问题 解答题
已知二次函数f(x)=x2+ax+m+1,关于x的不等式f(x)<(2m-1)x+1-m2的解集为(m,m+1),其中m为非零常数.设g(x)=
f(x)
x-1

(1)求a的值;
(2)k(k∈R)如何取值时,函数φ(x)=g(x)-kln(x-1)存在极值点,并求出极值点;
(3)若m=1,且x>0,求证:[g(x+1)]n-g(xn+1)≥2n-2(n∈N*).
答案

(1)∵关于x的不等式f(x)<(2m-1)x+1-m2的解集为(m,m+1),

即不等式x2+(a+1-2m)x+m2+m<0的解集为(m,m+1),

∴x2+(a+1-2m)x+m2+m=(x-m)(x-m-1).

∴x2+(a+1-2m)x+m2+m=x2-(2m+1)x+m(m+1).

∴a+1-2m=-(2m+1).

∴a=-2.…(2分)

(2)解法1:由(1)得g(x)=

f(x)
x-1
=
x2-2x+m+1
x-1
=(x-1)+
m
x-1

∴φ(x)=g(x)-kln(x-1)=(x-1)+

m
x-1
-kln(x-1)的定义域为(1,+∞).

∴φ'(x)=1-

m
(x-1)2
-
k
x-1
=
x2-(2+k)x+k-m+1
(x-1)2
.…(3分)

方程x2-(2+k)x+k-m+1=0(*)的判别式△=(2+k)2-4(k-m+1)=k2+4m.…(4分)

①当m>0时,△>0,方程(*)的两个实根为x1=

2+k-
k2+4m
2
<1,x2=
2+k+
k2+4m
2
>1
,…(5分)

则x∈(1,x2)时,φ'(x)<0;x∈(x2,+∞)时,φ'(x)>0.

∴函数φ(x)在(1,x2)上单调递减,在(x2,+∞)上单调递增.

∴函数φ(x)有极小值点x2.…(6分)

②当m<0时,由△>0,得k<-2

-m
k>2
-m

k<-2

-m
,则x1=
2+k-
k2+4m
2
<1
x2=
2+k+
k2+4m
2
<1

故x∈(1,+∞)时,φ'(x)>0,

∴函数φ(x)在(1,+∞)上单调递增.

∴函数φ(x)没有极值点.…(7分)

k>2

-m
时,x1=
2+k-
k2+4m
2
>1
x2=
2+k+
k2+4m
2
>1

则x∈(1,x1)时,φ'(x)>0;x∈(x1,x2)时,φ'(x)<0;x∈(x2,+∞)时,φ'(x)>0.

∴函数φ(x)在(1,x1)上单调递增,在(x1,x2)上单调递减,在(x2,+∞)上单调递增.

∴函数φ(x)有极小值点x2,有极大值点x1.…(8分)

综上所述,当m>0时,k取任意实数,函数φ(x)有极小值点x2

当m<0时,k>2

-m
,函数φ(x)有极小值点x2,有极大值点x1.…(9分)

(其中x1=

2+k-
k2+4m
2
x2=
2+k+
k2+4m
2

解法2:由(1)得g(x)=

f(x)
x-1
=
x2-2x+m+1
x-1
=(x-1)+
m
x-1

∴φ(x)=g(x)-kln(x-1)=(x-1)+

m
x-1
-kln(x-1)的定义域为(1,+∞).

∴φ'(x)=1-

m
(x-1)2
-
k
x-1
=
x2-(2+k)x+k-m+1
(x-1)2
.…(3分)

若函数φ(x)=g(x)-kln(x-1)存在极值点等价于函数φ'(x)有两个不等的零点,且

至少有一个零点在(1,+∞)上.…(4分)

令φ'(x)=

x2-(2+k)x+k-m+1
(x-1)2
=0,

得x2-(2+k)x+k-m+1=0,(*)

则△=(2+k)2-4(k-m+1)=k2+4m>0,(**)              …(5分)

方程(*)的两个实根为x1=

2+k-
k2+4m
2
x2=
2+k+
k2+4m
2

设h(x)=x2-(2+k)x+k-m+1,

①若x1<1,x2>1,则h(1)=-m<0,得m>0,此时,k取任意实数,(**)成立.

则x∈(1,x2)时,φ'(x)<0;x∈(x2,+∞)时,φ'(x)>0.

∴函数φ(x)在(1,x2)上单调递减,在(x2,+∞)上单调递增.

∴函数φ(x)有极小值点x2.…(6分)

②若x1>1,x2>1,则

h(1)=-m>0
2+k
2
>1
m<0
k>0

又由(**)解得k>2

-m
k<-2
-m

k>2

-m
.…(7分)

则x∈(1,x1)时,φ'(x)>0;x∈(x1,x2)时,φ'(x)<0;x∈(x2,+∞)时,φ'(x)>0.

∴函数φ(x)在(1,x1)上单调递增,在(x1,x2)上单调递减,在(x2,+∞)上单调递增.

∴函数φ(x)有极小值点x2,有极大值点x1.…(8分)

综上所述,当m>0时,k取任何实数,函数φ(x)有极小值点x2

当m<0时,k>2

-m
,函数φ(x)有极小值点x2,有极大值点x1.…(9分)

(其中x1=

2+k-
k2+4m
2
x2=
2+k+
k2+4m
2

(3)证法1:∵m=1,∴g(x)=(x-1)+

1
x-1

[g(x+1)]n-g(xn+1)=(x+

1
x
)n-(xn+
1
xn
)=xn+
C1n
xn-1
1
x
+
C2n
xn-2
1
x2
+…+
Cn-1n
x•
1
xn-1
+
Cnn
1
xn
-(xn+
1
xn
)

=

C1n
xn-2+
C2n
xn-4+…+
Cn-1n
x2-n.…(10分)

令T=

C1n
xn-2+
C2n
xn-4+…+
Cn-1n
x2-n

则T=

Cn-1n
x2-n+
Cn-2n
x4-n+…+
C1n
xn-2=
C1n
x2-n+
C2n
x4-n+…+
Cn-1n
xn-2

∵x>0,

∴2T=

C1n
(xn-2+x2-n)+
C2n
(xn-4+x4-n)+…+
Cn-1n
(x2-n+xn-2)…(11分)≥
C1n
•2
xn-2x2-n
+
C2n
•2
xn-4x4-n
+…+
Cn-1n
•2
x2-nxn-2
…(12分)

=2(

C1n
+
C2n
+…+
Cn-1n
)=2(
C0n
+
C1n
+
C2n
+…+
Cn-1n
+
Cnn
-
C0n
-
Cnn
)
=2(2n-2).…(13分)

∴T≥2n-2,即[g(x+1)]n-g(xn+1)≥2n-2.…(14分)

证法2:下面用数学归纳法证明不等式(x+

1
x
)n-(xn+
1
xn
)≥2n-2.

①当n=1时,左边=(x+

1
x
)-(x+
1
x
)=0,右边=21-2=0,不等式成立;

…(10分)

②假设当n=k(k∈N*)时,不等式成立,即(x+

1
x
)k-(xk+
1
xk
)≥2k-2,

则 (x+

1
x
)k+1-(xk+1+
1
xk+1
)=(x+
1
x
)[(x+
1
x
)
k
-(xk+
1
xk
)]+(x+
1
x
)(xk+
1
xk
)-(xk+1+
1
xk+1
)
=(x+
1
x
)[(x+
1
x
)
k
-(xk+
1
xk
)]+
(xk-1+
1
xk-1
)
…(11分)≥2
x•
1
x
•(2k-2)+2
xk-1
1
xk-1
=2k+1-2.…(13分)

也就是说,当n=k+1时,不等式也成立.

由①②可得,对∀n∈N*,[g(x+1)]n-g(xn+1)≥2n-2都成立.…(14分)

单项选择题
判断题