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已知函数 f(x)=sin⁡x+ln⁡(1+x)−ax,a∈R.

  1. 当 a=0 时, 求 f(x) 在区间 (−1,2π) 内极值点的个数;
  2. 若 f(x)≤0 恒成立,求 a 的值;
  3. 求证: ∑i=n+12nsin⁡(1i−1)<2ln⁡2n−1n−1−ln⁡2,n≥2,n∈N∗.
解答

  1. 解 即考虑 f′(x)=cos⁡x+11+x 在 (−1,2π) 内有多少个两侧函数值变号的零点. f″(x)=−sin⁡x−1(1+x)2,f‴(x)=−cos⁡x+2(1+x)3.

    • 当 x∈(−1,π2]∪[3π2,2π) 时,显然 f′(x)>0;
    • 当 x∈(π2,π] 时,显然 f″(x)<0. 而 f(π2)>0>f(π), 故此时 f′(x) 的变号零点存在且唯一;
    • 当x∈(π,3π2), 显然f‴(x)>0, 故f″(x)至多有一零点,f′(x)至多有一极值点. 而f″(π)<0, 故若f′(x)极值点存在, 只能是极小值点. 再由f′(π)<0知,f′(x)至多有一个零点. 最后由f′(3π2)>0, 可知此时确实存在零点,故恰有一个.

    综上,f(x) 在 (−1,2π) 内有2个极值点.

  2. 解 注意到 f(0)=0, 而 f(x) 在 (−1,+∞) 上可导,因此 0 是它的极大值点,从而 f′(0)=cos⁡x+11+x−a|x=0=0⇒a=2.
    下面验证a=2的充分性. 当x≥0, f′(x)=cos⁡x+11+x−2≤1+1−2=0, 故f(x)≤f(0)=0; 当x∈(−1,0), f″(x)=−sin⁡x−1(1+x)2<1−1=0⇒f′(x)>f′(0)=0⇒f(x)<f(0)=0. 从而充分性得证.
    综上,a=2.

  3. 证明 利用 2 的结论,以及 ln⁡x≥1−1x,x≥0, 有 左边≤∑i=n+12n[2i−1−ln⁡(1+1i−1)]=2∑i=n+12n(1−i−2i−1)−ln⁡2<2ln⁡∏i=n+12ni−1i−2−ln⁡2=2ln⁡2n−1n−1−ln⁡2=右边.