设函数 ${f_n}\left( x \right) = - 1 + x + \dfrac{{{x^2}}}{{{2^2}}} + \dfrac{{{x^3}}}{{{3^2}}} + \cdots + \dfrac{{{x^n}}}{{{n^2}}}$($n=1,2,\cdots$),证明:
【难度】
【出处】
2013年高考安徽卷(理)
【标注】
  • 知识点
    >
    函数
    >
    函数的图象与性质
    >
    函数的零点
  • 知识点
    >
    函数
    >
    函数的图象与性质
    >
    函数的零点
  • 方法
    >
    思考方式
    >
    递推与递归
  1. 对每个 $n \in {{\mathbb{N}}^*}$,存在唯一的 $x_n$,满足 ${f_n}\left( {{x_n}} \right) = 0$;
    标注
    • 知识点
      >
      函数
      >
      函数的图象与性质
      >
      函数的零点
    答案
    解析
    ${f_n}\left( x \right)$ 单调递增;
    当 $n = 1$ 时,${f_n}\left( {\dfrac{2}{3}} \right) = - \dfrac{1}{3} < 0$;
    当 $n \geqslant 2$ 时,根据题意\[\begin{split}{f_n}\left( {\dfrac{2}{3}} \right) &= - 1 + \dfrac{2}{3} + \dfrac{1}{{{2^2}}} \cdot {\left( {\dfrac{2}{3}} \right)^2} + \dfrac{1}{{{3^2}}} \cdot {\left( {\dfrac{2}{3}} \right)^3} + \cdots + \dfrac{1}{{{n^2}}} \cdot {\left( {\dfrac{2}{3}} \right)^n}
    \\&< - 1 + \dfrac{2}{3} + \dfrac{1}{{{2^2}}}\left[ {{{\left( {\dfrac{2}{3}} \right)}^2} + {{\left( {\dfrac{2}{3}} \right)}^3} + \cdots + {{\left( {\dfrac{2}{3}} \right)}^n}} \right]\\& < - \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{4} \cdot \dfrac{{{{\left( {\dfrac{2}{3}} \right)}^2}}}{{1 - \dfrac{2}{3}}}= 0,\end{split}\]又 ${f_n}\left( 1 \right) \geqslant 0$,综上所述,原命题得证.
  2. 对任意 $p \in {{\mathbb{N}}^*}$,由 $(1)$ 中 ${x_n}$ 构成的数列 $\left\{ {{x_n}} \right\}$ 满足 $0 < {x_n} - {x_{n + p}} < \dfrac{1}{n}$.
    标注
    • 知识点
      >
      函数
      >
      函数的图象与性质
      >
      函数的零点
    • 方法
      >
      思考方式
      >
      递推与递归
    答案
    解析
    根据题意 ${f_n}\left( {{x_n}} \right) = 0$,${f_{n + p}}\left( {{x_{n + p}}} \right) = 0$,而$$\forall p \in {\mathbb N^*} , {f_{n + p}}\left( {{x_n}} \right) = - 1 + \sum\limits_{k = 1}^n {\dfrac{{x_n^k}}{{{k^2}}} + \sum\limits_{k = n + 1}^{n + p} {\dfrac{{x_n^k}}{{{k^2}}}} } = {f_n}\left( {{x_n}} \right) + \sum\limits_{k = n + 1}^{n + p} {\dfrac{{x_n^k}}{{{k^2}}}} > {f_n}\left( {{x_n}} \right) = 0,$$于是 $\forall p \in {\mathbb N^*} , {x_{n + p}} < {x_n}$,即$$\forall p \in {\mathbb N^*} , {x_n} - {x_{n + p}} > 0.$$由 ${f_n}\left( {{x_n}} \right) = 0$ 得$${x_n} = 1 - \sum\limits_{k = 2}^n {\dfrac{{x_n^k}}{{{k^2}}}},$$由 ${f_{n + p}}\left( {{x_{n + p}}} \right) = 0$ 得$${x_{n + p}} = 1 - \sum\limits_{k = 2}^{n + p} {\dfrac{{x_{n + p}^k}}{{{k^2}}}},$$两式相减,有$${x_n} - {x_{n + p}} = \sum\limits_{k = 2}^n {\dfrac{{x_{n + p}^k - x_n^k}}{{{k^2}}}} + \sum\limits_{k = n + 1}^{n + p} {\dfrac{{x_{n + p}^k}}{{{k^2}}}}< \sum\limits_{k = n + 1}^{n + p} {\dfrac{1}{{{k^2}}}} < \dfrac{1}{n} - \dfrac{1}{{n + p}} < \dfrac{1}{n},$$综上所述,原命题得证.
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
0.107509s