每日一题[1249]隐零点估计

求证:$x^2{\rm e}^x-\ln x-1>0$.

解法一    记 $f(x)=x^2{\rm e}^x-\ln x-1$,则导函数\[f'(x)=\dfrac{(x^3+2x^2){\rm e}^x-1}{x},\]注意到\[f'\left(\dfrac 12\right)=\dfrac{5\sqrt{\rm e}-8}{4}>0,\]而函数\[\varphi(x)=(x^3+2x^2){\rm e}^x-1\]在 $\mathbb R^+$ 上单调递增,于是函数 $f(x)$ 有极小值点,亦为最小值点 $x=m$,满足 $m\in\left(0,\dfrac 12\right)$,且\[(m^3+2m^2){\rm e}^m-1=0.\]因此函数 $f(x)$ 的最小值\[\begin{split} f(m)&=m^2{\rm e}^m-\ln m-1\\ &=\dfrac{1}{m+2}-\ln m-1\\ &>\dfrac{1}{\dfrac 12+2}-\ln\dfrac 12-1\\ &=\ln 2-\dfrac 35\\ &>0,\end{split}\]原命题得证.

解法二    记 $f(x)=x^2{\rm e}^x-\ln x-1$,则导函数\[f'(x)=\dfrac{(x^3+2x^2){\rm e}^x-1}{x},\]注意到\[f'\left(\dfrac 12\right)=\dfrac{5\sqrt{\rm e}-8}{4}\approx 0,\]因此考虑在 $x=\dfrac 12$ 处进行放缩,尝试证明\[(x^2-1){\rm e}^x>\ln x+1-{\rm e}^x,\]又\[{\rm e}^x\geqslant \sqrt{\rm e}\cdot x+\dfrac 12\sqrt{\rm e},\]因此进而尝试证明\[\left(x^2-1\right){\rm e}^x>\ln x-\sqrt{\rm e}\cdot x+1-\dfrac 12\sqrt{\rm e},\]而\[\left(x^2-1\right){\rm e}^x\geqslant \left(x^2-1\right){\rm e}^x\Big|_{x=\frac 12}=-\dfrac 34\sqrt{\rm e},\]且\[\ln x-\sqrt{\rm e}\cdot x+1-\dfrac 12\sqrt{\rm e}\leqslant \left(\ln x-\sqrt{\rm e}\cdot x+1-\dfrac 12\sqrt{\rm e}\right)\Big|_{x=\frac{1}{\sqrt{\rm e}}}=-\dfrac{1+\sqrt{\rm e}}2,\]事实上,有\[-\dfrac 34\sqrt{\rm e}>-\dfrac{1+\sqrt{\rm e}}2,\]因此原命题得证.

解法三    根据题意,有\[\dfrac{{\rm e}^x}{x}\geqslant {\rm e},\]而\[\dfrac{\ln x+1}{x^3}\leqslant \dfrac{{\rm e}^2}3,\]因此原命题得证.

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每日一题[1249]隐零点估计》有 2 条评论

  1. LycheeM LycheeM说:

    解法二中$\left(x^2-1\right){\rm e}^x$的最小值在$x=\sqrt2-1$处,不在$x=\dfrac12$处。

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