已知首项为 $x_{1}$ 的数列 $\{x_{n}\}$ 满足 $x_{n+1}=\dfrac{ax_{n}}{x_{n}+1}$($a$ 为常数).
【难度】
【出处】
【标注】
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    函数
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    迭代函数
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    二阶不动点
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    数列的性质
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    研究数列性质的迭代函数法
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    数列的单调性
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    反函数
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    迭代函数
  1. 若对于任意的 $x_{1}\ne -1$,有 $x_{n+2}=x_{n}$ 对于任意的 $n\in\mathbb N^{*}$ 都成立,求 $a$ 的值;
    标注
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      二阶不动点
    答案
    $-1$
    解析
    因为$$x_{n+2}=\dfrac{ax_{n+1}}{x_{n+1}+1}=\dfrac{a\cdot \dfrac{ax_{n}}{x_{n}+1}}{\dfrac{ax_{n}}{x_{n}+1}+1}=\dfrac{a^{2}x_{n}}{(a+1)x_{n}+1},$$所以其对应的不动点方程为$$x=\dfrac{a^{2}x}{(a+1)x+1},$$即\[(a+1)x^{2}+(1-a^{2})x=0.\]由题意,任意不为 $-1$ 的实数均为该不动点方程的根,于是 $a=-1$.
    经检验,当 $a=-1$ 时符合题意.
  2. 当 $a=1$ 时,若 $x_{1}>0$,数列 $\{x_{n}\}$ 是递增数列还是递减数列?请说明理由;
    标注
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      数列的单调性
    答案
    递减数列
    解析
    当 $a=1$ 时,$$x_{n+1}=\dfrac{x_{n}}{x_{n}+1},$$所以对任意 $n\in\mathbb N^{*}$,均有 $x_{n}>0$,此时$$x_{n+1}-x_{n}=-\dfrac{x_{n}^{2}}{x_{n}+1}<0,$$所以数列 $\{x_{n}\}$ 为递减数列.
  3. 当 $a$ 确定后,数列 $\{x_{n}\}$ 由其首项 $x_{1}$ 确定,当 $a=2$ 时,通过对数列 $\{x_{n}\}$ 的探究,写出“$\{x_{n}\}$ 是有穷数列”的一个真命题(不必证明).
    标注
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      反函数
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    答案
    数列 $\{y_{n}\}$:$y_{1}=-1$,$y_{n+1}=\dfrac{y_{n}}{2-y_{n}}$.当 $x_{1}$ 取 $\{y_{n}\}$ 中的任意一项时,$\{x_{n}\}$ 是有穷数列
    解析
    $a=2$ 时,$$x_{n+1}=\dfrac{2x_{n}}{x_{n}+1},$$令 $f(x)=\dfrac{2x}{x+1}$,则 $x_{n+1}=f(x_{n})$.
    考虑 $f(x)$ 的反函数$$f^{-1}(x)=\dfrac{x}{2-x},$$则递推构造数列 $\{y_{n}\}$:$y_{1}=-1$,$y_{n+1}=\dfrac{y_{n}}{2-y_{n}}$.
    当 $x_{1}$ 取 $\{y_{n}\}$ 中的任意一项时,$\{x_{n}\}$ 是有穷数列.
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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