已知函數(shù)f(x)=ax2+xlnx,(a∈R)
(1)當a=-
1
2
時,判斷函數(shù)f(x)在定義域內(nèi)的單調(diào)性并給予證明;
(2)在區(qū)間(1,2)內(nèi)任取兩個實數(shù)p,q,且p≠q,若不等式
f(p+1)-f(q+1)
p-q
>1恒成立,求實數(shù)a的取值范圍;
(3)求證:
ln2
23
+
ln3
33
+
ln4
43
+…+
lnn
n3
1
e
(其中n>1,n∈N*,e=2.71828…)
分析:(1)將a=-
1
2
代入f(x),確定定義域為(0,+∞),利用導數(shù)判斷f′(x)在(0,+∞)上的正負,從而確定f(x)在定義域中的單調(diào)性;
(2)由于
f(p+1)-f(q+1)
p-q
>1表示點(p+1,f(p+1)) 與點(q+1,f(q+1))連線的斜率,函數(shù)圖象上在區(qū)間(2,3)內(nèi)任意兩點連線的斜率大于1,即f′(x)=2ax+lnx+1>1 在(2,3)內(nèi)恒成立,最后利用參變量分離法可求出a的取值范圍;
(3)構造p(x)=
lnx
x
,然后利用導數(shù)研究函數(shù)的最大值,從而得到
lnx
x
1
e
,則
lnx
x3
1
ex2
,即
lnn
n3
1
en2
,則則
ln2
23
+
ln3
33
+
ln4
43
+…+
lnn
n3
1
e
1
22
+
1
32
+…+
1
n2
),然后利用放縮法可證得結(jié)論.
解答:解:(1)當a=-
1
2
時,f(x)=-
1
2
x2+xlnx,
函數(shù)f(x)的定義域為(0,+∞),f(x)在(0,+∞)內(nèi)單調(diào)遞減.
下面給出證明:
f′(x)=-x+lnx+1,
令g(x)=-x+lnx+1,則g′(x)=-1+
1
x
=
1-x
x
,
∴當x∈(0,1)時,g′(x)>0,g(x)在(0,1)上單調(diào)遞增,
當x∈(1,+∞)時,g′(x)<0,g(x)在(1,+∞)上單調(diào)遞減,
∴g(x)在x=1時,g(x)取得最大值,即g(1)=0,
∴g(x)<g(1)=0,即f′(x)<0在(0,+∞)上恒成立,
∴f(x)在(0,+∞)內(nèi)單調(diào)遞減;
(2)由于
f(p+1)-f(q+1)
p-q
>1表示點(p+1,f(p+1)) 與點(q+1,f(q+1))連線的斜率,
∵實數(shù)p,q在區(qū)間(1,2)內(nèi),
∴p+1 和q+1在區(qū)間(2,3)內(nèi).
∵不等式
f(p+1)-f(q+1)
p-q
>1恒成立,
∴函數(shù)圖象上在區(qū)間(2,3)內(nèi)任意兩點連線的斜率大于1,
∴f′(x)=2ax+lnx+1>1 在(2,3)內(nèi)恒成立,
又由函數(shù)的定義域知,x>0,
∴a>-
lnx
2x
在(2,3)內(nèi)恒成立,
令h(x)=-
lnx
2x
,則h′(x)=
lnx-1
2x2
=0,解得x=e,
當x∈(2,e)時,h′(x)<0,故函數(shù)h(x)在(2,e)上單調(diào)遞減,
當x∈(e,3)時,h′(x)>0,故函數(shù)h(x)在(e,3)上單調(diào)遞增,
∴h(x)≤g(2)=-
ln2
4
,h(x)≤g(3)=-
ln3
6
,而-
ln2
4
>-
ln3
6

∴a≥-
ln2
4
,即實數(shù)a的取值范圍是[-
ln2
4
,+∞);
(3)證明:構造p(x)=
lnx
x
,則p′(x)=
1-lnx
x2
=0,解得x=e,
當x∈(0,e)時,p′(x)>0,故函數(shù)p(x)在(0,e)上單調(diào)遞增,
當x∈(e,+∞)時,p′(x)>0,故函數(shù)p(x)在(e,+∞)上單調(diào)遞減,
∴當x=e時,函數(shù)p(x)取最大值
1
e
,則
lnx
x
1
e
,
lnx
x3
1
ex2
,即
lnn
n3
1
en2
,
ln2
23
+
ln3
33
+
ln4
43
+…+
lnn
n3
1
e
1
22
+
1
32
+…+
1
n2
)<
1
e
[
1
1×2
+
1
2×3
+…+
1
(n-1)n
]=
1
e
(1-
1
n
)<
1
e
,
ln2
23
+
ln3
33
+
ln4
43
+…+
lnn
n3
1
e
點評:本題考查斜率公式的應用,函數(shù)的恒成立問題,以及利用函數(shù)的單調(diào)性求函數(shù)的最值,同時考查了導數(shù)在不等式上的應用,以及運算求解的能力,屬于難題.
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a-x2
x
+lnx  (a∈R , x∈[
1
2
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1
4
)
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34
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