上册 3.5 不等式证明 第31题

数学分析早年真题

📝 题目

31.证明下列不等式. (1)$\displaystyle \frac{2}{3} n \sqrt{n} \leqslant \sum_{k=1}^{n} \sqrt{k}<\left(\frac{2}{3} n+\frac{1}{2}\right) \sqrt{n}$ . (2) $\displaystyle 2 \sqrt{n+1}-2 \leqslant \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k}}<2 \sqrt{n}-1$ . (3)对任何正整数 $\displaystyle n \geqslant 2, \frac{1}{2} \leqslant \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln n<1$ . (4)若 $\displaystyle \lambda=\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}$ ,证明: $\mathrm{e}^{\lambda}>n+1$ . (5) $\displaystyle 0<\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln (n+1) \leqslant \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^{2}}<1$ 。 (6) $2<\mathrm{e}<3$ . 其中 $n$ 为正整数。

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)先证:$\displaystyle \frac{2 n}{3} \sqrt{n}<\sum_{k=1}^{n} \sqrt{k}$ . 由 $\sqrt{n}<\int_{n}^{n+1} \sqrt{x} \mathrm{~d} x<\sqrt{n+1}$ 得 $\displaystyle \left.\sqrt{n} \leqslant \frac{2}{3}[(n+1) \sqrt{n+1})-n \sqrt{n}\right] \leqslant \sqrt{n+1}$ .于是 $$ \frac{2}{3}(n \sqrt{n}-1)=\frac{2}{3}[(2 \sqrt{2}-1)+(3 \sqrt{3}-2 \sqrt{2})+(4 \sqrt{4}-3 \sqrt{3})+\cdots+(n \sqrt{n}-(n-1) \sqrt{n-1})]<\sqrt{2}+\cdots+\sqrt{n} . $$ 故 $$ \frac{2}{3} n \sqrt{n}<\frac{2}{3}+\sqrt{2}+\cdots+\sqrt{n}<1+\sqrt{2}+\cdots+\sqrt{n} . $$ 下证:$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} \sqrt{k}<\left(\frac{2 n}{3}+\frac{1}{2}\right) \sqrt{n}$ . 由 $\displaystyle 1<\frac{2}{3}+\frac{1}{2}$ 知 $k=1$ 时不等式成立. 假设当 $k=n$ 时不等式成立,看 $k=n+1$ 时的情形: 由 $16 n^{3}+24 n^{2}+9 n<16 n^{3}+24 n^{2}+9 n+1$ 得 $$ (4 n+3)^{2} n<(4 n+1)^{2}(n+1) $$ 变形得 $$ \left(\frac{2 n}{3}+\frac{1}{2}\right) \sqrt{n}<\left(\frac{2 n}{3}+\frac{1}{6}\right) \sqrt{n+1} $$ 于是 $$ \left(\frac{2}{3} n+\frac{1}{2}\right) \sqrt{n}+\sqrt{n+1}<\left[\frac{2}{3}(n+1)+\frac{1}{2}\right] \sqrt{n+1} $$ 即 $$ \sum_{k=1}^{n+1} \sqrt{k}=\sum_{k=1}^{n} \sqrt{k}+\sqrt{n+1}<\left(\frac{2}{3} n+\frac{1}{2}\right) \sqrt{n}+\sqrt{n+1} $$ 即 $k=n+1$ 时不等式成立.由数学归纳法得证. (2)由 $\displaystyle \frac{1}{\sqrt{n+1}}<\int_{n}^{n+1} \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{~d} x<\frac{1}{\sqrt{n}}$ 得 $\displaystyle \frac{1}{\sqrt{n+1}}<2(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})<\frac{1}{\sqrt{n}}$ .于是 $$ \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k}}<1+2[(\sqrt{2}-1)+(\sqrt{3}-\sqrt{2})+\cdots+(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})]=1+2(\sqrt{n}-1)=2 \sqrt{n}-1 $$ 又由 $\displaystyle 2(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})<\frac{1}{\sqrt{n}}$ 得 $$ 2[(\sqrt{2}-1)+(\sqrt{3}-\sqrt{2})+\cdots+(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})]<1+\frac{1}{\sqrt{2}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n}} . $$ 于是 $$ 2(\sqrt{n+1}-1)<1+\frac{1}{\sqrt{2}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n}} . $$ 综上得 $$ 2 \sqrt{n+1}-2 \leqslant \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k}}<2 \sqrt{n}-1 $$ (3)由 $\displaystyle \frac{1}{n+1}<\int_{n}^{n+1} \frac{1}{x} \mathrm{~d} x<\frac{1}{n}$ 得:$\displaystyle \frac{1}{n+1}<\ln (n+1)-\ln n<\frac{1}{n}$ .于是 $$ \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}<1+(\ln 2-\ln 1)+(\ln 3-\ln 2)+\cdots+(\ln n-\ln (n-1))=\ln n+1 . $$ 故 $\displaystyle \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln n<1$ . 下证:$\displaystyle \frac{1}{2} \leqslant \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln n$ . 由 $\displaystyle 1+\frac{1}{2}-\ln 2>\frac{1}{2}$ 知,$i=2$ 时不等式成立. 假设当 $i=n$ 时不等式成立,看 $i=n+1$ 时的情形: 由 $\displaystyle \frac{1}{n+1}<\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)$ 知 $$ \sum_{k=1}^{n+1} \frac{1}{k}-\ln (n+1)=\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln n+\frac{1}{n+1}-\ln (n+1)+\ln n>\frac{1}{2}+\frac{1}{n+1}-\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)>\frac{1}{2} . $$ 即当 $i=n+1$ 时不等式成立.由数学归纳法得证. (4)由 $\displaystyle \frac{1}{k+1}<\int_{k}^{k+1} \frac{1}{x} \mathrm{~d} x<\frac{1}{k}$ 得 $\displaystyle \frac{1}{k+1}<\ln (k+1)-\ln k<\frac{1}{k}$ .让 $k=1,2, \cdots, n$ ,并相加得 $$ \frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{n+1}<\ln (n+1)<1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{n}, $$ 即 $\mathrm{e}^{\lambda}>(n+1)$ . (5)由 $\displaystyle \frac{1}{n+1}<\int_{n}^{n+1} \frac{1}{x} \mathrm{~d} x<\frac{1}{n}$ 得 $\displaystyle \frac{1}{n+1}<\ln (n+1)-\ln n<\frac{1}{n}$ .于是 $$ \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln (n+1)>\ln (n+1)-\ln (n+1)=0 . $$ 又由 $\displaystyle \frac{1}{(n+1)^{2}}<\int_{n}^{n+1} \frac{1}{x^{2}} \mathrm{~d} x<\frac{1}{n^{2}}$ 得 $\displaystyle \frac{1}{(n+1)^{2}}<\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}<\frac{1}{n^{2}}$ .于是 $$ \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^{2}}=1+\sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k^{2}}<1+\left(1-\frac{1}{2}\right)+\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{n-1}-\frac{1}{n}\right)<2 . $$ 所以 $\displaystyle \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^{2}}<1$ . 下证:$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln (n+1) \leqslant \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^{2}}$ . 当 $n=1$ 时, $\displaystyle 1-\ln 2 \leqslant \frac{1}{2}$ 成立. 假设当 $i=n$ 时不等式成立,看 $i=n+1$ 时的情形. $$ \sum_{k=1}^{n+1} \frac{1}{k}-\ln (n+2)=\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln (n+1)+\frac{1}{n+1}-\ln (n+2)+\ln (n+1)<\frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^{2}}+\frac{1}{n+1}-\ln \left(1+\frac{1}{n+1}\right) . $$ 由于当 $x>0$ 时有 $\displaystyle x-\frac{x^{2}}{2}<\ln (1+x)

📋 详细解题步骤

步骤 1/9
目标:证明不等式(1)的左边部分
利用积分不等式 $\sqrt{n} < \int_{n}^{n+1} \sqrt{x} \, dx < \sqrt{n+1}$,得到 $\sqrt{n} \leq \frac{2}{3}[(n+1)\sqrt{n+1} - n\sqrt{n}] \leq \sqrt{n+1}$。然后求和:$\frac{2}{3}(n\sqrt{n} - 1) < \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n}$,从而 $\frac{2}{3}n\sqrt{n} < \frac{2}{3} + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n} < 1 + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n}$,即 $\frac{2}{3}n\sqrt{n} \leq \sum_{k=1}^n \sqrt{k}$。
公式:$\sqrt{n} < \int_{n}^{n+1} \sqrt{x} \, dx < \sqrt{n+1}$
提示:注意积分放缩的方向,以及求和时首项的处理。
步骤 2/9
目标:证明不等式(1)的右边部分
用数学归纳法。当 $n=1$ 时,$1 < \frac{2}{3} + \frac{1}{2}$ 成立。假设 $n$ 时成立,考虑 $n+1$:由 $(4n+3)^2 n < (4n+1)^2 (n+1)$ 得 $(\frac{2n}{3}+\frac{1}{2})\sqrt{n} < (\frac{2n}{3}+\frac{1}{6})\sqrt{n+1}$,于是 $(\frac{2n}{3}+\frac{1}{2})\sqrt{n} + \sqrt{n+1} < [\frac{2}{3}(n+1)+\frac{1}{2}]\sqrt{n+1}$,即 $\sum_{k=1}^{n+1} \sqrt{k} < (\frac{2}{3}(n+1)+\frac{1}{2})\sqrt{n+1}$。
公式:$(4n+3)^2 n < (4n+1)^2 (n+1)$
提示:归纳步骤中需要构造合适的代数不等式,注意变形技巧。
步骤 3/9
目标:证明不等式(2)的右边部分
利用积分不等式 $\frac{1}{\sqrt{n+1}} < \int_{n}^{n+1} \frac{1}{\sqrt{x}} \, dx < \frac{1}{\sqrt{n}}$,得到 $\frac{1}{\sqrt{n+1}} < 2(\sqrt{n+1}-\sqrt{n}) < \frac{1}{\sqrt{n}}$。求和:$\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k}} < 1 + 2[(\sqrt{2}-1)+(\sqrt{3}-\sqrt{2})+\cdots+(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})] = 2\sqrt{n}-1$。
公式:$\frac{1}{\sqrt{n+1}} < 2(\sqrt{n+1}-\sqrt{n}) < \frac{1}{\sqrt{n}}$
提示:注意裂项相消时首项1的处理。
步骤 4/9
目标:证明不等式(2)的左边部分
由 $2(\sqrt{n+1}-\sqrt{n}) < \frac{1}{\sqrt{n}}$ 得 $2[(\sqrt{2}-1)+\cdots+(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})] < 1+\frac{1}{\sqrt{2}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n}}$,即 $2(\sqrt{n+1}-1) < \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k}}$,所以 $2\sqrt{n+1}-2 \leq \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k}}$。
公式:$2(\sqrt{n+1}-\sqrt{n}) < \frac{1}{\sqrt{n}}$
提示:注意左边不等号方向,以及求和从k=1开始。
步骤 5/9
目标:证明不等式(3)的右边部分
利用积分不等式 $\frac{1}{n+1} < \ln(n+1)-\ln n < \frac{1}{n}$,求和:$\sum_{k=1}^n \frac{1}{k} < 1 + (\ln2-\ln1)+\cdots+(\ln n-\ln(n-1)) = \ln n + 1$,即 $\sum_{k=1}^n \frac{1}{k} - \ln n < 1$。
公式:$\frac{1}{n+1} < \ln(n+1)-\ln n < \frac{1}{n}$
提示:注意裂项相消后只剩下ln n和1。
步骤 6/9
目标:证明不等式(3)的左边部分
用数学归纳法。当 $n=2$ 时,$1+\frac{1}{2}-\ln2 > \frac{1}{2}$ 成立。假设 $n$ 时成立,考虑 $n+1$:$\sum_{k=1}^{n+1} \frac{1}{k} - \ln(n+1) = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k} - \ln n + \frac{1}{n+1} - \ln(n+1) + \ln n > \frac{1}{2} + \frac{1}{n+1} - \ln(1+\frac{1}{n}) > \frac{1}{2}$,因为 $\frac{1}{n+1} < \ln(1+\frac{1}{n})$。
公式:$\frac{1}{n+1} < \ln(1+\frac{1}{n})$
提示:归纳步骤中需要利用对数不等式,注意符号方向。
步骤 7/9
目标:证明不等式(4)
由 $\frac{1}{k+1} < \ln(k+1)-\ln k < \frac{1}{k}$,对 $k=1,\dots,n$ 求和得 $\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{n+1} < \ln(n+1) < 1+\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{n}$。左边不等式即 $\sum_{k=1}^n \frac{1}{k+1} < \ln(n+1)$,所以 $\lambda = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k} > \ln(n+1)$,即 $e^\lambda > n+1$。
公式:$\frac{1}{k+1} < \ln(k+1)-\ln k < \frac{1}{k}$
提示:注意求和后不等式的方向,以及指数与对数的关系。
步骤 8/9
目标:证明不等式(5)
先证左边:由 $\frac{1}{n+1} < \ln(n+1)-\ln n$ 得 $\sum_{k=1}^n \frac{1}{k} - \ln(n+1) > 0$。再证右边:用数学归纳法。当 $n=1$ 时,$1-\ln2 \leq \frac{1}{2}$ 成立。假设 $n$ 时成立,考虑 $n+1$:$\sum_{k=1}^{n+1} \frac{1}{k} - \ln(n+2) < \frac{1}{2}\sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2} + \frac{1}{n+1} - \ln(1+\frac{1}{n+1})$。利用不等式 $\ln(1+x) > x - \frac{x^2}{2}$ 得 $\frac{1}{n+1} - \ln(1+\frac{1}{n+1}) < \frac{1}{2(n+1)^2}$,所以 $\sum_{k=1}^{n+1} \frac{1}{k} - \ln(n+2) < \frac{1}{2}\sum_{k=1}^{n+1} \frac{1}{k^2}$。另外,由 $\frac{1}{(n+1)^2} < \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}$ 得 $\sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2} < 2$,故 $\frac{1}{2}\sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2} < 1$。
公式:$\ln(1+x) > x - \frac{x^2}{2}$ 对于 $x>0$
提示:归纳步骤中需要用到对数不等式,注意放缩的精度。
步骤 9/9
目标:证明不等式(6)
利用 $e^x$ 的泰勒展开:$e = \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{k!} = 1+1+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\cdots$。显然 $e > 1+1 = 2$。又 $\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\cdots < \frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\cdots = 1$,所以 $e < 1+1+1 = 3$。
公式:$e^x = \sum_{k=0}^\infty \frac{x^k}{k!}$
提示:注意放缩时用等比数列求和,确保不等式方向正确。

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