本题导读

本题考查函数与方程的零点存在性定理。

📌【题干】

Question

(2011年湖南卷(理)) 已知函数 ,.

(1) 求函数 的零点个数,并说明理由;

(2) 设数列 () 满足 (),,证明:存在常数 ,使得对于任意的 ,都有 .

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 第 (1) 问: 定义域为 ,易见 是一个零点。当 时,方程 。令 ,转化为多项式函数 的零点判定,利用导数判断单调性并应用零点存在性定理,证明在 内存在且仅有 1 个正零点,进而得出零点总数。
  2. 第 (2) 问:由 知 ,显然 恒成立。由第 (1) 问知存在唯一正数 满足 (不动点)。取 (或直接取一充分大常数,如 ),利用数学归纳法证明对任意 均有 。

✅【答案】

点击查看答案

(1) 待补

(2) 证明见解析

✍【详细解析】

Abstract

(1) 函数 ,其定义域为 。 显然,,即 是 的一个零点。

当 时,令 ,即 。 因为 ,所以等价于 。 求导得: 对任意 恒成立。 所以 在 上严格单调递增。

又因为 , , 由零点存在性定理, 在 内存在唯一的零点 。 即方程 在 内有且仅有 1 个正零点。

综上所述,函数 的零点个数为 2。

(2) 由 (1) 知,存在唯一的 ,使得 。 且当 时,,即 。 已知递推关系 ,即 。 因为 ,易知对任意 均有 。

取常数 (或取 ,因为 且 )。 下面用数学归纳法证明:对任意 ,均有 。

① 当 时,,命题成立。 ② 假设当 () 时命题成立,即 。 因为 ,且函数 在 上单调递增, 所以: 。 又因为 ,由 (1) 的分析知: 。 所以: 。 因为函数 在 上严格单调递增,所以: 。 即当 时命题也成立。

由 ①② 可知,对任意 ,都有 。 因此,存在常数 (亦可取 ),使得对任意 都有 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 核心考点:导数单调性结合零点存在性定理、不动点方法、数学归纳法证明数列有界性。
  • 核心方法:利用第 (1) 问得出的不动点 满足 ,将上界构造为 ,直接打通第 (1) 问与第 (2) 问的内在联系。
  • 避坑指南:
  • 第 (1) 问不可遗漏端点 处的零点;
  • 第 (2) 问若直接设常数容易因 的任意性而受阻,必须取包含首项 的动态常数 或具体的大常数。

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 试题探源:源自实分析与动力系统中的一维映射不动点迭代理论(Banach 不动点定理与动力系统的吸引子)。
  • 结论推广:对于单调递增的压缩映射或满足 ()的迭代系统 ,其轨道 始终有界,且随着 单调收敛于系统的不动点 。

🔗【关联脉络】

Multi column