已知 $f(x)$ 为二次函数,不等式 $f(x)+2<0$ 的解集为 $\left(-1,\dfrac{1}{3}\right)$,且对任意 $\alpha,\beta\in\mathbb R$,恒有 $f(\sin\alpha)\leqslant 0$,$f(2+\cos \beta)\geqslant 0$.数列 $\{a_{n}\}$ 满足 $a_{1}=1$,$3a_{n+1}=1-\dfrac{1}{f'(a_{n})}(n\in\mathbb N^{*})$.
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
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    函数
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    常见初等函数
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    二次函数
  • 题型
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    数列
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    求数列的通项公式
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    数列
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    数列的通项公式
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    求数列通项的不动点法
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    数列求和
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    数列
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    数列的求和方法
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    数列的分组求和
  1. 求函数 $f(x)$ 的解析式;
    标注
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      函数
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      常见初等函数
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      二次函数
    答案
    $f(x)=\dfrac{3}{2}x^{2}+x-\dfrac{5}{2}$
    解析
    依题意,$f(x)+2=a(x+1)\left(x-\dfrac{1}{3}\right)(a>0)$,即\[f(x)=ax^{2}+\dfrac{2a}{3}x-\dfrac{a}{3}-2.\]令 $\alpha=\dfrac{\pi}{2}$,$\beta=\pi$,则$$\sin\alpha=1 , \cos\beta=-1,$$由$$f(1)\leqslant 1 , f(2-1)\geqslant 0,$$得\[f(1)=0,\]即$$a+\dfrac{2a}{3}-\dfrac{a}{3}-2=0,$$解得 $a=\dfrac{3}{2}$,因此$$f(x)=\dfrac{3}{2}x^{2}+x-\dfrac{5}{2}.$$
  2. 设 $b_{n}=\dfrac{1}{a_{n}}$,求数列 $\{b_{n}\}$ 的通项公式;
    标注
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      求数列的通项公式
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      数列的通项公式
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      求数列通项的不动点法
    答案
    $b_{n}=3n-2,n\in\mathbb N^{*}$
    解析
    $f'(x)=3x+1$,则\[\begin{split}3a_{n+1}&=1-\dfrac{1}{f'(a_{n})}\\ &=1-\dfrac{1}{3a_{n}+1}\\ &=\dfrac{3a_{n}}{3a_{n}+1},\end{split}\]即$$a_{n+1}=\dfrac{a_{n}}{3a_{n}+1},$$两边取倒数,得\[\dfrac{1}{a_{n+1}}=3+\dfrac{1}{a_{n}},\]即 $b_{n+1}=3+b_{n}$.
    所以数列 $\{b_{n}\}$ 是首项为 $b_{1}=\dfrac{1}{a_{1}}=1$,公差为 $3$ 的等差数列,所以$$b_{n}=1+(n-1)\cdot 3=3n-2(n\in\mathbb N^{*}).$$
  3. 若 $(2)$ 中数列 $\{b_{n}\}$ 的前 $n$ 项和为 $S_{n}$,求数列 $\left\{S_{n}\cdot \cos\left(b_{n}\pi\right)\right\}$ 的前 $n$ 项和 $T_{n}$.
    标注
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      数列的分组求和
    答案
    $T_{n}=\begin{cases}\dfrac{-3n^{2}-2n+1}{4},&2\nmid n,\\ \dfrac{3n^{2}+2n}{4},&2\mid n.\end{cases}$
    解析
    因为$$\cos(b_{n}\pi)=\cos(3n-2)\pi=\cos(n\pi)=(-1)^{n},$$所以$$S_{n}\cdot \cos(b_{n}\pi)=(-1)^{n}\cdot S_{n},$$故\[T_{n}=-S_{1}+S_{2}-S_{3}+S_{4}-\cdots+(-1)^{n}S_{n}.\]情形一 当 $n$ 为偶数时,\[\begin{split}T_{n}&=(S_{2}-S_{1})+(S_{4}-S_{3})+\cdots+(S_{n}-S_{n-1})\\&=b_{2}+b_{4}+\cdots+b_{n}\\&=\dfrac{\dfrac{n}{2}(b_{2}+b_{4})}{2}\\&=\dfrac{n}{4}(4+3n-2)\\&=\dfrac{3n^{2}+2n}{4}.\end{split}\]情形二 当 $n$ 奇数时,\[\begin{split}T_{n}&=T_{n-1}-S_{n}\\ &=\dfrac{3(n-1)^{2}+2(n-1)}{4}-\dfrac{n(1+3n-2)}{2}\\ &=\dfrac{-3n^{2}-2n+1}{4}.\end{split}\]综上,$T_{n}=\begin{cases}\dfrac{-3n^{2}-2n+1}{4},&2\nmid n,\\ \dfrac{3n^{2}+2n}{4},&2\mid n.\end{cases}$
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 问题3 答案3 解析3 备注3
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