导数背景下正整数不等式的证明

来源 :高中生学习·高二文综版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shanyuqi0513
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  近年来“函数、导数与正整数有关不等式的综合问题”成为各地高三调研考试及高考中的命题热点,且一般以压轴题出现!此类问题一般设置有几小问,最后证明不等式,一般可以用数学归纳法,或者利用不等式适当放缩进行证明. 命题者还有一个重要意图是利用前几问中已经得出的结论,充分发挥大家的创造力,把函数中的变量[x]用含有[n]的式子进行替换,再通过适当变形、求和来证明不等式.但是如何替换及变形是难点,怎么突破?
  类型一 证明含二元正整数不等式
  例1 已知函数[f(x)=ax+xlnx],且图象在点[(1e,f(1e))]处的切线斜率为1([e]为自然对数的底数).
  (1)求实数[a]的值;
  (2)设[g(x)=f(x)-xx-1],求[g(x)]的单调区间;
  (3)当[m>n>1(m,n∈Z)]时,证明: [nmmn>nm].
  解析 (1)[a=1].
  (2)[g(x)]的单调增区间为[(0,1)],[(1,+∞)].
  (3)要证[nmmn>nm],即证[lnnm-lnmn>lnn-lnm],
  即证[n-1nlnm>m-1mlnn],即证[mlnmm-1>nlnnn-1].
  即证[f(m)>g(n).]
  ∵[m>n>1],由(2)可知,[g(x)]在[(1,+∞)]上单调递增,
  ∴[g(m)>g(n)],∴[nmmn>nm].
  点拨 含两个变元的不等式,通过变形(两边取对数、取倒数等),将它变形为一个函数[f(x)]背景下两个函数值的大小[f(m)≥f(n)](或[f(m)≤f(n)])形式,再根据函数的单调性得出结论!
  类型二 证明含一元正整数不等式
  1. 直接替换,再求和
  例2 已知函数[f(x)=lnx+ax+1(a∈R)].
  (1)当[a=2]时,试比较[f(x)]与[1]的大小;
  (2)求证:[ln(n+1)>13+15+17+…+12n+1]([n∈N*]).
  解析 (1)当[a=2]时, ①若[x>1]时,[f(x)>1];②若[0  (2)根据(1)的结论,当[x>1]时,[lnx+2x+1>1],即[lnx>x-1x+1].
  令[x=k+1k],则有[lnk+1k>12k+1].
  ∴[k=1nlnk+1k>k=1n12k+1].
  [∵ln(n+1)=k=1nlnk+1k],
  ∴[ln(n+1)>13+15+…+12n+1].
  点拨 含有一元正整数不等式的证明,且是求和形式,联想[k=1nlnk+1k=ln21+ln32+…+lnn+1n][=ln(21?32?43…n+1n)][=ln(n+1)],把[lnx>x-1x+1]中间的[x]直接用[k+1k]替换,得到[lnk+1k>12k+1],两边求和不等式得证!
  2. 替换,放缩,再求和
  例3 已知函数[f(x)],当[x>0]时,[f(x)=1+lnxx].
  (1)如果当[x≥1]时,不等式[f(x)≥kx+1]恒成立,求实数[k]的取值范围;
  (2)证明:[ln(n+1)>n-2(12+23+34+…+nn+1)][(n∈N*)].
  解析 (1)实数[k]的取值范围为[(-∞,2]].
  (2)由(1)知,当[x≥1]时,即[f(x)≥2x+1],
  即[1+lnxx≥2x+1].
  从而[lnx≥1-2x+1>1-2x],
  令[x=k+1k(k=1,2,3,…,n)],得[lnk+1k>1-2kk+1].
  ∴[ln21>1-22,][ln32>1-2?23],…,[lnn+1n>1-2nn+1].
  将以上不等式两端分别相加得,
  [ln(n+1)>n-2(12+23+34+…+nn+1)(n∈N*)].
  点拨 由第二问可得[lnx≥1-2x+1],同例2,联想用[k+1k]替换[x],得到[lnk+1k≥1-2k2k+1],但与所证结果有“距离”,再从右边[n-2(12+23+34+…+nn+1)]观察推理,需将替换后的式子进行一次放缩,即为[lnx≥1-2x+1>1-2x],[lnk+1k≥1-2k2k+1>1-2kk+1],再两边求和,不等式得证!
  3. “巧”替换,“活”变形,再求和
  例4 已知函數[f(x)=ex-ax-1(a>0)][e]为自然对数的底数.
  (1)求函数[f(x)]的最小值;
  (2)若[f(x)≥0]对任意[x∈R]恒成立,求实数[a]的值;
  (3)在(2)的条件下,证明:[(1n)n+(2n)n+(3n)n][+…(n-1n)n+(nn)n  解析 (1)[f(lna)=a-alna-1].
  (2)[a=1].
  (3)由(2)知,因为[a=1],所以对任意实数[x]均有[ex-x-1≥0],即[1+x≤ex].
  令[x=-kn(n∈N*,k=1,2,3…,n-1)],
  则[0<1-kn≤e-kn.]
  ∴[(1-kn)n≤(e-kn)n=e-k].
  ∴[(1n)n+(2n)n+(3n)n+…+(n-1n)n]
  [  [  [=1-e-n1-e-1<11-e-1=ee-1].
  点拨 由第二问易得[1+x≤ex],由要证结论可知[x]与[kn]有关,需要思考调整,最后用[-kn]“巧妙”替换成[0<1-kn≤e-kn],再变形为[(1-kn)n≤(e-kn)n=e-k],此时“顺序颠倒”着出现结果,不等式得证.
  4. 替换,变形,添(减)项
  例5 已知函数[f(x)=ax+bx+c(a>0)]的图象在点[(1,f(1))]处的切线方程为[y=x-1].
  (1)用[a]表示[b],[c];
  (2)若[f(x)≥lnx]在[[1,+∞)]上恒成立,求实数[a]的取值范围;
  (3)证明:[1+12+13+…+1n>ln(n+1)+n2(n+1)],([n∈N],且[n≥1)].
  解析 (1)[b=a-1, c=1-2a].
  (2)[a]的取值范围为[12,+∞].
  (3)由(2)知[a≥12]时,[f(x)≥lnx]在[1,+∞]上恒成立.
  令[a=12]得,[f(x)=12(x-1x)≥lnx],[x≥1]([x=1]时取等号).
  ∴[x>1]时,[12(x-1x)>lnx].
  取[x=k+1k(k∈N*)],则[12(k+1k-kk+1)>lnk+1k].
  即[12(1k+1k+1)>ln(k+1)-lnk],令[k=1],2,…,[n]得,
  [12(1+12)>ln2-ln1],[12(12+13)>ln3-ln2],…,
  [12(1n+1n+1)>ln(n+1)-lnn].
  相加得,[12+(12+13+…+1n)+12(n+1)>ln(n+1)].
  ∴[1+12+13+…+1n>ln(n+1)+12-12(n+1)]
  [=ln(n+1)+n2(n+1)].
  点拨 由第二问易得[12(x-1x)>lnx],由要证结论可知[x]与[k+1k]有关,变形后得[12(1k+1k+1)][>ln(k+1)-lnk],两边求和得到不等式[12+(12+13+…+1n)+12(n+1)>][ln(n+1)],此时需两边同时再添加[12]. 此题是添项,但有时需减项.
  5. 执果索因,恰当替换,“活”变形,“巧”构造
  例6 已知函数[g(x)=x2-(2a+1)x+alnx].
  (1)当[a=1]时,求函数[g(x)]的单调递增区间;
  (2)若函数[g(x)]在区间[1,e]上单调递增,求[a]的取值范围;
  (3)在(1)的条件下,设[f(x)=g(x)+4x-x2-2lnx], 证明:[k=2n1k-f(k)>3n2-n-2n(n+1)(n≥2)],参考数据:[ln2≈0.6931].
  解析 (1)[0,12,1,+∞].
  (2)[a≤1].
  (3)令[h(x)=lnx-14(x2-1)],[x∈[2,+∞)],[h(x)=2-x22x<0].
  ∵[x∈[2,+∞)],[h(x)<0],
  ∴[h(x)≤h(2)=ln2-34<0],即[lnx<14(x2-1)].
  ∴[1lnx>4(x+1)(x-1)=2(1x-1-1x+1)].
  又∵[k-f(k)=lnk],
  [k=2n1k-f(k)=k=2n1lnk=1ln2+1ln3+…+1lnn>2(1-13+12-14+…+1n-2-1n+1n-1-1n+1)]
  [=2(1+12-1n-1n+1)=3n2-n-2n(n+1)(n≥2)].
  点拨 此题入手容易,左边直接代入[f(x)],求得[k=2n1k-f(k)=k=2n1lnk=1ln2+1ln3+…1lnn],此时右边如何得到是难点!学会从要证明的结果分析,此题只需把[x]简单替换成[k]即可,要“善”变形[1lnx>4(x+1)(x-1)][=2(1x-1-1x+1)],也即[lnx<14(x2-1)] ,“巧”构造函数[h(x)=lnx-14(x2-1)],[x∈[2,+∞)],妙哉!
  6. “靈活”变形,“恰当”赋值,“叠加”求和
  例7 设[n]是正整数,[r]为正有理数.
  (1)求函数[f(x)=(1+x)r+1-(r+1)x-1(x>-1)]的最小值;
  (2)证明:[nr+1-(n-1)r+1r+1  (3)设[x∈R],记[[x]]为不小于[x]的最小整数,例如[[2]=2],[[π]=4],[[-32]=-1]. 令[S=813+823+833][+…+1253],求[[S]]的值.(参考数据:[8043≈344.7,][8143≈350.5,][12443≈618.3,][12643≈631.7]).
  解析 (1)[f(x)min=f(0)=0].
  (2)由(1)知:当[x>-1]时,[(1+x)r+1>(r+1)x+1](伯努利不等式),
  所证不等式即为:[nr+1-(r+1)nr<(n-1)r+1,nr+1+(r+1)nr<(n+1)r+1.]
  若[n≥2,]
  则[nr+1-(r+1)nr<(n-1)r+1?(n-r-1)<(1-1n)r(n-1)][?1-rn-1<(1-1n)r].①
  ∵[(1-1n)r>1-rn,-rn>-rn-1],
  ∴[(1-1n)r>1-rn>1-rn-1],故①式成立.
  若[n=1,] [nr+1-(r+1)nr<(n-1)r+1]显然成立.
  [nr+1+(r+1)nr<(n+1)r+1?n+r+1<(1+1n)r(n+1)]
  [?1+rn+1<(1+1n)r].②
  ∵[(1+1n)r>rn+1,rn>rn+1],
  ∴[(1+1n)r>rn+1>1+rn+1.]故②式成立.
  ∴原不等式成立.
  (3)由(2)可知,当[k∈N*]时,
  [34[k43-(k-1)43]  ∴[S>34k=81125[k43-(k-1)43]=34(12543-8043)≈210.225].
  [S>34k=81125[(k+1)43-k43]=34(12643-8143)≈210.9.]
  ∴[[S]=211.]
  点拨 第一问很简单;第二问用分析法,通过灵活变形不难得知,只需将第一问结论中的[x]替换成[1n]和[-1n]即可;第三问需要用[k]和[13]分别赋值替换[n]和[r],[34[k43-(k-1)43]
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