设函数 $f_n(x)=x^n(1-x)^2$ 在 $\left[\dfrac12,1\right]$ 上的最大值为 $a_n(n=1,2,3,\cdots)$.
【难度】
【出处】
2012年全国高中数学联赛四川省预赛
【标注】
-
求数列 $\{a_n\}$ 的通项公式;标注答案$a_n=\begin{cases}\dfrac18,&n=1,\\ \dfrac{4n^n}{(n+2)^{n+2}},&n\geqslant2.\end{cases}$解析对原函数求导,得$$\begin{split}f'_n(x)&=nx^{n-1}(1-x)^2-2x^n(1-x)\\ &=x^{n-1}(1-x)[n(1-x)-2x],\end{split}$$由 $f'_n(x)=0$ 知 $x=1$ 或者 $x=\dfrac{n}{n+2}$,又 $f_n(1)=0$.
情形一 当 $n=1$ 时,$$\dfrac{n}{n+2}=\dfrac13\notin\left[\dfrac12,1\right],$$又$$f_1\left(\dfrac12\right)=\dfrac18>0,$$故 $a_1=\dfrac18$;情形二 当 $n=2$ 时,$$\dfrac{n}{n+2}=\dfrac12\in\left[\dfrac12,1\right],$$又$$f_2\left(\dfrac12\right)=\dfrac{1}{16}>0,$$故 $a_2=\dfrac{1}{16}$;情形三 当 $n\geqslant3$ 时,$$\dfrac{n}{n+2}\in\left[\dfrac12,1\right],$$因为 $x\in\left[\dfrac12,\dfrac{n}{n+2}\right)$ 时,$f'_n(x)>0$;$x\in\left(\dfrac{n}{n+2},1\right)$ 时,$f'_n(x)<0$.
所以 $f_n(x)$ 在 $x=\dfrac{n}{n+2}$ 处取得最大值,即$$a_n=\left(\dfrac{n}{n+2}\right)^n\left(\dfrac{2}{n+2}\right)^2=\dfrac{4n^n}{(n+2)^{n+2}},$$检验知,$a_2=\dfrac {1}{16}$ 也满足此式.
综上所述,$$a_n=\begin{cases}\dfrac18,&n=1,\\ \dfrac{4n^n}{(n+2)^{n+2}},&n\geqslant2.\end{cases}$$ -
求证:对任何正整数 $n(n\geqslant2)$,都有 $a_n\leqslant\dfrac{1}{(n+2)^2}$ 成立;标注答案略解析当 $n\geqslant2$ 时,欲证$$\dfrac{4n^n}{(n+2)^{n+2}}\leqslant\dfrac{1}{(n+2)^2},$$只需证明 $\left(1+\dfrac2n\right)^n\geqslant4$.
因为$$\begin{split}\left(1+\dfrac2n\right)^n&=\mathrm{C}_n^0+\mathrm{C}_n^1\cdot\left(\dfrac{2}{n}\right)^1+\cdots+\mathrm{C}_n^n\cdot\left(\dfrac{2}{n}\right)^n\\&\geqslant1+2+\dfrac{n(n-1)}{2}\cdot\dfrac{4}{n^2}\\&\geqslant1+2+1=4,\end{split}$$所以当 $n\geqslant2$ 时,都有 $a_n\leqslant \dfrac{1}{(n+2)^2}$ 成立. -
设数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和为 $S_n$,求证:对任意正整数 $n$,都有 $S_n<\dfrac{7}{16}$ 成立.标注答案略解析当 $n=1,2$ 时,结论显然成立;
当 $n\geqslant3$ 时,由 $(2)$ 知\[\begin{split}S_n&=\dfrac18+\dfrac{1}{16}+a_3+a_4+\cdots+a_n\\&<\dfrac18+\dfrac{1}{16}+\dfrac{1}{5^2}+\dfrac{1}{6^2}+\cdots+\dfrac{1}{(n+2)^2}\\&<\dfrac18+\dfrac{1}{16}+\left(\dfrac14-\dfrac15\right)+\left(\dfrac15-\dfrac16\right)+\cdots+\left(\dfrac{1}{n+1}-\dfrac{1}{n+2}\right)\\&<\dfrac18+\dfrac{1}{16}+\dfrac14\\&=\dfrac{7}{16}.\end{split}\]因此,对任意正整数 $n$,都有 $S_n<\dfrac{7}{16}$ 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
问题3
答案3
解析3
备注3