Intro
对数均值不等式(Arithmetic-Logarithmic-Geometric mean inequalities,ALG不等式)
当a>0,b>0时有:
b>√a2+b22>a+b2>b−alnb−lna>√ab>21a+1b>a
其中b−alnb−lna为对数均值。
证明
核心思路:令t=ab,构造关于t的方程f(t).
证明右半边 : 当a>0,b>0, 且a≠b时 , 有√ab<a−blna−lnb.
证明:不妨设a>b, 上不等式⇔lnab<a−b√ab=√ab−√ba.
令t=√ab∈(1,+∞),
上不等式⇔ 2lnt<t−1t ⇔t2+2tlnt>1.
构造函数f(t)=t2+2tlnt, 求导得 : f′(t)=2t+2lnt+2.
当t∈(1,+∞)时 , f′(t)>0恒成立, 即可知f(t)在(1,+∞)上单调递增 .
即有f(t)>f(1)=1, 所以原不等式成立 .
左半边同理。
套路
- 证明ALG不等式;
- 根据f(x1)=f(x2)=a联立2个等式;
- 指数化对数,有a的相减消a;
- 得到关系,代入具体题目分析。
- *如有需要,方程组可以相加,以得到a与x1,x2的关系。
推论
全部导数:已知0<b<a,
则: 1b>1a+1b2>1√ab>lna−lnba−b>2a+b>√2a2+b2>1a
推论1:
x>1 时, 2x−1x+1<lnx<12(x−1x)x∈(0,1) 时, 2x−1x+1>lnx>12(x−1x)
推论2:
x>1 时, x2−1x2+1<lnx<√x−1√xx∈(0,1) 时 ,x2−1x2+1>lnx>√x−1√x
实战演练
小试牛刀
已知 f(x)=lnx−ax有两个零点x1,x2.
- 求a的取值范围; (答案:a∈(0,1e))
- 求证 x1⋅x2>e2.
解析
设2个零点为x1,x2. 则有
{lnx1=ax1lnx2=ax2
lnx1−lnx2=a(x1−x2)
1a=x1−x2lnx1−lnx2<x1+x22
∴a>x12x1+x2
lnx1+lnx2=a(x1+x2) >2x1+x2(x1+x2)=2
∴ln(x1x2)>2,x1x2>e2
证明: x−lnx>2ex−xex+x.
解析
lnex−lnxex−x>2ex+x
x−lnx>2ex−xex+x
已知 f(x)=lnx−a(x−1x),对于∀x∈(1,+∞)都有f(x)<0恒成立,则正数a的取值范围是().
A.(0,2] B.[2,+∞) C. (0,12] D.[12,+∞)
解析
D. 解析:x>1,lnx<12(x−1a)≤a(x−1x) ⇒a⩾12
已知 f(x)=ln(x+1)−axx+a,对于∀x∈(0,+∞)都有f(x)>0恒成立,则正数a的取值范围是().
A.(0,2] B.[2,+∞) C.(0,12]D.[12,+∞)
解析
A. 解析:lnx>2x−1x+1(x>1)
把 x=x+1 代入得:
x>0时, ln(x+1)>2x+1−1x+1+1=2xx+2
ln(x+1)>2xx+2⩾axx+a
2x+2a⩾ax+2a
∴a⩽2
大显身手
(2016全国课标Ⅰ卷理科21题)已知函数f(x)=(x−2)ex+a(x−1)有两个零点.
(Ⅰ) 求a的取值范围 ;
(Ⅱ) 设x1,x2是f(x)的两个零点 , 证明: x1+x2<2.
解析
解析 : (Ⅰ) a∈(0,+∞)
(Ⅱ) 由 (Ⅰ) 知a>0,x1<1<x2<2,f(x1)=f(x2)=0,
所以{a(x1−1)2=(2−x1)exa(x2−1)2=(2−x2)ex2
取对数可得{lna+2ln(1−x1)=ln(2−x1)+x1lna+2ln(x2−1)=ln(2−x2)+x2
相减可得2(1−x1)−2(x2−1)=(2−x1)−(2−x2)+x1−x2,
即2ln(1−x1)−2ln(x2−1)=ln(2−x1)−ln(2−x2)−[(2−x1)−(2−x2)],
所以2ln(1−x1)−2ln(x2−1)ln(2−x1)−ln(2−x2)=1−(2−x1)−(2−x2)ln(2−x1)−ln(2−x2),
若x1+x2⩾2, 则1−x1⩽x2−1,
所以2ln(1−x1)−2ln(x2−1)ln(2−x1)−ln(2−x2)⩽0,
所以1⩽(2−x1)−(2−x2)ln(2−x1)−ln(2−x2)<(2−x1)+(2−x2)2,
所以(2−x1)+(2−x2)>2, 即x1+x2<2, 这与x1+x2≥2矛盾 , 所以x1+x2<2.
已知函数 f(x)=2lnx−x2−ax.
求函数 f(x) 的单调区间;
如果函数 f(x) 有两个不同的零点 x1,x2,且x1<x2,证明:f′(x1+x22)<0
解析
分析: (1) 单调递增区间为 (0,−a+√a2+164), 单调递减区间为 (−a+√a2+164,+∞)
- 证: ∵f(x)=2lnx−x2−ax(x>0)∴f′(x)=2x−2x−a,
由题意得:{2lnx1−x21−ax1=02lnx2−x22−ax2=0,
两式相减得 :2(lnx1−lnx2)−(x21−x22)=a(x1−x2)
⇔2(lnx1−lnx2)−(x21−x22)x1−x2=a,
欲证 :f′(x1+x22)<0
只需证 :f′(x1+x22)=4x1+x2−(x1+x2)−a<0,
只需证: 4x1+x2−(x1+x2)<a,
只需证: 4x1+x2−(x1+x2)<2(lnx1−lnx2)−(x21−x22)x1−x2,
只需证:2x1+x2<lnx1−lnx2x1−x2,
由对数均值不等式x1−x2lnx1−lnx2<x1+x22可得2x1+x2<lnx1−lnx2x1−x2,
从而命题得证.
(2014南通二模)设函数 f(x)=ex−ax+a (a∈R), 其图象与x轴交于A(x1,0),B(x2,0) 两点, 且 x1<x2.
求实数a 的取值范围;
证明:f′(√x1x2)<0.
解析
解:(1) a>e2 (过程略)
证:(2) ∵f(1)=e>0,由(1)知1<x1<lna<x2
由 题 意 得: {ex1−ax1+a=0ex2−ax2+a=0⇔{ex1=a(x1−1)ex2=a(x2−1)⇔{x1=ln(x1−1)+lnax2=ln(x2−1)+lna
两 式 相 减 得 x1−x2=ln(x−1)−ln(x2−1),
∴x1−x2ln(x1−1)−ln(x2−1)= (x1−1)−(x2−1)ln(x1−1)−ln(x2−1)=1
由ALG不等式得: √(x1−1)(x2−1)<(x1−1)−(x2−1)ln(x1−1)−ln(x2−1)
∴√(x1−1)(x2−1)<1,∴(x1−1)(x2−1)<1
由 {x1=ln(x1−1)+lnax2=ln(x2−1)+lna
两式相加得:x1+x2=[ln(x1−1)+ln(x2−1)]+ 2lna
即 (x1+x2)−2lna=ln[(x1−1)(x2−1)],
∵(x1−1)(x2−1)<1∴ln[(x1−1)(x2−1)]<0,
∴(x1+x2)−2lna<0∴x1+x22<lna,
又∵√x1x2<x1+x22∴√x1x2<lna 由(1)知f(x)在 (−∞,lnα) 上单调递减,
∴f′(√x1x2)<f′(lnα)=0,
则 f′(√x1x2)<0 得证.
(2014陕西理21(3))设函数f(x)=ln(1+x),g(x)=xf′(x)(x⩾0),其中f′(x)是f(x)的导函数. 设 n∈N+, 比较g(1)+g(2)+⋯+g(n)与 n−f(n) 的大小, 并加以证明.
解析
因为 g(x)=x1+x,
所以 g(1)+g(2)+ ⋯+g(n) =12+23+⋯+nn+1 =n−(12+13+⋯+1n+1),
而 n−f(n)=n−ln(n+1), 因此只需比较12+13+⋯+1n+1 与 ln(n+1) 的大小即可.
利用对数均值不等式: 当 b>a>0 时,有b>b−alnb−lna⇒lnb−lna>b−ab[注1],
故可命b=n+1,a=n,
则 ln(n+1)−lnn>1n+1,
故 ln2−ln1>12,ln3−ln2>13,⋯,ln(n+1)−lnn>1n+1,
将以上各不等式左右两边分别相加得
ln(n+1)>12+13+14+⋯+1n+1n+1,
即得 g(1)+g(2)+⋯+g(n)> n−f(n)
注1
【注1】这里如果用b>b−alnb−lna可以很快推出ln(n+1)−lnn>1n+1. 但是如果使用常规(常用)的ALG不等式也可以分步推出相同结论。
令b=n+1,a=n,根据ALG不等式,有:
(n+1)−nln(n+1)−lnn<n+1+n2 1ln(n+1)−lnn<2n+12 ln(n+1)−lnn>22n+1>22n+2=1n+1
(2013 年全国大纲卷22II)设函数 f(x)=ln(1+x)−x(1+λx)1+x. 设数列 {an} 的通项 an=1+12+13+⋯ +1n, 证明 :a2n−an+14n>ln2.
解析
证明: 当 b>a>0 时,有 b−alnb−lna>21a+1b (利用对数均值不等式),
即 lnb −lna<12(1a+1b)(b−a),
令 a=n,b=n+1, 则 ln(n+1)−lnn<12(1n+1n+1),
所以 ln(n+1) −lnn<12(1n+1n+1)
ln(n+2)−ln(n+1)<12(1n+1+1n+2)
ln(n+3)−ln(n+2)< 12(1n+2+1n+3),⋯,
ln(2n)−ln(2n−1)< 12(12n−1+12n),
将上式相加可得
ln2n−lnn< 12(1n+2n+1+2n+2+2n+3+⋯+22n−1+12n) ln2<12n+(1n+1+1n+2+1n+3+⋯+12n−1) +14n,
故 :1n+1+1n+2+1n+3+⋯+12n−1+12n+ 14n>ln2,
所以得证 a2n−an+14n>ln2
(2010天津理科21题) 已知函数f(x)=xe−x(x∈R). 如果x1≠x2, 且f(x1)=f(x2), 证明x1+ x2>2.
解析
由 f(x1)=f(x2), 得x1e−x1=x2e−x2,
化简得 ex2−x1=x2x1,
两边同时取以 e 为底的对数, 得
x2−x1 =lnx2x1=lnx2−lnx1,也即lnx2−lnx1x2−x1=1,
利用ALG不等式得 1=x1−x2lnx1−lnx2<x1+x22,
即证得x1+x2>2.
(2018全国I卷21) 已知函数 f(x)=1x−x+ alnx. 若f(x)存在两个极值点 x1,x2, 证明: f(x1)−f(x2)x1−x2<a−2.
解析
对函数 f(x) 求导得: f′(x)=ax−1x2−1 =−x2+ax−1x2.
f(x)存在两个极值点 x1,x2⇔ −x2+ax−1=0在(0,+∞)上有两个解x1,x2.
由韦达定理可得: x1⋅x2=1,x1+x2=a.
{f(x1)=1x1−x1+alnx1f(x2)=1x2−x2+alnx2
两式相减得: f(x1)−f(x2)=x2−x1x2x1+x2−x1+a(lnx1−lnx2).
结合韦达定理得: f(x1)−f(x2)x1−x2=−1x2x1−1+ alnx1−lnx2x1−x2 =alnx1−lnx2x1−x2−2,
利用ALG不等式可得:lnx1−lnx2x1−x2<1√x1x2=1,
所以 f(x1)−f(x2)x1−x2<a−2 成立.
(2016湖南高联预15) 已知函数 f(x)=xlnx−12mx2−x,m∈R. 若 f(x) 有两个极值点 x1,x2, 且 x1<x2, 求证: x1x2>e2.
解析
对 f(x) 求导得: f′(x)=lnx−mx.
因为 x1,x2为f(x)的两个极值点,
所以 {f′(x1)=lnx1−mx1=0f′(x2)=lnx2−mx2=0⇒{lnx1=mx1(1)lnx2=mx2(2)
由(1)-(2)得: x1−x2lnx1−lnx2=1m.
根据对数均值不等式得: 1m=x1−x2lnx1−lnx2<x1+x22⇒x1+x2>2m.(3)
由(1)+(2)得:
ln(x1⋅x2)=m(x1+x2)(4)
将(3)式带入(4)式得: ln(x1⋅x2)>m⋅2m=2 ⇒x1x2>e2成立。
(2018福建高联预14) 已知f(x)=ex−mx.若x1,x2是函数f(x) 的两个零点, 求证:x1+x2>2.
解析
因为 x1,x2是函数f(x) 的两个零点,
所以{f(x1)=ex1−mx1=0f(x2)=ex2−mx2=0成立.
移项可得:{ex1=mx1ex2=mx2
两边分别取对数可得: {x1=lnm+lnx1x2=lnm+lnx2
上式相减可得: lnx1−lnx2x1−x2=1 利用ALG不等式 2x1+x2<lnx1−lnx2x1−x2=1即可得:x1+x2>2 成立.
已知实数 a>0, 函数 f(x)=lnx −ax2+(2−a)x. 若 y=f(x) 的图象与 x 轴交于 A,B 两点, 线段AB中点的横坐标为 x0, 证明: f′(x0) <0.
解析
由 f(x1)=f(x2)=0, 知 lnx1−ax21 +(2−a)x1=lnx2−ax22+(2−a)x2,
故a=lnx1−lnx2+2(x1−x2)x21−x22+x1−x2
f′(x0)<0
⇔x0=x1+x22>1a
⇔x1+x22>x21+x22+x1−x2lnx1−lnx2+2(x1−x2)
⇔x1+x22>x1+x2+1lnx1−lnx2x1−x2+2
⇔2x1+x2<lnx1−lnx2x1−x2
总结
b>√a2+b22>a+b2>b−alnb−lna>√ab>21a+1b>a
题号/来源 | 所用的不等式 | 方程组处理 |
---|---|---|
1/2016国一21 | a+b2>b−alnb−lna | 相减、反证法 |
2 | 2a+b<lna−lnba−b | 相减 |
3/2014南通二模20 | b−alnb−lna>√ab a+b2>√ab | 取对、相减、相加 |
4/2014陕西21 | b>b−alnb−lna或a+b2>b−alnb−lna | 命b=n+1, a=n |
5/2013全国大纲卷22II | b−alnb−lna>21a+1b | 裂项 |
6/2010天津理21 | a+b2>b−alnb−lna | 相减、取对 |
7/2018全国I卷21 | lnb−lnab−a<1√ab | 相减、韦达 |
8/2016湖南高联预15 | a+b2>b−alnb−lna | 相减 |
9/2018福建高联预14 | 2a+b<lna−lnba−b | 取对、相减 |
10 |
参考资料
- 《利用对数均值不等式破解极值点偏移问题》陈友镇
- 《巧用对数均值不等式解高考压轴题》彭耿铃
- 《对数均值不等式在高考及竞赛中的运用》陈纪刚
- 《妙用对数均值不等式解题》徐春艳
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