每日一题[505]偷梁换柱

求证:$\ln 2<\lg 5$.


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证明    先利用换底公式统一底,原不等式等价于$$\ln 2<\dfrac{\ln 5}{\ln 2+\ln 5},$$即$$\ln^2{2}+\ln 2\cdot \ln 5<\ln 5.$$若考虑用$$\ln\dfrac{1+x}{1-x}=2\left(x+\dfrac{x^3}3+\dfrac{x^5}5+\cdots \right)$$对$\ln 2$和$\ln 5$进行估算,则需要分别令$x=\dfrac 13$和$x=\dfrac 23$.出于对后者的收敛速度不满,令$x=\ln 2$,$y=\ln\dfrac 54=\ln 5-2\ln2$,则只需要证明$$x^2+x(2x+y)<2x+y,$$即$$y>\dfrac{3x^2-2x}{1-x},$$设$RHS=\varphi (x)$,则$\varphi (x)$在$x\in\left(\dfrac 12,1\right)$上单调递增,因此只需要估计$x$的上界以及$y$的下界.

对于$x$的上界,由于\[\begin{split} \ln\dfrac{1+x}{1-x}&=2\left(x+\dfrac{x^3}3+\dfrac{x^5}5+\cdots \right)\\ &<2\left[x+\dfrac 13(x^3+x^5+\cdots )\right] \\ & <2\left[x+\dfrac{x^3}{3(1-x^2)}\right],\end{split} \]令$x=\dfrac 13$,可得$\ln 2<\dfrac{25}{36}$.

对于$y$的下界,由于$$\ln\dfrac{1+x}{1-x}=2\left(x+\dfrac{x^3}3+\dfrac{x^5}5+\cdots \right)>2x,$$令$x=\dfrac 19$,可得$\ln\dfrac 54>\dfrac 29$.

事实上,我们有$$\varphi (x)<\varphi \left(\dfrac {25}{36}\right)=\dfrac 19\cdot \dfrac{75}{44}<\dfrac 29<\ln\dfrac 54=y,$$因此原命题得证.

   $\ln 2\approx 0.69315$,而$\lg 5\approx 0.69897$,两者非常接近.

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