题目
用拉格朗日中值定理证明不等式:(x)/(1+x)<ln(1+x)<x(x>0).
用拉格朗日中值定理证明不等式:$\frac{x}{1+x}$<ln(1+x)<x(x>0).
题目解答
答案
证明:设g(t)=lnt,t∈(a,b),
则g(x)符合拉格朗日中值定理的条件,即存在t0∈(a,b),
使g′(t0)=$\frac{g(b)-g(a)}{b-a}$,
因为g′(t)=$\frac{1}{t}$,由t∈(a,b),0<a<b,
可知g′(t)∈($\frac{1}{b}$,$\frac{1}{a}$),b-a>0,
即$\frac{1}{b}$<g′t0)=$\frac{g(b)-g(a)}{b-a}$<$\frac{1}{a}$,
可得$\frac{1}{b}$<$\frac{g(b)-g(a)}{b-a}$=$\frac{lnb-lna}{b-a}$<$\frac{1}{a}$,
即有$\frac{b-a}{b}$<ln$\frac{b}{a}$<$\frac{b-a}{a}$,
令$\frac{b}{a}$=1+x,可得x=$\frac{b}{a}$-1,
即有$\frac{x}{1+x}$<ln(1+x)<x(x>0).
则g(x)符合拉格朗日中值定理的条件,即存在t0∈(a,b),
使g′(t0)=$\frac{g(b)-g(a)}{b-a}$,
因为g′(t)=$\frac{1}{t}$,由t∈(a,b),0<a<b,
可知g′(t)∈($\frac{1}{b}$,$\frac{1}{a}$),b-a>0,
即$\frac{1}{b}$<g′t0)=$\frac{g(b)-g(a)}{b-a}$<$\frac{1}{a}$,
可得$\frac{1}{b}$<$\frac{g(b)-g(a)}{b-a}$=$\frac{lnb-lna}{b-a}$<$\frac{1}{a}$,
即有$\frac{b-a}{b}$<ln$\frac{b}{a}$<$\frac{b-a}{a}$,
令$\frac{b}{a}$=1+x,可得x=$\frac{b}{a}$-1,
即有$\frac{x}{1+x}$<ln(1+x)<x(x>0).
解析
考查要点:本题主要考查拉格朗日中值定理的应用,以及如何通过变量替换将定理结论转化为目标不等式。
解题核心思路:
- 构造合适函数:选择函数$g(t) = \ln t$,利用其导数特性$\frac{1}{t}$;
- 应用中值定理:在区间$(a, b)$上应用定理,得到关于$\ln \frac{b}{a}$的不等式;
- 变量替换:通过设定$\frac{b}{a} = 1 + x$,将结论转化为关于$x$的形式,最终得到目标不等式。
破题关键:
- 导数的单调性:$\frac{1}{t}$在$t > 0$时单调递减,确保不等式方向正确;
- 变量替换技巧:通过$\frac{b}{a} = 1 + x$将双变量问题转化为单变量问题。
步骤1:构造函数并应用拉格朗日中值定理
设函数$g(t) = \ln t$,在区间$(a, b)$上连续且可导(需满足$a > 0$且$b > a$)。根据拉格朗日中值定理,存在$t_0 \in (a, b)$,使得:
$g'(t_0) = \frac{g(b) - g(a)}{b - a} \quad \Rightarrow \quad \frac{1}{t_0} = \frac{\ln b - \ln a}{b - a}.$
步骤2:利用导数的单调性推导不等式
由于$t_0 \in (a, b)$且$\frac{1}{t}$单调递减,有:
$\frac{1}{b} < \frac{1}{t_0} < \frac{1}{a}.$
将$\frac{1}{t_0} = \frac{\ln \frac{b}{a}}{b - a}$代入,得:
$\frac{1}{b} < \frac{\ln \frac{b}{a}}{b - a} < \frac{1}{a}.$
步骤3:变量替换
令$\frac{b}{a} = 1 + x$(其中$x > 0$),则$b = a(1 + x)$,代入不等式:
$\frac{1}{a(1 + x)} < \frac{\ln (1 + x)}{a x} < \frac{1}{a}.$
两边同乘$a x$($a > 0, x > 0$),化简得:
$\frac{x}{1 + x} < \ln (1 + x) < x.$