题目定位:这道题是当年全国卷理科数学第22题(12分),以函数和数列为载体,综合考查递推关系、数学归纳法、不等式证明及通项公式求解。题目没直接给数列递推式,而是通过直线与x轴交点横坐标间接定义相邻项关系,属于创新题型。
题干简记:
函数 ( f(x) = x^2
2x
3 ),已知 ( x_1 = 2 ),( x_{n+1} ) 是过点 ( P(4,5) ) 和点 ( Q_n(x_n, f(x_n)) ) 的直线 ( PQ_n ) 与x轴交点的横坐标。
(1)证明:( 2 leq x_n < x>
(2)求数列 ( {x_n} ) 的通项公式。
(1)不等式证明的硬核操作
核心工具:数学归纳法。
第一步(验证初始项):
当 ( n=1 ) 时,( x_1 = 2 ),需证 ( 2 leq x_1 < x>
先求 ( x_2 ):点 ( Q_1(2, f(2)) = (2, -3) ),直线 ( PQ_1 ) 斜率 ( k = frac{5
(-3)}{4
2} = 4 ),直线方程 ( y - 5 = 4(x - 4) )。令 ( y=0 ) 解得 ( x_2 = frac{11}{4} = 2.75 ),满足 ( 2 leq 2 < 2>
第二步(归纳递推):
假设 ( n=k ) 时 ( 2 leq x_k < x n=k+1>
关键利用直线 ( PQ_{k+1} ) 的方程:
斜率 ( k = frac{5
f(x_{k+1})}{4
x_{k+1}} = frac{5 - (x_{k+1}^2 - 2x_{k+1} - 3)}{4 - x_{k+1}} = frac{-x_{k+1}^2 + 2x_{k+1} + 8}{4 - x_{k+1}} )。
整理后得 ( x_{k+2} = 4
frac{3}{x_{k+1} + 1} )(此关系式需由交点横坐标解出,是后续通项求解的桥梁)。
由归纳假设 ( 2 leq x_{k+1} < 3>
x_{k+1} = frac{(x_{k+1}
2)(3 - x_{k+1})}{x_{k+1} + 1} > 0 ),且 ( x_{k+2} < 3>
口诀:数列不等式证明题,先求初始项,再挖递推关系,数学归纳法直接往上套,差值正负用已知范围判断。
(2)通项公式求解的暴力破解
关键变形:由 ( x_{n+1} = 4
frac{3}{x_n + 1} )(此式需从直线方程推导),两边减3得 ( x_{n+1}
3 = 1 - frac{3}{x_n + 1} = frac{x_n - 2}{x_n + 1} )。
取倒数并裂项:
( frac{1}{x_{n+1}
3} = frac{x_n + 1}{x_n
2} = 1 + frac{3}{x_n - 2} )。
再设 ( b_n = frac{1}{x_n
2} ),代入得 ( b_{n+1} = frac{1}{x_{n+1}
2} = frac{x_n + 1}{2(x_n - 2)} = frac{1}{2}b_n + frac{1}{2} )。
数列转化:( b_{n+1}
1 = frac{1}{2}(b_n
1) ),故 ( {b_n - 1} ) 是首项为 ( b_1 - 1 = frac{1}{x_1 - 2} - 1 = frac{1}{0} ) ?注意 ( x_1=2 ) 时 ( b_1 ) 无定义,需直接求 ( b_2 ) 作为首项。
由 ( x_2 = 2.75 ),( b_2 = frac{1}{x_2
2} = frac{4}{3} ),则 ( b_2
1 = frac{1}{3} ),公比 ( frac{1}{2} )。
所以 ( b_n
1 = frac{1}{3} cdot left(frac{1}{2}right)^{n-2} )(( n geq 2 )),即 ( b_n = 1 + frac{1}{3} cdot left(frac{1}{2}right)^{n-2} )。
回代:由 ( b_n = frac{1}{x_n
2} ) 解得 ( x_n = 2 + frac{1}{b_n} = 2 + frac{1}{1 + frac{1}{3} cdot left(frac{1}{2}right)^{n-2}} )(( n geq 2 )),( n=1 ) 时单独写 ( x_1=2 )。
可统一为 ( x_n = 2 + frac{3 cdot 2^{n-2}}{3 cdot 2^{n-2} + 1} )(( n geq 2 )),验证 ( n=1 ) 也符合。
套路句式:遇到递推式 ( x_{n+1} = 4
frac{a}{x_n + b} ) 型,先平移常数(减3或减4),再取倒数裂项,常可构造等差或等比数列。
压轴题拿分点:
第(1)问数学归纳法步骤分必须拿满(验证、假设、推导)。
第(2)问推导 ( x_{n+1} = 4
frac{3}{x_n + 1} ) 的关系式占3分,构造辅助数列 ( b_n ) 占3分,求出通项占2分。
时间不够时保(1)弃(2),12分题至少拿下6分。
真题答案格式:最终通项公式写为分段形式或统一形式均可,阅卷按关键步骤给分。