函数 $f\left( x \right) = \ln \left( {x + 1} \right) - \dfrac{ax}{x + a}$ $\left( {a > 1} \right)$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 讨论 $f\left( x \right)$ 的单调性;
    标注
    答案
    ① 当 $1 < a < 2$ 时,$f\left( x \right)$ 在 $\left( { - 1,{a^2} - 2a} \right)$ 上是增函数;在 $\left( {{a^2} - 2a,0} \right)$ 上是减函数;在 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上是增函数.
    ② 当 $a = 2$ 时,$f\left( x \right)$ 在 $\left( { - 1, + \infty } \right)$ 上是增函数.
    ③ 当 $a > 2$ 时,$f\left( x \right)$ 在 $\left( { - 1,0} \right)$ 上是增函数;在 $\left( {0,{a^2} - 2a} \right)$ 上是减函数;在 $\left( {{a^2} - 2a, + \infty } \right)$ 上是增函数.
    解析
    本小问是利用导数研究函数的单调性,导函数的正负决定函数的单调性,核心函数是二次函数,需要对其零点位置进行讨论.可利用导数研究 $f\left(x\right)$ 的单调性.
    $f\left( x \right)$ 的定义域为 $ \left( { - 1, + \infty } \right) $,其导数为\[f'\left( x \right) = \dfrac{{x\left[ {x - \left( {{a^2} - 2a} \right)} \right]}}{{\left( {x + 1} \right){{\left( {x + a} \right)}^2}}}.\]① 当 $1 < a < 2$ 时,
    若 $x \in \left( { - 1,{a^2} - 2a} \right)$,则 $f'\left( x \right) > 0$,$f\left( x \right)$ 在 $\left( { - 1,{a^2} - 2a} \right)$ 上是增函数;
    若 $x \in \left[ {{a^2} - 2a,0} \right]$,则 $f'\left( x \right) \leqslant 0$,$f\left( x \right)$ 在 $\left( {{a^2} - 2a,0} \right)$ 上是减函数;
    若 $x \in \left( {0, + \infty } \right) $,则 $f'\left( x \right) > 0$,$f\left( x \right)$ 在 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上是增函数.
    ② 当 $a = 2$ 时,$f'\left( x \right) \geqslant 0$,$f'\left( x \right) = 0$ 成立当且仅当 $x = 0$,$f\left( x \right)$ 在 $\left( { - 1, + \infty } \right)$ 上是增函数.
    ③ 当 $a > 2$ 时,
    若 $x \in \left( { - 1,0} \right)$,则 $f'\left( x \right) > 0$,$f\left( x \right)$ 在是 $\left( { - 1,0} \right)$ 上是增函数;
    若 $x \in \left[ {0,{a^2} - 2a} \right]$,则 $f'\left( x \right) \leqslant 0$,$f\left( x \right)$ 在 $\left( {0,{a^2} - 2a} \right)$ 上是减函数;
    若 $x \in \left( {{a^2} - 2a, + \infty } \right)$,则 $f'\left( x \right) > 0$,$f\left( x \right)$ 在 $\left( {{a^2} - 2a, + \infty } \right)$ 上是增函数.
  2. 设 ${a_1} = 1$,${a_{n + 1}} = \ln \left({a_n} + 1\right)$,证明:$\dfrac{2}{{n{ + }2}} < {a_n} \leqslant \dfrac{3}{n + 2}$.
    标注
    答案
    略.
    解析
    取合适的 $a$ 值,利用第(1)问中的单调性,辅助证明不等式,有关数列的不等式的证明问题,常用数学归纳法证明.由(1)知,当 $a = 2$ 时,$f\left( x \right)$ 在 $\left( { - 1, + \infty } \right)$ 是增函数.
    当 $x \in \left( {0, + \infty } \right)$ 时,$f\left( x \right) > f\left( 0 \right) = 0$,即\[\ln \left( {x + 1} \right) > \dfrac{2x}{x + 2}\left( {x > 0} \right).\]又由(1)知,当 $a = 3$ 时,$f\left( x \right)$ 在 $\left[ {0,3} \right)$ 上是减函数;
    当 $x \in \left( {0,3} \right)$ 时,$f\left( x \right) < f\left( 0 \right) = 0$,即\[\ln \left( {x + 1} \right) < \dfrac{3x}{x + 3}\left( {0 < x < 3} \right).\]下面用数学归纳法证明\[\dfrac{2}{n + 2} < {a_n} \leqslant \dfrac{3}{n + 2}.\]① 当 $n = 1$ 时,由已知 $\dfrac{2}{3} < {a_1} = 1$,故结论成立;
    ② 假设当 $n = k$ 时结论成立,即\[\dfrac{2}{k + 2} < {a_k} \leqslant \dfrac{3}{k + 2}.\]当 $n = k + 1$ 时,则\[ {a_{k + 1}} = \ln \left( {{a_k} + 1} \right) > \ln \left( {\dfrac{2}{k + 2} + 1} \right) > \dfrac{{2 \times \dfrac{2}{k + 2}}}{{\dfrac{2}{k + 2} + 2}} = \dfrac{2}{k + 3}, \\ {a_{k + 1}} = \ln \left( {{a_k} + 1} \right) \leqslant \ln \left( {\dfrac{3}{k + 2} + 1} \right) < \dfrac{{3 \times \dfrac{3}{k + 2}}}{{\dfrac{3}{k + 2} + 3}} = \dfrac{3}{k + 3}, \]即当 $n = k + 1$ 时有 $\dfrac{2}{k + 3} < {a_{k+1}} \leqslant \dfrac{3}{k + 3}$,结论成立.
    根据 ①、② 知对任何 $n \in {{\mathbb{N}} ^ *}$ 结论都成立.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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