已知函數(shù)y=f(x),x∈N*,y∈N*,滿足:①對任意x1,x2N*,x1x2,都有x1f(x1)+x2f(x2)>x1f(x2)+x2f(x1);②對任意n∈N*都有f[f(n)]=3n.
(1)試證明:f(x)為N*上的單調(diào)增函數(shù);
(2)求f(1)+f(6)+f(30);
(3)令an=f(3n),n∈N*,試證明:Sn=
1
a1
+
1
a2
+…+
1
an
1
4
,判斷Sn
n
4n+2
的大。ú恍枰C明)
分析:(1)由①知,對任意a,b∈N*,a<b,都有(a-b)(f(a)-f(b))>0,由于a-b<0,從而f(a)<f(b),由此能夠證明函數(shù)f(x)為N*上的單調(diào)增函數(shù).
(2)令f(1)=a,則a>1,由f(f(1))=3,即得f(a)=3.由f(a)>f(1)=a,即a<3.于是得1<a<3,又a∈N*,從而a=2,即f(1)=2,由此能求出f(1)+f(6)+f(30).
(3)法一:f(an)=f(f(3n))=3×3n=3n+1,an+1=f(3n+1)=f(f(an))=3an,a1=f(3)=6.即數(shù)列{an}是以6為首項,以3為公比的等比數(shù)列.故an=6×3n-1=2×3n(n=1,2,3…).由此能夠證明
1
4
(1-
1
3n
)<
1
4
,(12分)
法二:裂項求和:由
1
an
=
1
3n
=
1
4
(
1
3n-1
-
1
3n
)
,知3n=(1+2)n=1+
C
1
n
×2+
C
2
n
×22+…+
C
n
n
×2n≥1+2n
,由此能夠證明
n
4n+2
1
a1
+
1
a2
+…+
1
an
1
4
解答:解:(1)由①知,對任意a,b∈N*,a<b,
都有(a-b)(f(a)-f(b))>0,
由于a-b<0,從而f(a)<f(b),
所以函數(shù)f(x)為N*上的單調(diào)增函數(shù).(3分)
(2)令f(1)=a,則a>1,
顯然a≠1,否則f(f(1))=f(1)=1,與f(f(1))=3矛盾.
從而a>1,而由f(f(1))=3,即得f(a)=3.
又由(I)知f(a)>f(1)=a,即a<3.
于是得1<a<3,
又a∈N*,從而a=2,即f(1)=2.(5分)
而由f(a)=3知,f(2)=3.
于是f(3)=f(f(2))=3×2=6,(7分)
f(6)=f(f(3))=3×3=9,
f(9)=f(f(6))=3×6=18,
f(18)=f(f(9))=3×9=27,
f(27)=f(f(18))=3×18=54,
f(54)=f(f(27))=3×27=81,
由于54-27=81-54=27,
而且由(I)知,函數(shù)f(x)為單調(diào)增函數(shù),因此f(30)=54+3=57.
從而f(1)+f(6)+f(30)=2+9+57=68.(9分)
(3)解法一:f(an)=f(f(3n))=3×3n=3n+1,
an+1=f(3n+1)=f(f(an))=3an,a1=f(3)=6.
即數(shù)列{an}是以6為首項,以3為公比的等比數(shù)列.
an=6×3n-1=2×3n(n=1,2,3…).(11分)
于是
1
a1
+
1
a2
+…+
1
an
=
1
2
(
1
3
+
1
32
+…+
1
3n
)=
1
2
×
1
3
(1-
1
3n
)
1-
1
3
=
1
4
(1-
1
3n
)
,
顯然
1
4
(1-
1
3n
)<
1
4
,(12分)
解法二:裂項求和:
1
an
=
1
3n
=
1
4
(
1
3n-1
-
1
3n
)

(不需要證明)3n=(1+2)n=1+
C
1
n
×2+
C
2
n
×22+…+
C
n
n
×2n≥1+2n
,
從而
1
4
(1-
1
3n
)≥
1
4
(1-
1
2n+1
)=
n
4n+2

綜上所述,
n
4n+2
1
a1
+
1
a2
+…+
1
an
1
4
.(14分)
點評:本題考查單調(diào)函數(shù)的證明,考查函數(shù)值的求法,考查不等式的證明.具體涉及到數(shù)列的性質(zhì)和應(yīng)用、函數(shù)與數(shù)列的有機結(jié)合,解題時要認真審題,注意裂項求和法的靈活運用.
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[-3,3]
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(1,3]
(1,3]

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