Question

記函數(shù)fn(x)=a•xn-1(a∈R，n∈N*)的導(dǎo)函數(shù)為

f

′ n

(x)，已知

f

′ 3

(2)=12．
（Ⅰ）求a的值．
（Ⅱ）設(shè)函數(shù)gn(x)=fn(x)-n2Inx，試問：是否存在正整數(shù)n使得函數(shù)g_n（x）有且只有一個零點(diǎn)？若存在，請求出所有n的值；若不存在，請說明理由．
（Ⅲ）若實(shí)數(shù)x₀和m（m＞0，且m≠1）滿足：

f ′ n (x0)

f ′ n+1 (x0)

=

fn(m)

fn+1(m)

，試比較x₀與m的大小，并加以證明．

Answer 1

分析：（Ⅰ）直接由

f

′ 3

(2)=12列式求a的值；
（Ⅱ）求出函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)，求出導(dǎo)函數(shù)的零點(diǎn)，由導(dǎo)函數(shù)的零點(diǎn)對定義域分段，由導(dǎo)函數(shù)的符號判斷原函數(shù)的單調(diào)性，求出原函數(shù)的最值，根據(jù)最值分析函數(shù)的零點(diǎn)個數(shù)；
（Ⅲ）求出fn′(x)=n•xn-1，代入

f ′ n (x0)

f ′ n+1 (x0)

=

fn(m)

fn+1(m)

，解出x₀，把x₀與m作差后構(gòu)造輔助函數(shù)，求出輔助函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)，由輔助函數(shù)的單調(diào)性即可證明x₀與m的差與0的大小關(guān)系，則結(jié)論得到證明．

解答：解：（Ⅰ）f3′(x)=3ax2，由f3′(2)=12，得a=1；
（Ⅱ）gn(x)=xn-n2lnx-1，gn′(x)=n•xn-1-

n2

x

=

n(xn-n)

x

，
∵x＞0，令gn′(x)=0，得x=

n	n

．
當(dāng)x＞

n	n

時，gn′(x)＞0，g_n（x）是增函數(shù)；
當(dāng)0＜x＜

n	n

時，gn′(x)＜0，g_n（x）是減函數(shù)；
所以當(dāng)x=

n	n

時，g_n（x）有極小值，也是最小值，gn(

n	n

)=n-nlnn-1．
當(dāng)x→0時，g_n（x）→+∞；
當(dāng)x→+∞時，（可取x=e，e²，e³，…體驗(yàn)），g_n（x）→+∞．
當(dāng)n≥3時，gn(

n	n

)=n(1-lnn)-1＜0，函數(shù)g_n（x）有兩個零點(diǎn)；
當(dāng)n=2時，gn(

n	n

)=-2ln2+1＜0，函數(shù)g_n（x）有兩個零點(diǎn)；
當(dāng)n=1時，gn(

n	n

)=0，函數(shù)g_n（x）只有一個零點(diǎn)；
綜上所述，存在n=1使得函數(shù)g_n（x）有且只有一個零點(diǎn)．
（Ⅲ）fn′(x)=n•xn-1，
∵

fn′(x0)

fn-1′(x0)

=

fn(m)

fn-1(m)

，∴

nx0n-1

(n+1)x0n

=

mn-1

mn+1-1

．
解得x0=

n(mn+1-1)

(n+1)(mn-1)

，
則x0-m=

-mn+1+m(n+1)-n

(n+1)(mn-1)

，
當(dāng)m＞1時，（n+1）（mⁿ-1）＞0，設(shè)h（x）=-xⁿ⁺¹+x（n+1）-n（x≥1），
則h^′（x）=-（n+1）xⁿ+n+1=-（n+1）（xⁿ-1）≤0（當(dāng)且僅當(dāng)x=1時取等號），
所以h（x）在[1，+∞）上是減函數(shù)，
又因?yàn)閙＞1，所以h（m）＜h（1）=0，所以x₀-m＜0，所以x₀＜m．
當(dāng)0＜m＜1時，（n+1）（mⁿ-1）＜0，設(shè)h（x）=-xⁿ⁺¹+x（n+1）-n（0＜x≤1），
則h^′（x）=-（n+1）xⁿ+n+1=-（n+1）（xⁿ-1）≥0（當(dāng)且僅當(dāng)x=1時取等號），
所以h（x）在（0，1]上是增函數(shù)，又因?yàn)?＜m＜1，所以h（m）＜h（1）=0，所以x₀-m＞0，
所以x₀＞m．
綜上所述，當(dāng)m＞1，x₀＜m．當(dāng)0＜m＜1時，x₀＞m．

點(diǎn)評：本題考查了導(dǎo)數(shù)在最大值最小值中的應(yīng)用，考查了分類討論的數(shù)學(xué)思想方法，訓(xùn)練了構(gòu)造函數(shù)法進(jìn)行不等式的大小比較，是有一定難度題目．