证明下列不等式: (1)|arctan a-arctan b|≤|a-b|; (2)当x>1时, ex>ex
证明下列不等式:
(1)|arctan a-arctan b|≤|a-b|;
(2)当x>1时, ex>ex
题目解答
答案
证明 (1)设f(x)=arctan x, 则f(x)在[a, b]上连续, 在(a, b)内可导, 由拉格朗日中值定理, 存在ξ∈(a, b), 使
f(b)-f(a)=f ′(ξ)(b-a), 即
,
所以
, 即|arctan a-arctan b|≤|a-b|.
(2)设f(x)=ex , 则f(x)在区间[1, x]上连续, 在区间(1, x)内可导, 由拉格朗日中值定理, 存在ξ∈(1, x), 使
f(x)-f(1)=f ′(ξ)(x-1), 即 ex -e=eξ (x-1).
因为ξ >1, 所以
ex -e=eξ (x-1)>e(x-1), 即ex >ex.
解析
考查要点:
本题两小题均考查拉格朗日中值定理的应用,通过构造适当的函数,利用导数的性质推导不等式。
- 第(1)题的关键是利用反正切函数的导数性质,结合中值定理建立不等式;
- 第(2)题需构造指数函数,通过分析导数在特定区间内的下界来证明不等式。
核心思路:
通过中值定理将函数值的差转化为导数与自变量差的乘积,结合导数的范围(如第(1)题中导数 $\leq 1$,第(2)题中导数 $> e$)推导出目标不等式。
第(1)题
构造函数与验证条件
设 $f(x) = \arctan x$,则 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,在 $(a, b)$ 内可导,满足拉格朗日中值定理的条件。
应用中值定理
存在 $\xi \in (a, b)$,使得:
$\arctan b - \arctan a = f'(\xi)(b - a) = \frac{1}{1+\xi^2}(b - a).$
分析导数范围
由于 $\frac{1}{1+\xi^2} \leq 1$,两边取绝对值得:
$\left|\arctan b - \arctan a\right| = \frac{1}{1+\xi^2}|b - a| \leq |b - a|.$
第(2)题
构造函数与验证条件
设 $f(x) = e^x$,则 $f(x)$ 在 $[1, x]$ 上连续,在 $(1, x)$ 内可导,满足拉格朗日中值定理的条件。
应用中值定理
存在 $\xi \in (1, x)$,使得:
$e^x - e^1 = f'(\xi)(x - 1) = e^\xi (x - 1).$
分析导数范围
因 $\xi > 1$,故 $e^\xi > e$,代入得:
$e^x - e = e^\xi (x - 1) > e(x - 1),$
整理得 $e^x > e x$。