本题导读
本题是数列与函数的综合压轴题。第一问要求利用零点存在性定理和单调性证明零点的唯一性,并推导特定的解析式;第二问要求比较同项数的等差数列与等比数列和的大小,通过构造差值函数并利用导数工具进行严谨证明。
📌【题干】
Question
(2015年陕西卷(理)) 设 是等比数列 的各项和,其中 ,,.
(I)证明:函数 在 内有且仅有一个零点(记为 ),且 ;
(II)设有一个与上述等比数列的首项、末项、项数分别相同的等差数列,其各项和为 ,比较 与 的大小,并加以证明.
🔍【思路分析】
破题导航
- (I)问思路:
- 求和公式:利用等比数列求和公式 ()。
- 零点存在性:计算 和 的符号,利用零点存在性定理判断。
- 唯一性证明:求导 ,说明函数在区间内的单调性。
- 推导关系式:利用 变形得出结论。
- (II)问思路:
- 确定 :该等差数列首项为 ,末项为 ,项数为 。根据求和公式 。
- 构造差函数:设 。
- 分类讨论与导数应用:
- 当 时,易证 。
- 当 时,通过对 求导,利用二阶导数或不等式放缩证明 恒成立。
✅【答案】
点击查看答案
结论:当 时,;当 时,
✍【详细解析】
Abstract
(I)证明零点的存在性与唯一性
由题意,。 当 时,。 则 。
- 存在性: 。 (由于 )。 根据零点存在性定理, 在 内至少有一个零点。
- 唯一性: 。 因为 ,所以 恒成立, 在区间内单调递增。 故零点 唯一。
- 证明关系式: 由 得 。 。 所以 。
(II)比较 与 的大小
该等差数列的首项 ,末项 ,项数为 。 其各项和 。 设 。
- 当 时: ,。 故 。
- 当 时: 考虑 且 。 方法:点差法思想/平均值不等式 观察项的配对: 。 利用对称性,将第 项与第 项配对: 。 对于每一项 :
- 若 ,则 且 ,乘积 。
- 若 ,则 且 ,乘积 。 由于 ,中间必有 使得 。 因此 ,即 。
结论:当 时,;当 时,。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:等比/等差数列求和公式;利用导数或对称性比较函数大小。
- 核心方法:配对求和法。在比较数列和的大小时,将对应的项进行配对(如首末配对)往往能直接观察出正负号,避免复杂的求导运算。
- 避坑指南:
- 第一问推导关系式时,不要漏掉 的前提。
- 第二问要注意区分项数 与 ,本题数列是从 到 ,共有 项。
📖【试题探源与推广】
Tip
*结论推广: 对于正数序列,等差中项大于等于等比中项( 不等式的一种变形)。 *方法推广: 证明 还可以使用数学归纳法。
- 相关知识点:幂函数的性质、凸函数的性质(Jensen 不等式在数列中的应用)。
🔗【关联脉络】
Multi column
知识锚点(Nodes)
类题演练(Links)