已知函数 $f \left( x \right) = x - \ln \left( x + a \right) $ 的最小值为 $0$,其中 $a > 0$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求 $a$ 的值;
    标注
    答案
    解析
    $ f\left(x\right) $ 的定义域为 $ \left(-a,+\infty \right) $.\[ f'\left(x\right)=1-{\dfrac{1}{x+a}}={\dfrac{x+a-1}{x+a}}. \]由 $ f'\left(x\right)=0 $,得\[ x=1-a>-a. \]当 $ x $ 变化时,$ f'\left(x\right),f\left(x\right) $ 的变化情况如下表:\[\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline
    x &\left(-a,1-a\right)& 1-a &\left(1-a,+\infty \right)\\ \hline
    f'\left(x\right)& -& 0& +\\ \hline
    f\left(x\right) & \searrow&极小值&\nearrow\\ \hline\end{array} \]因此,$ f\left(x\right) $ 在 $ x=1-a $ 处取得最小值,故由题意\[ f\left(1-a\right)=1-a=0, \]所以 $a=1$.
  2. 若对任意的 $x \in \left[ 0 , + \infty \right) $,有 $f \left( x \right) \leqslant k{x^2}$ 成立,求实数 $k$ 的最小值;
    标注
    答案
    解析
    当 $ k\leqslant 0 $ 时,取 $ x=1 $,有 $ f\left(1\right)=1-\ln 2>0 $,故 $ k\leqslant 0 $ 不合题意;
    当 $ k>0 $ 时,令 $ g\left(x\right)=f\left(x\right)-kx^2 $,即\[\begin{split} g\left(x\right)&=x-\ln \left(x+1\right)-kx^2,\\g'\left(x\right)&={\dfrac{x}{x+1}}-2kx={\dfrac{-x\left[2kx-\left(1-2k\right)\right]}{x+1}}.\end{split} \]令 $ g'\left(x\right)=0 $,得\[ x_1=0,x_2={\dfrac{1-2k}{2k}}>-1.\](i)当 $ k\geqslant {\dfrac{1}{2}} $ 时,${\dfrac{1-2k}{2k}}\leqslant 0 $,$ g'\left(x\right)<0 $ 在 $ \left(0,+\infty \right) $ 上恒成立,因此 $ g\left(x\right) $ 在 $ \left[0,+\infty \right) $ 上单调递减.
    从而对于任意的 $ x\in \left[0,+\infty \right) $,总有 $ g\left(x\right)\leqslant g\left(0\right)=0 $,即 $ f\left(x\right)\leqslant kx^2 $ 在 $ \left[0,+\infty \right) $ 上恒成立.
    故 $ k\geqslant {\dfrac{1}{2}} $ 符合题意.
    (ii)当 $ 0<k<{\dfrac{1}{2}} $ 时,$ {\dfrac{1-2k}{2k}}>0 $,对于 $ x\in \left(0,{\dfrac{1-2k}{2k}}\right)$,$g'\left(x\right)>0 $,故 $ g\left(x\right) $ 在 $\left( 0,{\dfrac{1-2k}{2k}} \right)$ 内单调递增.
    因此当取 $ x_0\in \left( 0,{\dfrac{1-2k}{2k}} \right)$ 时,$ g\left(x_0\right)>g\left(0\right)=0 $,即 $ f\left(x_0\right)\leqslant kx^2_0 $ 不成立.
    故 $ 0<k<{\dfrac{1}{2}} $ 不合题意.
    综上,$ k $ 的最小值为 $ {\dfrac{1}{2}} $.
  3. 证明:$\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {\dfrac{2}{2i - 1}} - \ln \left(2 n + 1 \right) < 2 \left( n \in {\mathbb{N}} ^ * \right) $.
    标注
    答案
    解析
    当 $ n=1 $ 时,不等式左边 $ =2-\ln 3<2= $ 右边,所以不等式成立.
    当 $ n\geqslant 2 $ 时,\[\begin{split}\sum ^ n _{i=1} f \left({\dfrac{2}{2i-1}}\right) &=\sum ^n_{ i=1}\left[ {\dfrac{2}{2i-1}}-\ln \left(1+{\dfrac{2}{2i-1}}\right)\right] \\&
    =\sum ^n_{ i=1} {\dfrac{2}{2i-1}}-\sum ^ n_{ i=1 }\left[\ln \left(2i+1\right)-\ln \left(2i-1\right)\right]\\&
    =\sum ^ n _{i=1} {\dfrac{2}{2i-1}}-\ln \left(2n+1\right). \end{split} \]在(2)中取 $ k={\dfrac{1}{2}} $,得 $ f\left(x\right)\leqslant {\dfrac{x^2}{2}}\left(x\geqslant 0\right)$,从而\[ f \left({\dfrac{2}{2i-1}}\right) \leqslant {\dfrac{2}{\left(2i-1\right)^2}}<{\dfrac{2}{\left(2i-3\right)\left(2i-1\right)}}\left(i\in {\mathbb{N}}^*,i\geqslant 2\right),\]所以有\[\begin{split} \sum ^ n_{ i=1} {\dfrac{2}{2i-1}}-\ln \left(2n+1\right)&=\sum ^ n _{i=1} f \left({\dfrac{2}{2i-1}}\right) \\&=f\left(2\right)+\sum ^n _{i=2 }f \left({\dfrac{2}{2i-1}}\right)\\& <2-\ln 3+\sum ^n _{i=2 }{\dfrac{2}{\left(2i-3\right)\left(2i-1\right)}}\\&=2-\ln 3+\sum^ n _{i=2 } \left({\dfrac{1}{2i-3}}-{\dfrac{1}{2i-1}} \right)\\&=2-\ln 3+1-{\dfrac{1}{2n-1}}\\&<2.\end{split} \]综上\[ \sum ^ n _{i=1} {\dfrac{2}{2i-1}}-\ln \left(2n+1\right)<2,n\in {\mathbb{N}}^*. \]
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
0.143915s