问题 解答题

设an是关于x的方程xn+nx-1=0(n∈N*,x∈(0,+∞))的根.试证明:

(1)an∈(0,1);

(2)an+1<an

(3)a12+a22+…+an2<1.

答案

证明:(1)设f(x)=xn+nx-1,

∵f(0)=-1<0,f(1)=n>0,

且函数f(x)的图象在(0,+∞)上是连续的,

∴f(x)在(0,1)上至少有一个零点,

即方程xn+nx-1=0在(0,1)内至少有一个根.(3分)

∵x∈(0,+∞),

∴f′(x)=nxn-1+n>0,

∴f(x)在(0,+∞)上是增函数.

∴方程xn+nx-1=0在(0,+∞)内有唯一根,

且根在(0,1)内,即an∈(0,1).(5分)

(2)方法一:∵f(

1
n
)=(
1
n
)n>0,f(
1
n+1
)=(
1
n+1
)n+
n
n+1
-1=(
1
n+1
)n-
1
n+1
≤0,

且函数f(x)的图象在(0,+∞)上是连续的,

∴f(x)在[

1
n+1
1
n
)内至少有一个零点,

即方程xn+nx-1=0在[

1
n+1
1
n
)内至少有一个根.

又由(1)知函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,

∴方程xn+nx-1=0在[

1
n+1
1
n
)内有唯一根,

1
n+1
an
1
n
.(8分)

1
n+2
an+1
1
n+1

∴an+1<an.          (9分)

方法二:由(1)知,ann+nan-1=0,

an+1n+1+(n+1)an+1-1=0,

两式相减得:an+1n+1+(n+1)an+1-ann-nan=0,(7分)

若存在n∈N*,使得an+1≥an

则an+1≥an>ann

从而an+1n+1+(n+1)an+1-ann-nan>(n+1)an+1-ann-nan=an+1-ann+nan+1-nan>0,矛盾.

所以an+1<an.(9分)

(3)由题设得a1=

1
2
a12=
1
4
<1

当n∈N*时,an=

1-ann
n
1
n

a12+a22<(

1
2
)2+(
1
2
)2=
1
2
<1.         (12分)

当n≥3时有a12+a22+a32+…+an2<(

1
2
)2+(
1
2
)2+(
1
3
)2+…+(
1
n
)2

1
4
+
1
4
+
1
2•3
+
1
3•4
+…+
1
(n-1)n

=

1
4
+
1
4
+(
1
2
-
1
3
)+(
1
3
-
1
4
)+…+(
1
n-1
-
1
n
)

=1-

1
n
<1.

综上a12+a22+…+an2<1.               (14分)

单项选择题
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