2024年新高考第19题之伯努利不等式

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[引言]全国新高考数学试卷第19题的议论众多。进入3月以来,各地纷纷组织了高三的一模考试,现将酝酿后的典型题目整理如下。
[题目](2013年,湖北高考,理数22)设n为正整数,r为正有理数。
(I)求函数

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的最小值;
(II)证明:

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(III)设x∈R,记[x]不小于x的最小整数,例如[2]=2,[π]=4,[-3/2]=-1。令

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求[S]的值。
[解析]1)函数f(x)的定义域为:x>-1。
对函数f(x)求导,有

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令f′(x)=0,解得

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当x变化时,f(x)和f'(x)变化情况如下
x
(-∞,0)
0
(0,+∞)
f'(x)
-
0
+
g(x)
↘
极小
↗
因此,函数f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增。即在x=0处取得最小值,

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即值为0。
2)由1)可知,当x>-1时,f(x)≥f(0),当且仅当x=0时取等号。
于是,有

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ⅰ)在(*)式中,令x=1/n,其中n∈N*,则

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两边同时乘以nr+1,得

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整理,得

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即

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从而,原不等式右侧得证。
ⅱ)当n>1时,在(*)式中,令x=-1/n,其中n∈N*,则

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两边同时乘以nr+1,得

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整理,得

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即

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又当n=1时,有

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即当n=1时,上式也成立。
从而,原不等式左侧得证。
综上,原不等式得证。
3)根据2)的结论,令r=1/3,n分别取81、82、83、…、125,有

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将上面各式分别相加,得

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代入数据,有

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根据[x]的定义,[S]=211。
[后记]本题是2013年湖北高考理科数学的压轴解答题,时至今日仍熠熠生辉,让很多所谓的新高考第19题创新题黯然失色。其中第三问的答案为211,颇有预祝各位考生考上“211”高校的深刻寓意,令人唏嘘。
本题实际上由伯努利不等式演变而来。所谓伯努利不等式是指:
对于x>-1,且x∈R,当n≥1时,有

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当0≤n≤1时,有

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其中,若n为正整数,则不等式右侧就是二项展开式的前两项,显然成立。若n为实数的情况,可以用微分证明,本文从略。

伯努利不等式形式简洁,可以将高次幂变为低次幂,极大的简化运算。它常被用作证明其它不等式的关键步骤,在数学分析中有着广泛的应用。

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