问题 解答题
函数f(x)=
a
x
+lnx
,其中a为实常数.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)不等式f(x)≥1在x∈(0,1]上恒成立,求实数a的取值范围;
(3)若a=0,设g(n)=1+
1
2
+
1
3
+…+
1
n
,h(n)=
1
23
+
2
32
+
3
43
+…+
n-1
n3
(n≥2,n∈N+).是否存在实常数b,既使g(n)-f(n)>b又使h(n)-f(n+1)<b对一切n≥2,n∈N+恒成立?若存在,试找出b的一个值,并证明;若不存在,说明理由.
答案

(1)定义域为(0,+∞),

①当a≤0时,函数在定义域上单调增函数;

②当a>0时,f′(x)=-

a
x2
+
1
x
,当x>a时,f′(x)>0,函数单调递增,增区间为(a,+∞);当0<x<a时,f′(x)<0,函数单调递减,单调减区间为(0,a);

(2)不等式f(x)≥1在x∈(0,1]上恒成立,⇔a≥[-xlnx+x]max,x∈(0,1],

令g(x)=-xlnx+x,x∈(0,1],g′(x)=-lnx-x•

1
x
+1=-lnx≥0(x∈(0,1]),

∴g(x)在x∈(0,1]上单增,

∴g(x)max=g(1)=1,

∴a≥1,

故a的取值范围为[1,+∞).

(3)存在,如b=0等.下面证明:1+

1
2
+
1
3
+…+
1
n
>lnn,(n≥2,n∈N+)

1
23
+
2
33
+
3
43
+…+
n-1
n3
<ln(n+1),(n≥2,n∈N+)成立.

①先证1+

1
2
+
1
3
+…+
1
n
>lnn,(n∈N+),注意lnn=ln
2
1
+ln
3
2
+…+ln
n
n-1

这只要证

1
k-1
>ln
k
k-1
=ln(1+
1
k-1
),(k=2,3,…n)(*)即可,

x>ln(1+x)对x>0恒成立,取x=

1
k-1
(k≥2)即可得上式成立.

让k=2,3,…,n分别代入(*)式再相加即证:1+

1
2
+
1
3
+…+
1
n-1
>lnn,(n∈N+),

于是1+

1
2
+
1
3
+…+
1
n-1
+
1
n
>1+
1
2
+
1
3
+…+
1
n-1
>lnn,(n∈N+).

②再证

1
23
+
2
33
+
3
43
+…+
n-1
n3
<ln(n+1),(n≥2,n∈N+),

n-1
n3
n-1
n3-1
=
n-1
(n-1)(n2+n+1)
=
1
n2+n+1
1
n(n+1)
=
1
n
-
1
n+1
,(n≥2),

1
23
+
2
33
+
3
43
+…+
n-1
n3
<(
1
2
-
1
3
)+(
1
3
-
1
4
)+…+(
1
n
-
1
n+1
)=
1
2
-
1
n+1
1
2

又∵n≥2,ln(n+1)≥ln3>ln

e
=
1
2
,故不等式成立.

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