Question

已知函數(shù)f（x）=ax²+ln（x+1）．
（Ⅰ）當(dāng)a=

1

4

時(shí)，求函數(shù)f（x）的單調(diào)區(qū)間；
（Ⅱ）當(dāng)x∈[0，+∞）時(shí)，不等式f（x）≤x恒成立，求實(shí)數(shù)a的取值范圍；
（Ⅲ）求證：(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是自然對(duì)數(shù)的底數(shù)）

Answer 1

分析：（Ⅰ）求導(dǎo)函數(shù)，由導(dǎo)數(shù)的正負(fù)可得函數(shù)的單調(diào)區(qū)間；
（Ⅱ）當(dāng)x∈[0，+∞）時(shí)，不等式f（x）≤x恒成立，等價(jià)于ax²+ln（x+1）-x≤0恒成立，設(shè)g（x）=ax²+ln（x+1）-x（x≥0），只需g（x）_max≤0即可，分類(lèi)討論，可求實(shí)數(shù)a的取值范圍；
（Ⅲ）據(jù)（Ⅱ）知當(dāng)a=0時(shí)，ln（x+1）≤x在[0，+∞）上恒成立，利用裂項(xiàng)法，結(jié)合對(duì)數(shù)的運(yùn)算法則，可證結(jié)論

解答：解：（Ⅰ）當(dāng)a=

1

4

時(shí)，f（x）=

1

4

x²+ln（x+1）（x＞-1），
f′（x）=

1

2

x+

1

x+1

=

x2+x+2

2(x+1)

（x＞-1），
∵x＞-1，x²+x+2=(x+

1

2

)2+

7

4

＞0，
∴f′（x）＞0，
∴函數(shù)f（x）的單調(diào)遞增區(qū)間為（-1，+∞）．
（Ⅱ）∵當(dāng)x∈[0，+∞）時(shí)，不等式f（x）≤x恒成立，即ax²+ln（x+1）-x≤0恒成立，
設(shè)g（x）=ax²+ln（x+1）-x（x≥0），只需g（x）_max≤0即可．
由g′（x）=2ax+

1

x+1

-1=

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

x+1

，
（ⅰ）當(dāng)a=0時(shí)，
g′（x）=-

x

x+1

（x＞-1），
當(dāng)x＞0時(shí)，g′（x）＜0，函數(shù)g（x）在（0，+∞）上單調(diào)遞減，故g（x）≤g（0）=0成立．
（ⅱ）當(dāng)a＞0時(shí)，
由g′（x）=

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

x+1

=0，
∵x∈[0，+∞），
∴x=

1

2a

-1，
①若

1

2a

-1＜0，即a＞

1

2

時(shí)，在區(qū)間（0，+∞）上，g′（x）＞0，則函數(shù)g（x）在（0，+∞）上單調(diào)遞增，
g（x）在[0，+∞）上無(wú)最大值（或：當(dāng)x→+∞時(shí)，g（x）→+∞），此時(shí)不滿(mǎn)足條件；
②若

1

2a

-1≥0，即0＜a≤

1

2

時(shí)，函數(shù)g（x）在（0，

1

2a

-1）上單調(diào)遞減，在區(qū)間（

1

2a

-1，+∞）上單調(diào)遞增，同樣g（x）在[0，+∞）上無(wú)最大值，不滿(mǎn)足條件．
（ⅲ）當(dāng)a＜0時(shí)，g′（x）=

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

x+1

，
∵x∈[0，+∞），
∴2ax+（2a-1）＜0，
∴g′（x）＜0，故函數(shù)g（x）在[0，+∞）上單調(diào)遞減，故g（x）≤g（0）=0成立．
綜上所述，實(shí)數(shù)a的取值范圍是（-∞，0]．
（Ⅲ）證明：據(jù)（Ⅱ）知當(dāng)a=0時(shí)，ln（x+1）≤x在[0，+∞）上恒成立，
又

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，
∵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．

點(diǎn)評(píng)：本題考查導(dǎo)數(shù)知識(shí)的運(yùn)用，考查函數(shù)的單調(diào)性，考查恒成立問(wèn)題，考查不等式的證明，考查分類(lèi)討論的數(shù)學(xué)思想，屬于難題．