问题 解答题
设函数f(x)=
1-x
ax
+lnx
在[1,+∞)上为增函数.
(1)求正实数a的取值范围;
(2)若a=1,求证:
1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n
<lnn<n+
1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n-1
(n∈N*且n≥2).
答案

(1)由已知:f'(x)=

ax-1
ax2
(a>0).

依题意得:

ax-1
ax2
≥0对x∈[1,+∞)恒成立.

∴ax-1≥0对x∈[1,+∞)恒成立,∴a-1≥0,即:a≥1.

故正实数a的取值范围为[1,+∞).

(2)∵a=1,∴由(1)知:f(x)=

1-x
x
+lnx在[1,+∞)上为增函数,

∴n≥2时:f(

n
n-1
)=
1-
n
n-1
n
n-1
+ln
n
n-1
=ln
n
n-1
-
1
n
>f(1)=0

即:

1
n
<ln
n
n-1
…. (9分)

1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n
<ln
2
1
+ln
3
2
+…+ln
n
n-1
=1nn.

设g(x)=lnx-x,x∈[1,+∞),则g′(x)=

1
x
-1≤0对x∈[1,+∞)恒成立,

∴g′(x)在[1+∞)为减函数.

∴n≥2时:g(

n
n-1
)=ln
n
n-1
-
n
n-1
<g(1)=-1<0,

 即:ln

n
n-1
n
n-1
=1+
1
n-1
 (n≥2).

∴lnn=ln

2
1
+ln
3
2
+ln
4
3
+…+ln
n
n-1
<(1+
1
n-1
)+(1+
1
n-2
)+…+(1+
1
1
)=n+
1
2
+
1
3
+…+
1
n-1

综上所证:

1
2
+
1
3
+…+
1
n
<lnn<n+
1
2
+
1
3
+…+
1
n-1
(n∈N*且≥2)成立.

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