问题 解答题
已知函数f(x)=
1
(1-x)n
+aln(x-1)
,其中n∈N*,a为常数.
(Ⅰ)当n=2时,求函数f(x)的极值;
(Ⅱ)当a=1时,证明:对任意的正整数n,当x≥2时,有f(x)≤x-1.
答案

(Ⅰ)由已知得函数f(x)的定义域为{x|x>1},

当n=2时,f(x)=

1
(1-x)2
+aln(x-1),所以f′(x)=
2-a(1-x)2
(1-x)3

(1)当a>0时,由f'(x)=0得x1=1+

2
a
>1,x2=1-
2
a
<1

此时f′(x)=

-a(x-x1)(x-x2)
(1-x)3

当x∈(1,x1)时,f'(x)<0,f(x)单调递减;

当x∈(x1,+∞)时,f'(x)>0,f(x)单调递增.

(2)当a≤0时,f'(x)<0恒成立,所以f(x)无极值.

综上所述,n=2时,

当a>0时,f(x)在x=1+

2
a
处取得极小值,极小值为f(1+
2
a
)=
a
2
(1+ln
2
a
)

当a≤0时,f(x)无极值.

(Ⅱ)证法一:因为a=1,所以f(x)=

1
(1-x)n
+ln(x-1).

当n为偶数时,

g(x)=x-1-

1
(1-x)n
-ln(x-1),

g′(x)=1+

n
(x-1)n+1
-
1
x-1
=
x-2
x-1
+
n
(x-1)n+1
>0(x≥2).

所以当x∈[2,+∞)时,g(x)单调递增,

又g(2)=0,

因此g(x)=x-1-

1
(x-1)n
-ln(x-1)≥g(2)=0恒成立,

所以f(x)≤x-1成立.

要证f(x)≤x-1,由于

1
(1-x)n
<0,所以只需证ln(x-1)≤x-1,

令h(x)=x-1-ln(x-1),

h′(x)=1-

1
x-1
=
x-2
x-1
≥0(x≥2),

所以当x∈[2,+∞)时,h(x)=x-1-ln(x-1)单调递增,又h(2)=1>0,

所以当x≥2时,恒有h(x)>0,即ln(x-1)<x-1命题成立.

综上所述,结论成立.

证法二:当a=1时,f(x)=

1
(1-x)n
+ln(x-1).

当x≥2时,对任意的正整数n,恒有

1
(1-x)n
≤1,

故只需证明1+ln(x-1)≤x-1.

令h(x)=x-1-(1+ln(x-1))=x-2-ln(x-1),x∈[2,+∞),

h′(x)=1-

1
x-1
=
x-2
x-1

当x≥2时,h'(x)≥0,故h(x)在[2,+∞)上单调递增,

因此当x≥2时,h(x)≥h(2)=0,即1+ln(x-1)≤x-1成立.

故当x≥2时,有

1
(1-x)n
+ln(x-1)≤x-1.

即f(x)≤x-1.

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