2023年高考数学大题专练(新高考专用) 专题12 利用导数解决双变量问题 Word版含解析
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专题12 利用导数解决双变量问题
1.(2022·浙江·高考真题)设函数.
(1)求的单调区间;
(2)已知,曲线上不同的三点处的切线都经过点.证明:
(ⅰ)若,则;
(ⅱ)若,则.
(注:是自然对数的底数)
【答案】(1)的减区间为,增区间为.
(2)(ⅰ)见解析;(ⅱ)见解析.
【解析】
【分析】
(1)求出函数的导数,讨论其符号后可得函数的单调性.
(2)(ⅰ)由题设构造关于切点横坐标的方程,根据方程有3个不同的解可证明不等式成立,(ⅱ) ,,则题设不等式可转化为,结合零点满足的方程进一步转化为,利用导数可证该不等式成立.
(1)
,
当,;当,,
故的减区间为,的增区间为.
(2)
(ⅰ)因为过有三条不同的切线,设切点为,
故,
故方程有3个不同的根,
该方程可整理为,
设,
则
,
当或时,;当时,,
故在上为减函数,在上为增函数,
因为有3个不同的零点,故且,
故且,
整理得到:且,
此时,
设,则,
故为上的减函数,故,
故.
(ⅱ)当时,同(ⅰ)中讨论可得:
故在上为减函数,在上为增函数,
不妨设,则,
因为有3个不同的零点,故且,
故且,
整理得到:,
因为,故,
又,
设,,则方程即为:
即为,
记
则为有三个不同的根,
设,,
要证:,即证,
即证:,
即证:,
即证:,
而且,
故,
故,
故即证:,
即证:
即证:,
记,则,
设,则即,
故在上为增函数,故,
所以,
记,
则,
所以在为增函数,故,
故即,
故原不等式得证:
2.(2022·广东·华南师大附中三模)已知函数存在两个极值点.
(1)求实数a的取值范围;
(2)判断的符号,并说明理由.
【答案】(1)
(2)符号为正;理由见解析
【解析】
【分析】
(1)根据函数有两个极值点得到导函数有两个变号零点,参变分离后构造函数,研究其单调性和极值情况,得到交点个数为两个时实数a的取值范围,再验证此范围符合要求;
(2)转化为,利用对数平均不等式得到,结合在区间内单调递增,且,得到.
(1)
∵有两个极值点,
∴,有两个变号的零点.
∴,,
令,,
当,,单调递增;
当,,单调递减;
所以.
画出函数图象如下:
与有两个交点,
∴.
当时,当或时,,;
当时,,.
所以在区间,单调递减,在区间内单调递增.
所以的极小值点为,极大值点为.
所以a的取值范围为
(2)
符号为正.
理由如下:
由(1)可知,.
又因为,
∴
∴.
现证明上式:
上式可变形为,
令,则只需证.
设,,
所以在上单调递增,
从而,即,
∴.
又因为,所以
综上可得:.
在区间内单调递增,且,
所以.
故符号为正.
3.(2022·黑龙江·哈尔滨三中模拟预测(理))已知.
(1)若恒有两个极值点,(),求实数a的取值范围;
(2)在(1)的条件下,证明.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)根据极值点的定义可知方程有两个不等实根,即函数与图像有两个交点,利用导数研究函数的单调性求出的值域,结合图形即可得出结果;
(2)构造函数,根据导数研究它的单调性进而得,有,构造函数(),
利用导数证明,结合即可证明.
(1)
函数的定义域为,,
则方程有两个不同的正根,
即函数与图像有两个交点,
,令,令,
所以函数在上单调递增,在上单调递减,
所以,且当时,,
当时,,如图,
由图可知;
(2)
设,
则,
在单调递增,故,
即.
而,故,
又,,在单调递减,故,即;
由知;
由(1)知,,为函数的极值点,
当时,函数单调递减,
当时,函数单调递增,
时,函数单调递减,
所以,故,
令().
,
,令,故当时,
单调递增,且,所以,故单调递减,
由,得,
即,即.
4.(2022·湖南·雅礼中学二模)已知.
(1)求的最大值;
(2)求证:(i)存在,使得;
(ii)当存在,使得时,有.
【答案】(1);
(2)(i)证明见解析;(ii)证明见解析.
【解析】
【分析】
(1)利用导数判断函数的单调性,进而求最值;
(2)构造,进而可得,结合函数单调性及零点存在定理即得;由题可知即证,再利用导数解决双变量,构造函数,利用导数判断函数的单调性即得.
(1)
法一:,
当时,单调递增;当时,单调递减.
.
法二:,
由在上均为减函数,
∴在上单调递减,又,
当时,单调递增;当时,单调递减.
.
(2)
过的直线方程为,
令,则.
,
易知在单调递减.
(i)当时,在单调递减,则,这与矛盾,不符题意;同理可证,当时不符题意.
,
故存在,使,即.
(ii)要证,即证,
由在单调递减,即证,
即证,
即证,
,
可证,其中.
在单调递减,
式得证,
故.
5.(2022·安徽·合肥一六八中学模拟预测(理))已知函数(e为自然对数的底数),其中.
(1)试讨论函数的单调性;
(2)若有两个极值点和,记过点,的直线的斜率为k,同:是否存在a,使得?若存在,求出a的值,若不存在,请说明理由
【答案】(1)答案不唯一,具体见解析;
(2)不存在;理由见解析.
【解析】
【分析】
(1)求出函数的导数,分和分别讨论值的符号作答.
(2)根据给定条件,求出斜率k,在成立时可得,分析整理并构造函数,利用函数探讨单调性质即可推理作答.
(1)
函数定义域为R,求导得,而,
则当时,即在R上为增函数,
当时,由,得,即,解得或,
则有或,由,解得,
所以在上递减,在和上递增.
(2)
依题意,,求导得,
有两个极值点,即在上有两个不等根和,则,且,
因为,
则,若存在a,使得,则,
即,不妨令,亦即成立,
令,,,因此在上递增,
,于是得当时,不成立,
所以不存在a,使得.
6.(2022·江苏泰州·模拟预测)已知函数,其中a,b为常数,为自然对数底数,.
(1)当时,若函数,求实数b的取值范围;
(2)当时,若函数有两个极值点,,现有如下三个命题:
①;②;③;
请从①②③中任选一个进行证明.
(注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分)
【答案】(1)
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)分,讨论,当时,求的最小值,根据可得;
(2)将问题转化为有两个零点,先利用导数研究两个零点的范围,然后由,,作商取对数得.若选①,令,构造函数,若选②,构造函数,根据极值点偏移问题的方法可证;若选③,构造函数,由单调性可证.
(1)
当时,,
当时,因为,所以此时不合题意;
当时,当时,,单调递减,
当时,,单调递增,
所以,
要,只需,
令,则,
当时,,单调递增;
当时,,单调递减,
所以,则由得,
所以,故实数b的取值范围为.
(2)
当时,,,
令,则,
因为函数有两个极值点,,所以有两个零点,
若,则,单调递增,不可能有两个零点,所以,
令得,
当时,,单调递减;
当时,,单调递增;
所以,
因为有两个零点,所以,则,
设,因为,,则,
因为,所以,,
则,取对数得,
令,,则,即
①令,则,因为,所以在上单调递减,在上单调递增,
令,
则,在上单调递减,
因为,所以,即,
亦即,
因为,,在上单调递增,所以,
则,整理得,
所以,故①成立
②令,则,
因为,所以在上单调递减,在上单调递增,
令,则,在上单调递增,
又,所以当时,,即,
因为,,在上单调递增,所以,
所以,即,
所以,
即,故②成立.
③令,,则,
令,则,
∴在上单调递增,则,
∴,则,
两边约去后化简整理得,即,
故③成立.
7.(2022·北京·北师大二附中三模)已知函数,其中,为的导函数.
(1)当,求在点处的切线方程;
(2)设函数,且恒成立.
①求的取值范围;
②设函数的零点为,的极小值点为,求证:.
【解析】
【分析】
(1)利用导数的几何意义即可求解.
(2)①先对函数求导,得到,推出,求导,得到,解对应不等式,得到单调性,求出其最小值,再根据恒成立,即可得出结果;
②先设,求导得.
设,对其求导,判定单调性,从而得到函数单调性,得到是函数的极小值点,得到,再由①得时,,推出所以,得到,得到函数在区间上单调递增,再由题意,即可得出结论成立.
(1)
时,,,,,所以函数在处的切线方程,即.
(2)
①由题设知,,
,,
由,得,所以函数在区间上是增函数;
由,得,所以函数在区间上是减函数.
故在处取得最小值,且.
由于恒成立,所以,得,
所以的取值范围为;
②设,则.
设,
则,
故函数在区间上单调递增,由(1)知,,
所以,,
故存在,使得,
所以,当时,,,函数单调递减;
当时,,,函数单调递增.
所以是函数的极小值点.因此,即.
由①可知,当时,,即,整理得,
所以.
因此,即.
所以函数在区间上单调递增.
由于,即,
即,
所以.
又函数在区间上单调递增,所以.
8.(2022·河南·模拟预测(文))已知函数的最小值为1.
(1)求实数的值;
(2)过点作图象的两条切线MA,MB,A(),B()是两个切点,证明:>1.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)定义域为,函数有最小值,必然不单调,易求出极小值即最小值,代入可答案.
(2)利用切线方程,消去得到的等式关系,将>1变形得到,令构造函数,得证.
(1)
,
当≤0时,<0,在单调递减,不合题意;
当>0时,在()上,<0,在()上,>0.
在单调递减,在单调递增,
故的最小值为;
(2)
证明:,
同理,,
两式相减得,不妨设,
要证>1.只须证>1.即,
即证,令,即证,
设,恒成立,
故h(t)为增函数,,故原式得证.
9.(2022·浙江·赫威斯育才高中模拟预测)已知,函数.
(1)当时,求的单调区间和极值;
(2)若有两个不同的极值点,.
(i)求实数的取值范围;
(ii)证明:(……为自然对数的底数).
【答案】(1)递减区间为,递增区间为,极小值为,无极大值
(2)(i);(ii)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)求出解析式,利用导数研究函数的单调性,即可求出函数的极值;
(2)(i)由,构造函数(),将问题转化函数有个不同的零点,利用导数分类讨论函数当、、时的单调性,结合极值点的定义即可得出结果;
(ii)由(i),利用换元法可得,令,整理可得,
利用放缩法和导数证明在上恒成立即可.
(1)
当时,(),则,
故当时,,当时,,
故的递减区间为,递增区间为,
极小值为,无极大值;
(2)
(i)因为(),
令(),问题可转化函数有个不同的零点,
又,令,
故函数在上递减,在上递增,
故,故,即,
当时,在时,函数,不符题意,
当时,则,,,
即当时,存在,,
使得在上递增,在上递减,在上递增,
故有两个不同的极值点的a的取值范围为;
(ii)因为,,且,
令,则,,
又,
令,即只要证明,即,
令,
则,
故在上递增,且,所以,即,
从而,
又因为二次函数的判别式,
即,即,
所以在上恒成立,故.
10.(2022·陕西·汉台中学模拟预测(理))已知函数(,).
(1)求函数的极值;
(2)若函数的最小值为0,,()为函数的两个零点,证明:.
【答案】(1)极小值为,无极大值
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)首先求函数的导数,分和两种情况讨论函数的单调性,再求函数的极值;
(2)首先由函数的最小值,确定,再结合零点存在性定理确定,,可得,再通过构造函数求函数的最小值.
(1)
(),,
若时,则恒成立,
在上单调递增,故没有极值;
若,则当时,,单调递减,
当时,,单调递增,
有极小值,极小值为,无极大值.
(2)
证明:由(1)可知,当时,有最小值,,
由函数的最小值为0,得,
由题知,
,,
,
,,
,(),
令,则,
令,则在上单调递增,
又,在上,,,单调递减,
在上,,,单调递增,
,
得证.
11.(2022·全国·模拟预测)已知函数.
(1)当时,求曲线在处的切线方程;
(2)若存在两个极值点、,求实数的取值范围,并证明:.
【答案】(1);
(2),证明见解析﹒
【解析】
【分析】
(1)先求出,再根据导数的几何意义求出切线的斜率,进而可得切线方程;
(2)将函数存在两个极值点转化为其导函数存在两个零点,构造函数,利用导数研究函数的单调性及最值,进而得到的取值范围,由,可知要证,只要证,只要证,构造新函数,利用导数研究新函数的单调性,进而可得结果.
(1)
当时,,则,
,∴,
∴曲线在处的切线方程为,即.
(2)
由题意知,
令,,
∵存在两个极值点,∴有两个零点,
易知,
当时,,在上单调递增,g(x)至多有一个零点,不合题意.
当时,由得,
若,则,单调递增;
若,则,单调递减.
要使有两个零点,需,解得.
当时,,∴在上存在唯一零点,记为.
∵,∴,,
设,则,令,,则,
∴在上单调递减,∴,即,
∴在上存在唯一零点,记为.
则,随的变化情况如下表:
﹣
0
﹢
0
﹣
↘
极小值
↗
极大值
↘
∴实数的取值范围是.
∵,,∴,
∵,∴,
∵,∴要证,只要证,
只要证,只要证,
又,∴只要证,即证.
设,,
则,
∴F(x)在时单调递增,
∴,
∴成立,即得证.
12.(2022·山东威海·三模)已知函数.
(1)当时,求的单调区间;
(2)若有两个极值点,且,从下面两个结论中选一个证明.
①;
②.
【答案】(1)的单增区间为;单减区间为,
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)首先求函数的导数,根据导数与函数单调性的关系,即可求解;
(2)若选①,不等式转化为证明,变形为证明,通过构造函数,即可证明;
若选②,首先根据函数有两个极值点,证得,,再变换为,通过构造函数,利用导数,即可证明.
(1)
,
当时,,
令,解得;令,解得或,
所以的单增区间为;单减区间为,.
(2)
证明①:由题意知,是的两根,则,
,
将代入得,,
要证明,
只需证明,
即,
因为,所以,
只需证明,
令,则,只需证明,即,
令,
,
所以在上单调递减,可得,
所以,
综上可知,.
证明②:
设,
因为有两个极值点,所以,
解得,
因为,
所以,
,
由题意可知,
可得代入得,,
令,
,
当,所以在上单调递减,
当,所以在上单调速增,
因为,所以,
由,
可得,所以,
所以,
所以,即.
13.(2022·全国·模拟预测)已知函数(其中为自然对数的底数).
(1)讨论函数的单调性;
(2)若,不等式恒成立,求实数的取值范围.
【答案】(1)答案见解析
(2)
【解析】
【分析】
(1)结合已知条件分、、三种情况讨论,分析导数的符号变化,即可得出原函数的增区间和减区间;
(2)分析可得,构造函数,即在上恒成立,可得出,利用导数求出函数在上的最小值,即可得出实数的取值范围.
(1)
解:依题意,令,,
则,
令,解得或.
当时,即时,恒成立且不恒为零,
所以,函数的增区间为;
当时,即时,由可得或,由可得,
所以,函数的增区间为、,减区间为;
当时,即时,由可得或,由可得.
所以,函数的增区间为、,减区间为.
综上所述,当时,函数的增区间为;
当时,函数的增区间为、,减区间为;
当时,函数的增区间为、,减区间为.
(2)
解:当时,恒成立,
所以在上单调递增,且.
因为,所以,
则不等式可化为,
即.
令,则问题等价于函数在上单调递增,
即在上恒成立,
即,.
令,,
则.
令,解得,
所以当时,,函数在上单调递减;
当时,,函数在上单调递增;
所以当时,函数取得最小值,且,
所以当时,,所以.
14.(2022·江西·二模(理))设为实数,函数.
(1)判断函数在定义域上的单调性;
(2)若方程有两个实数根,证明:(是自然对数的底数)
【答案】(1)答案见解析
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)讨论的值,利用导数得出在定义域上的单调性;
(2)令,由导数确定,不妨设,由,令,再由导数证明即可得出.
(1)
,
当时,函数在上单调递增;
当时,函数在上单调递增,在上单调递减.
(2)
证明:,
令,
在上单调递增,在上单调递减,,∴,
不妨设,则,故,
令,所以,
要证,只要证,只要证,
令,
设,
∴在上单调递减,在上单调递增,
∵,则存在,使得,
∴在上单调递增,在上单调递减,在上单调递增,
∵,
∴在上恒成立,即证.
15.(2022·重庆八中模拟预测)已知函数.
(1)求的最小值,并证明方程有三个不等实根;
(2)设(1)中方程的三根分别为,,且,证明:.
【答案】(1)最小值为,证明见解析;
(2)证明见解析.
【解析】
【分析】
(1)求f(x)导数,根据导数正负判断f(x)单调性并求其最小值,令f(x)=m,构造函数,利用导数判断g(m)单调性和值域,从而判断方程f(m)=m的根的个数即可;
(2)由(1)知,,欲证,即证,即证,即证,于是构造函数,,证明即可.
(1)
∵,
∴当时,,单调递减;
当时,,单调递增,
故的最小值为.
设,则方程变形为f(m)=m,即f(m)-m=0,
令,,
则,由得.
因此,当时,,单调递减;当时,,单调递增.
由于,故,又由,由零点存在定理,存在,使得,
∴有两个零点1和,方程f(m)=m有两个根和,
则如图,时,因为,故方程有一个根,
下面考虑解的个数,其中,
设,结合的单调性可得:
在上为减函数,在上为增函数,
而,,,
故在上有且只有一个零点,
,设,
故,故即,
而,故在上有且只有一个零点,
故有两个不同的根、且,
即方程共有三个不等实根;
(2)
由(1)知,且满足,,
令,,则
,
令,则.
当时,,单调递减,
又∵,∴当时,,,单调递减,
∵,∴,即.
∵,∴,又∵,∴.
∵,,而在单调递减,∴.
即,故,原命题得证.
【点睛】
本题第一问的关键是令f(x)=m,将问题转化为关于m的方程f(m)=m有两根,数形结合判断原关于x的方程的根的情况;第二问的关键是注意到可变形为,,,考虑到f(x)在(0,1)单调递减,且,故可将问题转化为,从而巧妙构造函数,即可证明求解.
16.(2022·湖北·模拟预测)已知对于不相等的正实数a,b,有成立,我们称其为对数平均不等式.现有函数.
(1)求函数的极值;
(2)若方程有两个不相等的实数根,.
①证明:;
②证明:.
【答案】(1)极大值为,无极小值
(2)①证明见解析;②证明见解析
【解析】
【分析】
(1)利用导数求单调区间,由单调区间即可求出极值;
(2)由和可得,由已知条件所给的不等式即可证得①;
由①可得,则,令,构造函数,利用二次求导根据单调性即可证得②.
(1)
函数的定义域为,
,
则当时,;时,.
即在上递增,上递减,
故的极大值为,无极小值.
(2)
结合(1)由,;,,可得,
①由题意可得,从而,
即,
结合参考的公式可得:,
故,
且,即,从而有.
②由①可得,令,则,
所以,
则,
则,∴递减,
又∵,∴,
故递增,∴,
即,
即.
17.(2022·山东临沂·二模)已知函数.
(1)若存在,使≤成立,求a的取值范围;
(2)若,存在,,且当时,,求证:.
【答案】(1);
(2)证明见解析.
【解析】
【分析】
(1)参变分离不等式≤,构造函数,求h(x)的最小值即可得a的取值范围;
(2)整理化简可得,构造函数并判断单调性,从而可利用将等式中替换掉,问题即可转化为证明,令即可进一步转化为证明即可.
(1)
由,得,,即,
令, ,则,
设,,则,
在上单调递增,,
在上,,单调递增,
,
取值范围是;
(2)
不妨设,
,(*),
,
令,故,故函数在上单调递增.
,从而,
由(*)得,
,
下面证明:,
令,则.即证明:,则只要证明,
设,在恒成立,
在单调递减,故,
,
.
【点睛】
本题第二问关键是构造函数,将转化为,构造,将问题转化为即可.
18.(2022·天津·一模)已知函数.
(1)若,求函数的单调增区间;
(2)若关于x的不等式恒成立,求整数a的最小值;
(3)当时,函数恰有两个不同的零点,且,求证:.
【答案】(1)单调增区间为
(2)2
(3)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)先求出,再利用导数求出的单调增区间;
(2)先利用分离参数法得到对恒成立.令,求导得到,再令,判断出,使,得到在上单调递增,在上单调递减,求出,得到.由,求出整数a的最小值;
(3)用分析法证明:当时,把题意转化为只需证.先整理化简得到,只需证.令,构造函数,利用导数证明出.即证.
(1)
当时,,所以,
则,定义域为.
令,解得:.
所以的单调增区间为.
(2)
依题意对恒成立,等价于对恒成立.
令,则
令在上是增函数,
,
所以,使即
对,,,所以在上单调递增;
对,,,所以在上单调递减.
所以.
所以.
又,所以整数a的最小值2
(3)
当时,由(2)知在上单调递增,在上单调递减且,时,;时,;
依题意存在,使得
已知可得
要证成立,只需证
因为是的零点,所以,
两式相减得:
即
只需证
又因为只需证
即证
令则,所以,
所以在增函数,所以即.
即成立.
所以原不等式得证.
【点睛】
导数是研究函数的单调性、极值(最值)最有效的工具,而函数是高中数学中重要的知识点,对导数的应用的考查主要从以下几个角度进行:
(1)考查导数的几何意义,往往与解析几何、微积分相联系.
(2)利用导数求函数的单调区间,判断单调性;已知单调性,求参数.
(3)利用导数求函数的最值(极值),解决生活中的优化问题.
(4)利用导数证明不等式.
19.(2022·浙江绍兴·模拟预测)已知函数,(其中是自然对数的底数)
(1)试讨论函数的零点个数;
(2)当时,设函数的两个极值点为、且,求证:.
【答案】(1)答案见解析
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)可得,令,其中,则函数的零点个数等于直线与函数图象的公共点个数,利用导数分析函数的单调性与极值,数形结合可得出结论;
(2)推导出,将所证不等式转化为,设函数的图象在处的切线交直线于点,函数的图象在处的切线交直线于点,证明出,,再利用不等式的基本性质可证得所证不等式成立.
(1)
解:由可得,令,其中,
则函数的零点个数等于直线与函数图象的公共点个数,
,令可得,列表如下:
减
极小值
增
如下图所示:
当时,函数无零点;
当时,函数只有一个零点;
当时,函数有两个零点.
(2)
证明:,其中,
所以,,由已知可得,
上述两个等式作差得,
要证,即证,
因为,设函数的图象交轴的正半轴于点,则,
因为函数在上单调递增,,,,
设函数的图象在处的切线交直线于点,
函数的图象在处的切线交直线于点,
因为,所以,函数的图象在处的切线方程为,
联立可得,即点,
构造函数,其中,则,
当时,,此时函数单调递减,
当时,,此时函数单调递增,所以,,
所以,对任意的,,当且仅当时等号成立,
由图可知,则,所以,,
因为,可得,
函数在处的切线方程为,
联立,解得,即点,
因为,
所以,,
构造函数,其中,则,,
当时,,此时函数单调递减,
当时, ,此时函数单调递增,则,
所以,对任意的,,当且仅当时,等号成立,
所以,,可得,
因此,,故原不等式成立.
20.(2022·福建南平·三模)已知函数.
(1)讨论函数的单调性;
(2)若,求证:函数有两个零点,且.
【答案】(1)当时,在上单调递增;当时,在上单调递减,在上单调递增;
(2)证明见解析
【解析】
【分析】
(1)直接求导,分和讨论单调性即可;
(2)先讨论当时无零点,再讨论时,通过同构得到,即,确定在上的零点,即可证明有两个零点;由相减得,换元令,进而得到,通过放缩构造函数即可求证.
(1)
定义域为,,当时,,在上单调递增;
当时,由得,当时,单调递减,当时,单调递增;
综上:当时,在上单调递增;当时,在上单调递减,在上单调递增;
(2)
当时,因为,所以,无零点.当时,由,
得,即,设,则有,因为在上成立,
所以在上单调递减,当时,,所以等价于,
即,所以的零点与在上的零点相同.若,由(1)知在上单调递减,在上单调递增,
又, ,,
所以在和上各有一个零点,即在上有两个零点,综上有两个零点.
不妨设,则,相减得,
设,则,代入上式,解得,所以,
因为,所以,因此要证,只需证,即证,
设,则,所以在递增,,
即,因为,所以可化成,又因为,所以.
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