题目
10.(I)证明:方程 ^n+nx=2 存在唯一的正实根an(其中n为正整数);-|||-(Ⅱ)计算 lim ((1+{a)_(n))}^-2n

题目解答
答案

解析
本题主要考查函数单调性的应用以及极限的计算。
(I)证明方程 ${x}^{n}+nx = 2$ 存在唯一的正实根 $a_n$
- 构造函数并分析其连续性:
设函数 $f_n(x)=x^n + nx - 2$,其中 $n$ 为正整数。因为幂函数 $y = x^n$ 和一次函数 $y = nx$ 以及常数函数 $y=-2$ 在 $R$ 上都是连续的,所以它们的和 $f_n(x)$ 在 $R$ 上也是连续的。 - 利用零点存在定理证明存在性:
计算 $f_n(0)$ 和 $f_n(1)$ 的值,$f_n(0)=0^n + n\times0 - 2=-2\lt0$,$f_n(1)=1^n + n\times1 - 2=1 + n - 2=n - 1\geqslant0$(当 $n\geqslant1$ 时)。
根据连续函数的介值定理(零点存在定理),如果函数 $y = f(x)$ 在闭区间 $[a,b]$ 上连续,且 $f(a)\cdot f(b)\lt0$,那么在开区间 $(a,b)$ 内至少存在一个点 $c$,使得 $f(c)=0$。所以方程 $x^n + nx - 2 = 0$ 存在正实数根 $a_n\in(0,1)$。 - 利用导数证明唯一性:
对 $f_n(x)$ 求导,根据求导公式 $(X^n)^\prime=nX^{n - 1}$ 和 $(X)^\prime = 1$,可得 $f_n^\prime(x)=nx^{n - 1}+n$。
当 $x\gt0$ 时,$n\gt0$,$x^{n - 1}\gt0$,所以 $f_n^\prime(x)=nx^{n - 1}+n\gt0$。这表明函数 $f_n(x)$ 在区间 $[0,+\infty)$ 上单调递增。
一个单调递增的函数与 $x$ 轴最多有一个交点,所以方程 $x^n + nx - 2 = 0$ 存在唯一正实数根 $a_n$。
(II)计算 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1 + a_n)^{-2n}$
- 确定 $a_n$ 的范围:
先计算 $f_n(\frac{2}{n})$ 和 $f_n(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})$ 的值。
$f_n(\frac{2}{n})=(\frac{2}{n})^n + n\times\frac{2}{n}-2=(\frac{2}{n})^n\gt0$(因为 $n$ 为正整数,$(\frac{2}{n})^n\gt0$)。
$f_n(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})=(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^n + n\times(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})-2=(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^n+2-\frac{1}{n}-2=(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^n-\frac{1}{n}\lt0$(当 $n$ 足够大时,$(\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^n$ 趋近于 $0$,且 $\frac{1}{n}\gt0$)。
因为 $f_n(x)$ 单调递增且 $f_n(a_n)=0$,所以 $\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2}\lt a_n\lt\frac{2}{n}$。 - 对不等式两边同时取 $-2n$ 次方:
对不等式 $\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2}\lt a_n\lt\frac{2}{n}$ 两边同时取 $-2n$ 次方,根据幂函数 $y = x^k$($k$ 为常数)的性质,当 $k\lt0$ 时,函数在 $(0,+\infty)$ 上单调递减,可得 $(1 + \frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^{-2n}\lt(1 + a_n)^{-2n}\lt(1+\frac{2}{n})^{-2n}$。 - 计算两边极限:
- 计算 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^{-2n}$:
令 $t=\frac{1}{n}$,则当 $n\rightarrow\infty$ 时,$t\rightarrow0$。
$\begin{align*} \lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^{-2n}&=\lim_{t\rightarrow0}(1 + 2t - t^2)^{-\frac{2}{t}}\\ &=\lim_{t\rightarrow0}[(1 + 2t - t^2)^{\frac{1}{2t - t^2}}]^{-\frac{2(2t - t^2)}{t}}\\ \end{align*}$
因为 $\lim_{u\rightarrow0}(1 + u)^{\frac{1}{u}}=e$,当 $t\rightarrow0$ 时,$2t - t^2\rightarrow0$,且 $\lim_{t\rightarrow0}-\frac{2(2t - t^2)}{t}=\lim_{t\rightarrow0}(-4 + 2t)=-4$,所以 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^{-2n}=e^{-4}$。 - 计算 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n})^{-2n}$:
同样令 $t=\frac{1}{n}$,当 $n\rightarrow\infty$ 时,$t\rightarrow0$。
$\begin{align*} \lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n})^{-2n}&=\lim_{t\rightarrow0}(1 + 2t)^{-\frac{2}{t}}\\ &=\lim_{t\rightarrow0}[(1 + 2t)^{\frac{1}{2t}}]^{-4}\\ \end{align*}$
因为 $\lim_{u\rightarrow0}(1 + u)^{\frac{1}{u}}=e$,当 $t\rightarrow0$ 时,$2t\rightarrow0$,所以 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n})^{-2n}=e^{-4}$。
- 计算 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^{-2n}$:
- 利用夹逼准则求极限:
由夹逼准则,若 $\lim_{n\rightarrow\infty}x_n=\lim_{n\rightarrow\infty}z_n = A$,且 $x_n\leqslant y_n\leqslant z_n$($n$ 足够大),则 $\lim_{n\rightarrow\infty}y_n = A$。
因为 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n}-\frac{1}{n^2})^{-2n}=\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{2}{n})^{-2n}=e^{-4}$,所以 $\lim_{n\rightarrow\infty}(1 + a_n)^{-2n}=e^{-4}$。