问题 解答题
设a>0,函数f(x)=
1
x2+a

(Ⅰ)证明:存在唯一实数x0∈(0,
1
a
)
,使f(x0)=x0
(Ⅱ)定义数列{xn}:x1=0,xn+1=f(xn),n∈N*
(i)求证:对任意正整数n都有x2n-1<x0<x2n
(ii) 当a=2时,若0<xk
1
2
(k=2,3,4,…)
,证明:对任意m∈N*都有:|xm+k-xk|<
1
3•4k-1
答案

(Ⅰ)证明:①f(x)=x⇔x3+ax-1=0.…(1分)

令h(x)=x3+ax-1,则h(0)=-1<0,h(

1
a
)=
1
a3
>0,

h(0)•h(

1
a
)<0.…(2分)

又h′(x)=3x2+a>0,∴h(x)=x3+ax-1是R上的增函数.…(3分)

故h(x)=x3+ax-1在区间(0,

1
a
)上有唯一零点,

即存在唯一实数x0∈(0,

1
a
)使f(x0)=x0.…(4分)

(Ⅱ)(i)当n=1时,x1=0,x2=f(x1)=f(0)=

1
a
,由①知x0∈(0,
1
a
)
,即x1<x0<x2成立;…(5分)

设当n=k(k≥2)时,x2k-1<x0<x2k,注意到f(x)=

1
x2+a
在(0,+∞)上是减函数,且xk>0,

故有:f(x2k-1)>f(x0)>f(x2k),即x2k>x0>x2k+1

∴f(x2k)<f(x0)<f(x2k+1),…(7分)

即x2k+1<x0<x2k+2.这就是说,n=k+1时,结论也成立.

故对任意正整数n都有:x2n-1<x0<x2n.…(8分)

(ii)当a=2时,由x1=0得:x2=f(x1)=f(0)=

1
2
|x2-x1|=
1
2
…(9分)

当k=1时,|x3-x2|=|

1
x22
+2
-
1
x21
+2
|=
|
x22
-
x21
|
(
x22
+2)(
x21
+2)
|x2-x1||x2+x1|
4
=
1
2
1
4
|x2-x1|=(
1
4
)2
…(10分)

当k≥2时,∵0<xk

1
2

|xk+1-xk|=|

1
x2k
+2
-
1
x2k-1
+2
|=
|
x2k
-
x2k-1
|
(
x2k
+2)(
x2k-1
+2)
|xk-xk-1||
x k
+xk-1|
4
|xk-xk-1|
4
<(
1
4
)2•|xk-1-xk-2|<…<(
1
4
)k-2•|x3-x2|
<(
1
4
)k
…(12分)

对∀m∈N*

|xm+k-xk|=|(xm+k-xm+k-1)+(xm+k-1-xm+k-2)+…+(xk+1-xk)|≤|xm+k-xm+k-1|+|xm+k-1-xm+k-2|+…+|xk+1-xk|

…(13分)≤(

1
4m-1
+
1
4m-2
+…+
1
42
+
1
4
+1)|xk+1-xk|

=

1-
1
4m
1-
1
4
|xk+1-xk|=
4
3
•(1-
1
4m
)•|xk+1-xk|<
4
3
1
4k
=
1
3•4k-1
…(14分)

单项选择题
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