已知函数 $f(x)=\ln(x+1)+\dfrac a2x^2-x$,其中 $a\geqslant 0$.
$(1)$ 若 $f(x)>0$ 对 $x\in(0,+\infty)$ 都成立,求 $a$ 的取值范围;
$(2)$ 已知 $\mathrm{e}$ 为自然对数的底数,求证:$\forall n\in\mathbb N^*$,$\sqrt{\mathrm{e}}<\displaystyle\prod_{k=1}^n\left(1+\dfrac{k}{n^2}\right)<\mathrm{e}$.
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
$(1)\quad a\geqslant 1$;$(2)$ 见解析
【解析】
$(1)$ 对 $f(x)$ 求导得 $f'(x)=\dfrac1{x+1}+ax-1$,$ f''(x)=\dfrac{-1}{(x+1)^2}+a$.
情形一当 $ a\geqslant 1 $,$ f''(x)>f''(0)=a-1\geqslant 0 $,此时 $ f'(x)$ 单调递增,$f'(x)$ $>f'(0)$ $=ax\geqslant 0$ 于是 $ f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 单调递增,恒有 $ f(x)>f(0)=0 $,故 $ a\geqslant 1 $ 符题设.
情形二当 $ 0<a<1$,$\exists x_0=\dfrac1a-1>0$,使得 $f''(x_0)=0$.此时在 $(0,x_0)$ 上,有 $f''(x)$ 为负,故 $f'(x)$ 单调递减,且 $f'(x)<f'(0)=0$,于是 在 $(0,x_0)$ 上 $f(x)$ 单调递减,且 $f(x)<f(0)=0$,不符题设舍去.
情形三当 $a=0$ 时,$f(x)=\ln(x+1)-x<0,x>0$ 恒成立,不符题设舍去.
综上可得 $a\geqslant 1$.
$(2)$ 先证右边$$ \displaystyle\sum_{k=1}^{n}\ln\left(1+\dfrac k{n^2}\right)<
\sum_{k=1}^{n}\dfrac{k}{n^2}=\dfrac1{n^2}\cdot\dfrac{n(n+1)}{2}=\dfrac12+\dfrac1{2n}\leqslant 1.$$因此 $\displaystyle\prod_{k=1}^{n}\left(1+\dfrac k{n^2}\right)<\mathrm{e}$ 得证.再证左边,显然 $n=1$ 时不等式成立,故仅需考察 $n\geqslant 2$ 的情况,由于当 $a=1\wedge x>0$ 时,恒有 $f(x)>0$,即 $\ln (1+x)>x-\dfrac12x^2,$ 因此$$ \displaystyle\sum_{k=1}^{n}\ln\left(1+\dfrac k{n^2}\right)>\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\left[\dfrac k{n^2}-\dfrac12\cdot\left(\dfrac k{n^2}\right)^2\right]=\dfrac12+\dfrac{(4n+1)(n-1)}{12n^3}>\dfrac12,$$故 $\displaystyle\prod_{k=1}^{n}\left(1+\dfrac k{n^2}\right)>\sqrt{\mathrm{e}}$ 得证.综上原命题证毕.
答案 解析 备注
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