本题导读

本题考查指数函数、等差数列与不等式的综合应用。核心意图在于测试学生利用待定系数法确定指数函数模型,通过对数换元导出标准等差数列,并结合代数性质求解一元二次不等式的整数解,以及利用不定方程分析整除性的综合逻辑推理能力。

📌【题干】

Question

(2002年上海卷(理)) 已知函数 的图象过点 和 .

(1) 求函数 的解析式;

(2) 记 , 是正整数, 是数列 的前 项和,解关于 的不等式 ;

(3) 对于 (2) 中的 与 ,整数 是否为数列 中的项?若是,则求出相应的项数;若不是,则说明理由.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问逻辑:将已知两点坐标直接代入 建立二元方程组,两式相除消去未知数 求出底数 ,进而还原出系数 ,锁定解析式。
  2. 第二问逻辑:将 代入对数式,利用对数的加乘性质展开,发现通项 是关于 的一次函数,判定该数列为等差数列。写出通项 与前 项和 的代数式,代入目标乘积不等式 ,转化为关于正整数 的一元二次不等式,结合 的离散边界求解。
  3. 第三步逻辑:令通项公式 ,代入展开后得到一个关于项数 的三次不定方程。通过提取公因式,将其转化为 的形式,利用算术基本定理对常数进行质因数分解,并通过奇偶性与大小范围夹逼验证是否存在合法的正整数解 。

✅【答案】

Success

(1)

(2)

(3) 不是数列 中的项

✍【详细解析】

Abstract

解:(1)求函数 的解析式

将点 和 代入解析式 中,得:

将方程 ② 除以方程 ①,消去系数 :

将 代入方程 ② 中:

因此,函数的解析式为:

解:(2)解关于 的不等式

根据第一问结果, 。 代入通项定义式 :

由此可知, 数列 是一个首项 ,公差 的等差数列。 计算其前 项和 :

将 与 代入目标不等式 中: 两边同除以 2,得:

由于项数 必须为正整数(),两边可以同时除以 ,不等号方向不变:

解该一元二次不等式,得:

因为 为正整数,所以满足不等式的 的取值集合为:

解:(3)判定整数 是否为数列 中的项

假设整数 是该数列中的第 项,则有方程:

将 和 代入方程中: 两边同时除以 2 展开并整理:

对上述三次方程进行因式结构重组以利于整数根分析: 由于右侧 ,且 ,因此必须满足 。

下面通过对 5000 进行质因数分解或数值逼近来判定是否存在正整数解: 令新数列通项为 。由于当 时, 是严格单调递增的。 代入一些特殊的整数进行值域夹逼:

  • 当 时,
  • 当 时,
  • 当 时,

由单调性可知,若方程有正整数解,其范围必被锁定在开区间 内。 逐一检验该区间内的所有整数:

  • 当 时,
  • 当 时,
  • 当 时,
  • 当 时,

经检验,在所有可能的整数区间内均没有满足方程的 值。

因此,整数 不是数列 中的项。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:等差数列通项与求和公式的综合构造;高次整系数方程的正整数根夹逼判定。
  2. 核心方法:区间化归法、数值夹逼检验法。
  3. 避坑指南:
  • 高次方程盲目用求根公式:在第三问面对一元三次方程时,不要尝试展开后用三次方程求根公式。由于前提条件限制 ,利用函数的单调性划定合理的上下界,再进行有限项排除,是处理离散数学整数解最严密且最高效的策略。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题为2002年上海高考数学理科卷的压轴大题。将基本的初等指数函数作为纽带,向内延伸考查了等差数列的代数和,向外扩展考查了高次不定方程的离散整数解,属于经典的综合选拔性试题。
  2. 结论推广: 对于形如 的一元三次方程求正整数解问题: 其通用的数论分析策略为主项放缩法。由于当 较大时, 和 对最高次项的影响减弱,方程可近似近似看作 。 本题中 ,利用立方根估算 。由于减去了 ,实际的 应当比 17.1 略大。通过计算 附近的整数上界,可以省去大量盲目代值的时间,快速完成精确夹逼。

🔗【关联脉络】

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