每日一题[801]构造函数证明不等式

(1) 求函数f(x)=xlnx(1x)ln(1x)0<x12上的最大值;

(2) 已知0<x<1,求证:x1x+(1x)x2


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分析与解 (1) 根据题意,有f(x)=2+ln(xx2),于是函数f(x)(0,12)先单调递减,再单调递增.考虑到lim于是f(x)的最大值为0,当x=\dfrac 12时取得.

(2) 记不等式左边为g(x),则显然g(x)关于x=\dfrac 12对称,且g\left(\dfrac 12\right)=\sqrt 2,因此只需要证明函数g(x)\left(0,\dfrac 12\right]上的最大值为g\left(\dfrac 12\right)即可.令h(x)=x^{1-x},则h'(x)=\left({\rm e}^{(1-x)\ln x}\right)'=x^{1-x}\cdot \left[-\ln x+(1-x)\cdot \dfrac 1x\right]=\dfrac{1-x-x\ln x}{x^x}.这样就有\begin{split}g'(x)&=\left(h(x)+h(1-x)\right)'\\&=h'(x)-h'(1-x)\\&=\dfrac{1-x-x\ln x}{x^x}-\dfrac{1-(1-x)-(1-x)\ln (1-x)}{(1-x)^{1-x}},\end{split}
根据(1),可得当0<x\leqslant \dfrac 12时,有x\ln x-(1-x)\ln (1-x)\leqslant 0,于是当0<x\leqslant \dfrac 12时,有-x\ln x\geqslant -(1-x)\ln (1-x),进而有1-x-x\ln x\geqslant 1-x-(1-x)\ln(1-x)\geqslant 1-(1-x)-(1-x)\ln(1-x).而当0<x<1时,有1-x-x\ln x>0,这样就得到了当0<x\leqslant \dfrac 12时,有1-x-x\ln x\geqslant 1-(1-x)-(1-x)\ln(1-x)>0.另一方面,根据(1),当0<x\leqslant \dfrac 12时,有{\rm e}^{x\ln x}\leqslant {\rm e}^{(1-x)\ln(1-x)},0<x^x\leqslant (1-x)^{(1-x)}.综上,有当0<x\leqslant \dfrac 12g'(x)=\dfrac{1-x-x\ln x}{x^x}-\dfrac{1-(1-x)-(1-x)\ln (1-x)}{(1-x)^{1-x}}\geqslant 0,进而可得g(x)\left(0,\dfrac 12\right]上的最大值为g\left(\dfrac 12\right)=\sqrt 2,原命题得证.

 事实上,有不等式x^{1-x}+(1-x)^x\leqslant \sqrt x+\sqrt{1-x}\leqslant \sqrt 2成立.

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每日一题[801]构造函数证明不等式》有一条回应

  1. 1649018886说:

    请问一下注解中的不等式何来呢?

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