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已知函数 f(x)=exx+1,g(x)=ex+e−x2,h(x)=ex22.

  1. 求函数 f(x) 在 x=1 处的切线方程;
  2. 当 x>0 时, 试比较 f(x),g(x),h(x) 的大小关系,并说明理由;
  3. 设 n∈N∗, 求证: 1−12+13−14+⋯+12n−1−12n<ln⁡2<1−12+13−14+⋯+12n−1.
解答

  1. 解 f′(x)=xex(x+1)2,故 f′(1)=e4,故所求切线方程为 y−e2=e4(x−1)⇒ex−4y+e=0.

  2. 解 当 x>0, 首先f(x)−g(x)=(1−x)ex−(x+1)e−x2(x+1),
    记右侧分子为u1(x),则u1′(x)=−x(ex+e−x)<0,u1(x)<u1(0)=0,故f(x)<g(x).

    其次,g(x)h(x)=12(ex−x22+e−x−x22), 记右侧函数为 u2(x),则 u2′(x)=12e−x22u1(x)<0,u2(x)<u2(0)=1, 故 g(x)<h(x).

    综上,f(x)<g(x)<h(x).

  3. 证明 注意到左式∑i=12n(−1)i−1i=∑i=12n1i−2∑i=1n12i=∑i=n+12n1i=∑i=n+12n(1−i−1i)<∑i=n+1nln⁡ii−1=ln⁡2,
    利用了熟知的不等式 ln⁡x≥1−1x. 而借助上面的结论可得右式为∑i=12n−1(−1)i−1i=∑i=n+12n1i+12n=∑i=n2n−11i=∑i=n2n−1(i+1i−1)>∑i=n2n−1ln⁡i+1n=ln⁡2,
    利用了熟知的 ln⁡x≤x−1. 这样整个不等式证明完毕.