1693

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  1. 已知 0<x<π2, 证明: sin⁡x<x<tan⁡x;
  2. 设 ∀x∈(0,π2), 若 tan⁡x−x>λ(x−sin⁡x) 恒成立, 求正整数 λ 的最大值;
  3. 求证: ∑k=1n(tan⁡π4k+sin⁡π4k)>2π(1−12n).

解答

  1. 证明 直接构造函数 x−sin⁡x 和 tan⁡x−x, 然后求导易证.[1]
  2. 解 当 λ≥3 时, 取 x=π4, 则 λ(x−sin⁡x)≥3(π4−22), tan⁡x−x=1−π4, 下面我们说明 1−π4<3(π4−22), 也即 1+322<π. 这是因为 1+322<1+3×1.422=3.13<π. 因此原不等式并不恒成立.[2]
    而 λ=2 时, 我们证明原不等式成立. 记 f(x)=tan⁡x+2sin⁡x−3x. 则根据三元均值不等式 f′(x)=1cos2⁡x+2cos⁡x−3≥31cos2⁡x⋅cos⁡x⋅cos⁡x3−3=0, 于是 f(x)>f(0)=0.
    综上, 正整数 λ 的最大值为 2.
  3. 证明 我们先证明: tan⁡x⋅sin⁡x>x2. 这是因为 tan⁡xsin⁡x=2tan⁡x21−tan2⁡x22tan⁡x21+tan2⁡x2=4tan2⁡x21−tan4⁡x2>4tan2⁡x2>x2. (最后一步用了 1 的结论: 4tan2⁡x2>4(x2)2=x2). 这样, 左边>∑k=1n2tan⁡π4ksin⁡π4k4>∑k=1n2π4k=2π∑k=1n12k=2π(1−12n). 这样问题得证.


  1. 值得一提的是本题还有个经典的几何证法. 画出第一象限中单位圆上一点 A(cos⁡x,sin⁡x), 则根据线段和圆弧的长度大小关系得到 sin⁡x<x, 根据扇形和三角形的面积大小关系得到 x<tan⁡x, 具体证明略. ↩︎

  2. 其实任意大于 2 的实数均不成立. 我们可以直接在 0 处指出 (tan⁡x−x)−λ(x−sin⁡x) 导数的符号, 然后用共起点问题中公式化的语句说明即可. ↩︎