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高觀點下的導數壓軸( 數列問題的命題背景 一 )

第一次在知乎上寫文章……加之個人水平有限,語言組織能力差(註:本人語文常年不及格),如有錯誤和紕漏,還望指出話入正題,就個人觀點而言,高考導數壓軸有很多都是以高數為

第一次在知乎上寫文章……加之個人水平有限,語言組織能力差(註:本人語文常年不及格),如有錯誤和紕漏,還望指出

話入正題,就個人觀點而言,高考導數壓軸有很多都是以高數為背景進行命題的,拉格朗日、泰勒、洛必達、切比雪夫,還有琴生、凹凸性、費馬等等等等,高數馬勒戈壁四大定理幾乎年年見,當然那是後話(後期文章會詳寫)。本文主要說導數的數列放縮問題,其一般的常規方法基本是通項法、裂項放縮法、等比放縮、還有積分放縮(註:此處的積分放縮指利用其幾何性質),這些方法後期文章都會逐一解釋。

言歸正傳,先說個後文會用到的玩應兒:

Stolz(施篤茲)定理: 設數列a_{n}、b_{n}滿足:(1)b_{n}嚴格單調遞增 (2)lim_{n rightarrow infty}{b_{n}}=+infty (3)lim_{n rightarrow infty}{frac{a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}=L ;則lim_{nrightarrow infty}{frac{a_{n}}{b_{n}}}=L

這玩應兒咋瞅都有點眼熟,很像洛必達法則(洛必達法則就不過多贅述瞭)~~~

洛必達老爺子亂入~~~

Stolz本質上就是個離散版本的洛必達(數列不連續。。。)

下面簡單的說一下以Stolz定理為背景的題

先整個填空,熟悉熟悉這個新鮮玩應兒(好像出自一本強基的書···記不住瞭)

數列a_{n}=frac{nleft(n +1 right)}{2},前n項和記為S_{n},求lim_{n rightarrow +infty}{frac{n^{3}}{S_{n}}}

解:易知S_{n}=frac{nleft( n+1 right)left( 2n+1 right)}{12}+frac{nleft( n+1 right)}{4},S_{n}rightarrow+infty且遞增,符合Stolz,最終化簡可得lim_{n rightarrow +infty}{frac{6n^{2}}{n^{2}+3n+2}},然後套用Stolz,可將前式化為lim_{xrightarrow +infty}{frac{12n+6}{2n+4}}=6

或者更簡潔一些,上來就用a_{n}=S_{n}-S_{n-1},直接得到lim_{xrightarrow +infty}{frac{12n+6}{2n+4}}=6

上題其實是一個不錯的例子,因為絕大多數的高考導數數列壓軸都是類似於“左面數列,右面單(雙)項”的形式,很少出現左右都是數列的情況。上題中的Sn雖然是和的形式,但同樣可將其視作某一個數列的通項,好比Stolz中的bn,在第n+1項和第n項作差之後,自然就隻剩下瞭一項。另外,以個人看來,將導數的數列問題進行“去數列化”(以後的文章會詳寫),是最簡潔的常規方法,當然,要在能湊出來的前提下。。。Stolz定理也是一個道理,隻不過其“去數列化”的過程過於“直接”罷瞭

本文的重頭戲來瞭。2022高考數學,有兩道題讓我印象深刻,一個是來自“最後的浙江卷”的導數壓軸,那個運算量······另外一個就是全國二卷的導數壓軸,廢話不多說,上題:

設nin N^{*},證明frac{1}{sqrt{1^{2}+1}}+frac{1}{sqrt{2^{2}+1}}+···+frac{1}{sqrt{n^{2}+1}}>lnleft( n+1 right)

前兩問省略掉瞭,(標答裡用的是第二問的結論,但對本文不適用,以後會單獨寫本題的常規解法與思路)

證明: 左面記作a_{n}=frac{1}{sqrt{n^{2}+1}},frac{1}{sqrt{1^{2}+1}}+frac{1}{sqrt{2^{2}+1}}+···+frac{1}{sqrt{n^{2}+1}}記作S_{n},然後把S_{n}整體左移 進而直接帶來frac{ln(n+1)}{S_{n}}<1的效果,再由Stolz定理可得:lim_{n rightarrow +infty}{frac{ln(n+1)}{S_{n}}}=lim_{a rightarrow b}{frac{ln(n+1)-ln(n)}{S_{n+1}-S_{n}}} 化簡可得lim_{n rightarrow +infty}{frac{ln(frac{n+1}{n})}{frac{1}{sqrt{n^{2}+n}}}},所以隻需證明{frac{ln(frac{n+1}{n})}{frac{1}{sqrt{n^{2}+n}}}}<1即可,後面的做法就比較常規瞭,此處略

整體上來講,從這道題中不難看出,(下面的話含有一定的主觀色彩)命題人出構型類似這樣的題時,必然先找符合Stolz定理的原函數,即咱最後求出的 {frac{ln(frac{n+1}{n})}{frac{1}{sqrt{n^{2}+n}}}} ,然後命題人會設置一個取值范圍,建立一個不等關系,然後把分母移項過去,構造出一個最基本的不等式,然後把其中的一項視作某一數列的通項進行遞推,得到瞭那讓人看瞭就作嘔的大多項式,Finally,考生的噩夢就誕生瞭。總而言之,就是出題人逆用Stolz定理~~~

此外,也算是一個劇透吧,能用Stolz定理解決的題,一般都能用去構造出來相消的效果,將數列與單項之間的比較,轉化成數列與數列之間的比較,然後一一對應進而實現開頭提及的“通項法”,比如:

ln(n+1)-ln(n)+ln(n)-ln(n-1)+···+ln2-ln1,想必都看出來瞭,這同樣是本題的一個解法,畢竟ln(1)=0是個好東西

文章的最後,有幾道同類型的題(我記得好像都是早些年的高考題),可以玩玩

1.fleft( x right)=ln(x+1),g(x)=frac{x}{x+1},forall nin N^{*},比較g(1)+g(2)+…+g(n)與n-f(n)的大小

2.證明frac{2}{3}+frac{2}{5}+frac{2}{7}+···+frac{2}{2n+1}<ln(2n+1)

3.a_{n}=frac{1}{sqrt{n(n+1)+1}}的前n項和為S_{n},證明S_{n}<ln(n+1)

具體的多種解法和分析過程以及命題思路見於下文(預計周日發表)

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