方企勤 第二章 一元函数微分学 第1题

教材习题

📝 题目

例 1 求证: 当 $x > 0$ 时,不等式 $\ln \left( {1 + x}\right) < \frac{x}{\sqrt{1 + x}}$ 成立.

💡 答案解析

证法 1 作辅助函数 $f\left( x\right) = \ln \left( {1 + x}\right) - \frac{x}{\sqrt{1 + x}}$ ,则 $f\left( 0\right) = 0$ ,

$$ f\left( x\right) = \ln \left( {1 + x}\right) - \sqrt{1 + x} + \frac{1}{\sqrt{1 + x}}, $$

$$ {f}^{\prime }\left( x\right) = \frac{1}{1 + x} - \frac{1}{2\sqrt{x + 1}} - \frac{1}{2\sqrt{x + 1}\left( {x + 1}\right) } $$

$$ = \frac{2\sqrt{x + 1} - x - 2}{2\sqrt{x + 1}\left( {x + 1}\right) } = - \frac{x + 1 - 2\sqrt{x + 1} - 1}{2\sqrt{x + 1}\left( {x + 1}\right) } $$

$$ = - \frac{{\left( \sqrt{x + 1} - 1\right) }^{2}}{2\sqrt{x + 1}\left( {x + 1}\right) } < 0\;\left( {x > 0}\right) , \tag{6.1} $$

从而 $f\left( x\right) \downarrow \Rightarrow f\left( x\right) < f\left( 0\right) = 0$ . 即证得不等式.

证法 2 作辅助函数 $f\left( x\right) = \sqrt{1 + x}\ln \left( {1 + x}\right) - x$ ,则 $f\left( 0\right) = 0$ ,

$$ {f}^{\prime }\left( x\right) = \frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{2\sqrt{x + 1}} - \frac{\sqrt{x + 1}}{x + 1} = \frac{\ln \left( {1 + x}\right) + 2 - 2\sqrt{x + 1}}{2\sqrt{x + 1}}. $$

(6.2)${f}^{\prime }\left( x\right)$ 的表达式 (6.2) 的右端分母肯定是正的,可单独考虑分子. 令 $g\left( x\right) = \ln \left( {1 + x}\right) + 2 - 2\sqrt{x + 1}$ ,则

$$ {g}^{\prime }\left( x\right) = \frac{1}{1 + x} - \frac{1}{\sqrt{1 + x}} = \frac{\sqrt{x + 1} - \left( {x + 1}\right) }{\left( {x + 1}\right) \sqrt{x + 1}} < 0\;\left( {x > 0}\right) . $$

由此可见, $g\left( x\right) \downarrow \Rightarrow g\left( x\right) < g\left( 0\right) = 0$ . 从而,由 (6.2) 式,有

$$ {f}^{\prime }\left( x\right) = \frac{g\left( x\right) }{2\sqrt{x + 1}} \leq 0. $$

于是由 $f\left( x\right) \downarrow$ 推出 $f\left( x\right) \leq f\left( 0\right) = 0$ . 即证得不等式.

证法 3 作变量代换 $t = \sqrt{1 + x}$ ,则

$$ \ln \left( {1 + x}\right) \leq \frac{x}{\sqrt{1 + x}}\left( {x > 0}\right) \Leftrightarrow 2\ln t \leq t - \frac{1}{t}\left( {t > 1}\right) . $$

令 $g\left( t\right) = t - \frac{1}{t} - 2\ln t$ ,则

$$ {g}^{\prime }\left( t\right) = 1 + \frac{1}{{t}^{2}} - \frac{2}{t} = \frac{{t}^{2} - {2t} + 1}{{t}^{2}} = {\left\lbrack \frac{t - 1}{t}\right\rbrack }^{2} > 0\;\left( {t > 1}\right) . $$

由此可见,当 $t > 1$ 时 $g\left( t\right)$ 为严格单调增加函数,又 $g\left( 1\right) = 0$ ,故有 $g\left( t\right) > g\left( 1\right) = 0$ . 即证得不等式.

证法 4 应用柯西中值定理. 对于 $\forall x > 0$ ,存在 $\xi \in \left( {0,x}\right)$ ,使得

$$ \frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{\frac{x}{\sqrt{1 + x}}} = \frac{\frac{1}{1 + \xi }}{\frac{\sqrt{1 + \xi } - \frac{\xi }{2\sqrt{1 + \xi }}}{1 + \xi }} = \frac{\sqrt{1 + \xi }}{1 + \frac{\xi }{2}} $$

$$ = {\left\lbrack \frac{1 + \xi }{{\left( 1 + \frac{\xi }{2}\right) }^{2}}\right\rbrack }^{\frac{1}{2}} < 1. $$

即证得不等式.

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:构造函数并求导
作辅助函数 f(x) = ln(1+x) - x/√(1+x),则 f(0)=0。求导得 f'(x) = 1/(1+x) - 1/(2√(x+1)) - 1/(2√(x+1)(x+1)) = - (√(x+1)-1)^2 / (2√(x+1)(x+1)) < 0 (x>0)。
公式:f'(x) = - (√(x+1)-1)^2 / (2√(x+1)(x+1))
提示:注意化简时分子配成完全平方形式。
步骤 2/2
目标:利用单调性证明不等式
由 f'(x)<0 知 f(x) 在 (0,+∞) 单调递减,故 f(x) < f(0)=0,即 ln(1+x) < x/√(1+x)。
提示:利用 f(0)=0 和单调性比较函数值。

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