!(2n+1an)>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.

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