南京大学 2022年强基第3题
📝 题目
$\mathrm{x}_{1}, \mathrm{x}_{2}$ 是方程 $\mathrm{x}^{3}-7 \mathrm{x}^{2}+7 \mathrm{x}-1=0$ 的两个无理根,若 $\displaystyle \mathrm{a}_{\mathrm{n}}=\frac{x_{1}{ }^{n}+x_{2}{ }^{n}}{2}, \mathrm{n}=0,1,2 \ldots$ (1)证明 $a_{n}$ 是整数; (2)求 $\mathrm{a}_{2022}$ 的个位数字。
💡 答案解析
【解析】联立有 $x^{3}-a x=a x+2$ ,有三个互异实根。 令 $f(x)=x^{3}-2 a x-2, f^{\prime}(x)=3 x^{2}-2 a$ ,若 $a \leq 0$ 必有 $f \uparrow$ ,无三个实根,当 $a\gt 0$ ,有 $\displaystyle x_{1}=-\sqrt{\frac{2 a}{3}}, x_{2}=+\sqrt{\frac{2 a}{3}}$ ,由单调性分析: $f$ 有三个实根 $\Leftrightarrow f\left(x_{1}\right)\gt 0, f\left(x_{2}\right)\lt 0$ , $\displaystyle f\left(x_{1}\right)=-\sqrt{\frac{2 a}{3}}\left(\frac{2 a}{3}-2 a\right)-2=\sqrt{\frac{2 a}{3}} \cdot \frac{4 a}{3}-2\gt 0$,
$\displaystyle f\left(x_{2}\right)=\sqrt{\frac{2 a}{3}}\left(\frac{2 a}{3}-2 a\right)-2=-\sqrt{\frac{2 a}{3}} \cdot \frac{4 a}{3}-2\lt 0$(恒成立),得 $\displaystyle a\gt \frac{3}{2}$ 。
$\displaystyle f\left(x_{2}\right)=\sqrt{\frac{2 a}{3}}\left(\frac{2 a}{3}-2 a\right)-2=-\sqrt{\frac{2 a}{3}} \cdot \frac{4 a}{3}-2\lt 0$(恒成立),得 $\displaystyle a\gt \frac{3}{2}$ 。📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:证明方程有三个互异实根,并确定参数a的范围
由方程x^3 - a x = a x + 2得x^3 - 2a x - 2 = 0。令f(x)=x^3-2ax-2,求导得f'(x)=3x^2-2a。若a≤0,f'(x)≥0,f单调递增,至多一个实根。故a>0。
公式:f'(x)=3x^2-2a
提示:利用导数判断单调性,确定极值点
步骤 2/5
目标:求出极值点并分析f(x)的单调性
令f'(x)=0得x=±√(2a/3)。f在(-∞,-√(2a/3))递增,(-√(2a/3),√(2a/3))递减,(√(2a/3),+∞)递增。
公式:x1=-√(2a/3), x2=√(2a/3)
提示:极值点将实数轴分成三个单调区间
步骤 3/5
目标:由三个实根的条件得到不等式组
f有三个实根当且仅当f(x1)>0且f(x2)<0。计算f(x1)=√(2a/3)·(4a/3)-2>0,f(x2)=-√(2a/3)·(4a/3)-2<0。
公式:f(x1)=√(2a/3)·(4a/3)-2, f(x2)=-√(2a/3)·(4a/3)-2
提示:极值点函数值异号保证三个根
步骤 4/5
目标:解不等式得到a的范围
由f(x1)>0得√(2a/3)·(4a/3)>2,即(4a/3)√(2a/3)>2,两边平方得(16a^2/9)·(2a/3)>4,即32a^3/27>4,a^3>27/8,a>3/2。
公式:a^3 > 27/8 ⇒ a > 3/2
提示:注意a>0,不等式两边平方时保持方向
步骤 5/5
目标:总结a的取值范围
因此,当a>3/2时,方程有三个互异实根。
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