Question

定義：設(shè)函數(shù)y=f（x）在（a，b）內(nèi)可導(dǎo)，f'（x）為f（x）的導(dǎo)數(shù)，f''（x）為f'（x）的導(dǎo)數(shù)即f（x）的二階導(dǎo)數(shù)，若函數(shù)y=f（x） 在（a，b）內(nèi)的二階導(dǎo)數(shù)恒大于等于0，則稱函數(shù)y=f（x）是（a，b）內(nèi)的下凸函數(shù)（有時(shí)亦稱為凹函數(shù)）．已知函數(shù)f（x）=xlnx
（1）證明函數(shù)f（x）=xlnx是定義域內(nèi)的下凸函數(shù)，并在所給直角坐標(biāo)系中畫(huà)出函數(shù)f（x）=xlnx的圖象；
（2）對(duì)?x₁，x₂∈R⁺，根據(jù)所畫(huà)下凸函數(shù)f（x）=xlnx圖象特征指出x₁lnx₁+x₂lnx₂≥（x₁+x₂）[ln（x₁+x₂）-ln2]與x₁lnx₁+x₂lnx₂≥（x₁+x₂）[ln（x₁+x₂）-ln2]的大小關(guān)系；
（3）當(dāng)n為正整數(shù)時(shí)，定義函數(shù)N （n）表示n的最大奇因數(shù)．如N （3）=3，N （10）=5，…．記S（n）=N（1）+N（2）+…+N（2ⁿ），若，證明：（i，n∈N^*）．

Answer 1

【答案】分析：（1）函數(shù)f（x）=xlnx的定義域?yàn)椋?，+∞），f'（x）=1+lnx，，由此能夠證明函數(shù)f（x）=xlnx是定義域（0，+∞）內(nèi)的下凸函數(shù)，并作出其圖象．
（2）由下凸函數(shù)f（x）=xlnx的圖象特征可知：，故x₁lnx₁+x₂lnx₂≥（x₁+x₂）[ln（x₁+x₂）-ln2]．
（3）由S（n）=N（1）+N（2）+…+N（2ⁿ），知S（n）=4^n-1+S（n-1），（n≥1），由此得到證明（i，n∈N^*），即證．可以用數(shù)學(xué)歸納法進(jìn)行證明，也可用放縮法進(jìn)行證明．
解答：解：（1）函數(shù)f（x）=xlnx的定義域?yàn)椋?，+∞），
f'（x）=1+lnx，，
故函數(shù)f（x）=xlnx是定義域（0，+∞）內(nèi)的下凸函數(shù)，…（2分）
函數(shù)f（x）=xlnx在（0，]單調(diào)遞減，在[，+∞）單調(diào)遞增，
且f（）=-，f（1）=0，f（e）=e，…（3分）
故其圖象如下圖所示．…．（4分）
（2）由下凸函數(shù)f（x）=xlnx的圖象特征可知：，
故x₁lnx₁+x₂lnx₂≥（x₁+x₂）[ln（x₁+x₂）-ln2]
≥x₁lnx₁+x₂lnx₂≥（x₁+x₂）[ln（x₁+x₂）-ln2]
（當(dāng)且僅當(dāng)x₁=x₂時(shí)取=號(hào)）…．（6分）
（3）∵S（n）=N（1）+N（2）+…+N（2ⁿ），
∴S（n）=[1+3+5+…+（2ⁿ-1）]+[N（2）+N（4）+N（6]+…+N（2ⁿ）]，
∴S（n）=4^n-1+S（n-1），（n≥1），
∵S₁=N（1），S（1）=2，…（7分）
∴…（8分）
∴，
故證明（i，n∈N^*）
即證…（9分）
（證法一）數(shù)學(xué)歸納法
ⅰ）當(dāng)n=1時(shí)，由（2）知命題成立．
ⅱ）假設(shè)當(dāng)n=k（ k∈N^*）時(shí)命題成立，
即若，
則…（10分）
當(dāng)n=k+1時(shí)，x₁，x₂，…，，滿足 ．
設(shè)，
由（2）得
=
=．
由假設(shè)可得 F（x）≥-ln2^k-ln2=-ln2^k+1，命題成立．
所以當(dāng) n=k+1時(shí)命題成立…（13分）
由�。�，ⅱ）可知，對(duì)一切正整數(shù)n∈N^*，命題都成立，
所以 若，則 （i，n∈N^*）．
即有（i，n∈N^*）．   …（14分）
（證法二）若，
那么由（2）可得…（10分）
=…（11分）
=…（12分）
…（13分）
=-ln2ⁿ．
即有（i，n∈N^*）．   …（14分）
點(diǎn)評(píng)：本題考查下凸函數(shù)的證明，函數(shù)圖象的畫(huà)法，不等式的比較和證明，綜合性強(qiáng)，難度大，解題時(shí)要認(rèn)真審題，仔細(xì)解答，注意合理地進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)化．