问题 解答题
已知函数f(x)=ax2+ln(x+1).
(Ⅰ)当a=-
1
4
时,求函数f(x)的单调区间;
(Ⅱ)当x∈[0,+∞)时,函数y=f(x)图象上的点都在
x≥0
y-x≤0
所表示的平面区域内,求实数a的取值范围.
(Ⅲ)求证:(1+
2
2×3
)(1+
4
3×5
)(1+
8
5×9
)•…•[1+
2n
(2n-1+1)(2n+1)
]<e
(其中n∈N*,e是自然对数的底数).
答案

(Ⅰ)当a=-

1
4
时,f(x)=-
1
4
x2+ln(x+1)
(x>-1),

f′(x)=-

1
2
x+
1
x+1
=-
(x+2)(x-1)
2(x+1)
(x>-1),

由f'(x)>0解得-1<x<1,由f'(x)<0,

解得x>1.

故函数f(x)的单调递增区间为(-1,1),单调递减区间为(1,+∞).(4分)

(Ⅱ)因函数f(x)图象上的点都在

x≥0
y-x≤0
所表示的平面区域内,

则当x∈[0,+∞)时,不等式f(x)≤x恒成立,即ax2+ln(x+1)-x≤0恒成立,

设g(x)=ax2+ln(x+1)-x(x≥0),

只需g(x)max≤0即可.(5分)

g′(x)=2ax+

1
x+1
-1=
x[2ax+(2a-1)]
x+1

(ⅰ)当a=0时,g′(x)=

-x
x+1
,当x>0时,g'(x)<0,函数g(x)在(0,+∞)上单调递减,

故g(x)≤g(0)=0成立.(6分)

(ⅱ)当a>0时,由g′(x)=

x[2ax+(2a-1)]
x+1
=0,因x∈[0,+∞),所以x=
1
2a
-1

①若

1
2a
-1<0,即a>
1
2
时,在区间(0,+∞)上,g'(x)>0,

则函数g(x)在(0,+∞)上单调递增,g(x)在[0,+∞)上无最大值(或:当x→+∞时,g(x)→+∞),此时不满足条件;

②若

1
2a
-1≥0,即0<a≤
1
2
时,函数g(x)在(0,
1
2a
-1)
上单调递减,在区间(
1
2a
-1,+∞)
上单调递增,

同样g(x)在[0,+∞)上无最大值,不满足条件.(8分)

(ⅲ)当a<0时,由g′(x)=

x[2ax+(2a-1)]
x+1

∵x∈[0,+∞),

∴2ax+(2a-1)<0,

∴g'(x)<0,故函数g(x)在[0,+∞)上单调递减,

故g(x)≤g(0)=0成立.

综上所述,实数a的取值范围是(-∞,0].(10分)

(Ⅲ)据(Ⅱ)知当a=0时,ln(x+1)≤x在[0,+∞)上恒成立

(或另证ln(x+1)≤x在区间(-1,+∞)上恒成立),(11分)

2n
(2n-1+1)(2n+1)
=2(
1
2n-1+1
-
1
2n+1
),

ln{(1+

2
2×3
)(1+
4
3×5
)(1+
8
5×9
)•…•[1+
2n
(2n-1+1)(2n+1)
]}

=ln(1+

2
2×3
)+ln(1+
4
3×5
)+ln(1+
8
5×9
)+…+ln[1+
2n
(2n-1+1)(2n+1)
]
2
2×3
+
4
3×5
+
8
5×9
+…+
2n
(2n-1+1)(2n+1)

=2[(

1
2
-
1
3
)+(
1
3
-
1
5
)+(
1
5
-
1
9
)+…+(
1
2n-1+1
-
1
2n+1
)]

=2[(

1
2
-
1
2n+1
)]<1,

(1+

2
2×3
)(1+
4
3×5
)(1+
8
5×9
)•…•[1+
2n
(2n-1+1)(2n+1)
]<e.(14分)

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