(2012•武漢模擬)已知函數(shù)f(x)=ln(1+x)-ax在x=-
1
2
處的切線的斜率為1.
(Ⅰ)求a的值及f(x)的最大值;
(Ⅱ)證明:1+
1
2
+
1
3
+…+
1
n
>ln(n+1)(n∈N*);
(Ⅲ)設(shè)g(x)=b(ex-x),若f(x)≤g(x)恒成立,求實數(shù)b的取值范圍.
分析:(Ⅰ)函數(shù)f(x)的定義域為(-1,+∞).求導(dǎo)數(shù),利用函數(shù)f(x)=ln(1+x)-ax在x=-
1
2
處的切線的斜率為1,可求a的值,再確定函數(shù)的單調(diào)性,從而可求f(x)的最大值;
(Ⅱ)法(一):由(Ⅰ),得ln(1+x)-x≤0,即ln(1+x)≤x,當(dāng)且僅當(dāng)x=0時,等號成立.令x=
1
k
(k∈N*),從而可得
1
k
>ln(k+1)-lnk(k=1,2,…,n),將上述n個不等式依次相加,即可證得結(jié)論;
法(二):先證明當(dāng)n=1時,不等式成立;再假設(shè)當(dāng)n=k時,不等式成立,結(jié)合x>ln(1+x)(x>-1,且x≠0)及x=
1
k+1
,即可證得結(jié)論;
(Ⅲ)先確定b≥0.由(Ⅰ),知f(x)max=f(0)=0,再求g(x)的最小值,從而可求實數(shù)b的取值范圍.
解答:(Ⅰ)解:函數(shù)f(x)的定義域為(-1,+∞).
求導(dǎo)數(shù),得f′(x)=
1
1+x
-a.
由已知,∵函數(shù)f(x)=ln(1+x)-ax在x=-
1
2
處的切線的斜率為1
∴f′(-
1
2
)=1,即
1
1+(-
1
2
)
-a=1,∴a=1.
此時f(x)=ln(1+x)-x,f′(x)=
1
1+x
-1=
-x
1+x

當(dāng)-1<x<0時,f′(x)>0;當(dāng)x>0時,f′(x)<0.
∴當(dāng)x=0時,f(x)取得極大值,該極大值即為最大值,
∴f(x)max=f(0)=0.…(4分)
(Ⅱ)證明:法(一):由(Ⅰ),得ln(1+x)-x≤0,
即ln(1+x)≤x,當(dāng)且僅當(dāng)x=0時,等號成立.
令x=
1
k
(k∈N*),則
1
k
>ln(1+
1
k
),即
1
k
>ln
k+1
k

1
k
>ln(k+1)-lnk(k=1,2,…,n).
將上述n個不等式依次相加,得
1+
1
2
+
1
3
+…+
1
n
>(ln2-ln1)+(ln3-ln2)+…+[ln(n+1)-lnn],
∴1+
1
2
+
1
3
+…+
1
n
>ln(n+1)(n∈N*).…(10分)
法(二):用數(shù)學(xué)歸納法證明.
(1)當(dāng)n=1時,左邊=1=lne,右邊=ln2,∴左邊>右邊,不等式成立.
(2)假設(shè)當(dāng)n=k時,不等式成立,即1+
1
2
+
1
3
+…+
1
k
>ln(k+1).
那么1+
1
2
+
1
3
+…+
1
k
+
1
k+1
>ln(k+1)+
1
k+1
,
由(Ⅰ),知x>ln(1+x)(x>-1,且x≠0).
令x=
1
k+1
,則
1
k+1
>ln(1+
1
k+1
)=ln
k+2
k+1
,
∴l(xiāng)n(k+1)+
1
k+1
>ln(k+1)+ln
k+2
k+1
=ln(k+2),
∴1+
1
2
+
1
3
+…+
1
k
+
1
k+1
>ln(k+2).
即當(dāng)n=k+1時,不等式也成立.…(10分)
根據(jù)(1)(2),可知不等式對任意n∈N*都成立.
(Ⅲ)解:∵f(0)=0,g(0)=b,若f(x)≤g(x)恒成立,則b≥0.
由(Ⅰ),知f(x)max=f(0)=0.
(1)當(dāng)b=0時,g(x)=0,此時f(x)≤g(x)恒成立;
(2)當(dāng)b>0時,g′(x)=b(ex-1),
當(dāng)x∈(-1,0)時,g′(x)<0,g(x)單調(diào)遞減;
當(dāng)x∈(0,+∞)時,g′(x)>0,g(x)單調(diào)遞增.
∴g(x)在x=0處取得極小值,即為最小值,
∴g(x)min=g(0)=b>0≥f(x),即f(x)≤g(x)恒成立.
綜合(1)(2)可知,實數(shù)b的取值范圍為[0,+∞).…(14分)
點評:本題考查導(dǎo)數(shù)知識的運用,考查數(shù)學(xué)歸納法,考查恒成立問題,解題的關(guān)鍵是理解導(dǎo)數(shù)的幾何意義,掌握數(shù)學(xué)歸納法的證題步驟,確定函數(shù)的最值,綜合性強.
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