问题 解答题
已知函数f(x)=ln(x+1)-
x
a(x+1)

(1)若函数f(x)在[0,+∞)内为增函数,求正实数a的取值范围.
(2)当a=1时,求f(x)在[-
1
2
,1]上的最大值和最小值;
(3)试利用(1)的结论,证明:对于大于1的任意正整数n,都有
1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n
<lnn.
答案

(1)∵f(x)=ln(x+1)-

x
a(x+1)
,∴f′(x)=
a(x+1)-1
a(x+1)2
(a>0).

∵函数f(x)在[0,+∞)内为增函数,∴f′(x)≥0对任意x∈[0,+∞)恒成立,

∴a(x+1)-1≥0对任意x∈[0,+∞)恒成立,即a≥

1
x+1
对任意x∈[0,+∞)恒成立.

而当x∈[0,+∞)时,(

1
x+1
max=1,∴a≥1.

(2)当a=1时,f′(x)=

x
(x+1)2
.∴当x∈[-
1
2
,0)时,f′(x)<0,f(x)在[-
1
2
,0)上单调递减,

当x∈(0,1]时,f′(x)>0,f(x)在(0,1]上单调递增,∴f(x)在[-

1
2
,1]上有唯一极小值点,

故f(x)min=f(0)=0.又f(-

1
2
)=1+ln
1
2
=1-ln2,f(1)=-
1
2
+ln2,

f(-

1
2
)-f(1)=
3
2
-2ln2=
3-ln16
2
=
lne3-ln16
2
∵e3>16,

∴f(-

1
2
)-f(1)>0,即f(-
1
2
)>f(1).∴f(x)在[-
1
2
,1]上的最大值为f(-
1
2
)=1-ln2.

综上,函数f(x)在[-

1
2
,1]上的最大值是1-ln2,最小值是 0.

(3)法一:用数学归纳法.

①当n=2时,要证

1
2
<ln2,只要证ln4>1,显然成立.

②假设当n=k时,不等式

1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
k
<lnk(k>1,k∈N*)成立.

则当n=k+1时,

1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
k
+
1
k+1
<lnk+
1
k+1
.要证lnk+
1
k+1
<ln(k+1)成立,

只要证

1
k+1
<ln
k+1
k
,即
1
k+1
<ln(1+
1
k
). 令
1
k
=x>0,则上式化为
x
1+x
<ln(1+x)(x>0).

只要证:ln(1+x)-

x
1+x
>0(*).

由(1)知,当a=1时,f(x)=ln(1+x)-

x
x+1
在[0,+∞)内是增函数,

故有f(x)≥f(0),即ln(1+x)≥

x
x+1
x∈[0,+∞)成立,而(*)中x=
1
k
(k>1,k∈N*),x>0,

∴ln(1+x)-

x
1+x
>0 即(*)式成立.∴当n=k+1时,不等式成立.

由①②知对任意n>1的正整数不等式都成立.

法二:由(1)知,当a=1时,f(x)=ln(1+x)-

x
x+1
在[0,+∞)上是增函数,

故有f(x)≥f(0),即ln(1+x)≥

x
1+x
,x∈[0,+∞)成立.

令x=

1
n
(n∈N*),则x>0,∴有ln(1+x)>
x
1+x
,即ln
n+1
n
1
n+1

由此得ln

2
1
1
2
,ln
3
2
1
3
,ln
4
3
1
4
,…,ln
n
n-1
1
n

则ln

2
1
+ln
3
2
+ln
4
3
+…+ln
n
n-1
1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n
,即得lnn>
1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n

故对大于1的任意正整数n.都有

1
2
+
1
3
+
1
4
+…+
1
n
<lnn.

问答题
单项选择题 A1/A2型题