题目内容

已知函数fn(x)=x+
n
x
,(x>0,n≥1,n∈Z),以点(n,fn(n))为切点作函数y=fn(x)图象的切线ln,记函数y=fn(x)图象与三条直线x=n,x=n+1,ln所围成的区域面积为an
(Ⅰ)求an
(Ⅱ)求证:an
1
3n2

(Ⅲ)设Sn为数列{an}的前n项和,求证:Sn
5
9
考点:数列与不等式的综合,定积分
专题:综合题,压轴题,点列、递归数列与数学归纳法
分析:(Ⅰ)求出原函数的导函数,求出切点坐标,由直线方程的点斜式求得切线方程,由定积分求得函数y=fn(x)图象与三条直线x=n,x=n+1,ln所围成的区域面积为an
(Ⅱ)要证明an
1
3n2
,即证明nln(1+
1
n
)+
1
2n
-1
1
3n2
,可设想构造函数h(x)=ln(1+x)-x+
1
2
x2-
1
3
x3
 (x≥0),由其导函数确定原函数的单调性,进一步得到ln(1+x)<x-
1
2
x2+
1
3
x3
成立,取x=
1
n
,然后不等式两边同时乘以n,则可证得an
1
3n2

(Ⅲ)法一、由(Ⅱ)中不等式进一步放缩得到an
1
3n2
1
3
1
n2-
1
4
=
2
3
•(
1
2n-1
-
1
2n+1
)
,把数列
{an}求和后正负项相消可证明不等式;
法二、把数列{an}的前n项和的前两项作和,然后由
1
n2
1
n2-1
=
1
(n-1)(n+1)
=
1
2
(
1
n-1
-
1
n+1
)
放大n≥3的项,可证明n≥3时Sn
5
9
,单独验证S1,S2后可得答案.
解答: (Ⅰ)解:由fn(x)=x+
n
x
,得fn(x)=1-
n
x2

切点为(n,n+1),则切线ln方程为y-(n+1)=(1-
n
n2
)(x-n)

ln:y=(1-
1
n
)x+2

an=
n+1
n
[x+
n
x
-(1-
1
n
)x-2]dx=
n+1
n
(
x
n
+
n
x
-2)dx
=nln(1+
1
n
)+
1
2n
-1

(Ⅱ)证明:构造函数h(x)=ln(1+x)-x+
1
2
x2-
1
3
x3
 (x≥0),
则h′(x)=
1
1+x
-1+x-x2=
-x3
1+x
≤0

即函数h(x)=ln(1+x)-x+
1
2
x2-
1
3
x3
 (x≥0)单调递减,而h(0)=0,
∴h(x)≤0,等号在x=0时取得,
∴当x>0时,ln(1+x)<x-
1
2
x2+
1
3
x3
成立,
∴知ln(1+
1
n
)
1
n
-
1
2
(
1
n
)2+
1
3
(
1
n
)3

∴an=nln(1+
1
n
)+
1
2n
-1
1
3n2

(Ⅲ)证明:
法一、
∵an
1
3n2
1
3
1
n2-
1
4
=
2
3
•(
1
2n-1
-
1
2n+1
)

∴当n=1时,Sn=a1=
1
3
5
9

当n≥2时,Sn=
n
k=1
ak=a1+
n
k=2
ak
1
3
+
2
3
(
1
3
-
1
5
+
1
5
-
1
7
+…+
1
2n-1
-
1
2n+1
)

=
5
9
-
2
3
1
2n+1
5
9

方法二、
由(Ⅱ)知an
1
3n2

∴Sn=a1+a2+a3+…+an
1
12
+
1
22
+
1
32
+…+
1
3n2

=
1
3
(
1
12
+
1
22
+
1
32
+…+
1
n2
)
=
1
3
(
5
4
+
1
32
+…+
1
n2
)

1
n2
1
n2-1
=
1
(n-1)(n+1)
=
1
2
(
1
n-1
-
1
n+1
)
(n≥3,n∈N*
Sn
1
3
[
5
4
+
1
2
(
1
2
-
1
4
)+
1
2
(
1
3
-
1
5
)+
1
2
(
1
4
-
1
6
)+…+
1
2
(
1
n-1
-
1
n+1
)]

=
1
3
[
5
4
+
1
2
(
1
2
+
1
3
-
1
n
-
1
n+1
)]
=
5
9
-
1
6
(
1
n
+
1
n+1
)
5
9

S1=a1=
1
3
5
9
S2=a1+a2
1
3
+
1
22
=
5
12
5
9

∴综上所述:对一切n∈N*,都有Sn
5
9
点评:本题考查了数列与不等式的综合,考查了定积分,训练了裂项相消法求数列的和,考查了放缩法求证不等式,
对于(Ⅱ)的证明,构造函数h(x)=ln(1+x)-x+
1
2
x2-
1
3
x3
 (x≥0)是难点,证明(Ⅲ)的关键是对每一项的放缩,是难度较大的题目.
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