∫π每天一道数学题
2026年7月5日 · 星期日

导函数不等式与函数单调性

ƒ 函数与导数
#29
数学家不是觉得数学简单的人,他们是享受数学有多难的人。——赛恩斯伯里

f(x)f(x) 是定义在 (0,+)(0, +\infty) 上的函数,其导函数为 f(x)f'(x),且满足 0<f(x)<f(x)0 < f(x) < f'(x)。若 0<x1<1<x20 < x_1 < 1 < x_2,且 x1x2=1x_1 x_2 = 1,则下列不等式一定成立的是

A. x2f(x2)>x1f(x1)x_2 f(x_2) > x_1 f(x_1)

B. f(x2)>f(2x1)f(x_2) > f(2 - x_1)

C. lnf(x1)lnf(x2)>x1x2\ln f(x_1) - \ln f(x_2) > x_1 - x_2

D. f(x2)>(2x1)f(x1)f(x_2) > (2 - x_1) f(x_1)

参考解析

解题过程

A 选项

构造函数 g(x)=xf(x)g(x) = xf(x),则 g(x)=f(x)+xf(x)g'(x) = f(x) + xf'(x)

由题设 f(x)>0f(x) > 0x(0,+)x \in (0, +\infty)),且 f(x)>0f'(x) > 0x>0x > 0,因此 g(x)>0g'(x) > 0

所以 g(x)=xf(x)g(x) = xf(x)(0,+)(0, +\infty) 上为增函数。

x2>x1x_2 > x_1,故 x2f(x2)>x1f(x1)x_2 f(x_2) > x_1 f(x_1),A 正确。

B 选项

不等式两侧结构均为 f(x)f(x) 的形式,直接利用 f(x)f(x) 的单调性。

f(x)f(x) 是增函数,只需比较 x2x_22x12 - x_1 的大小。

x1>0,x2>0x_1 > 0, x_2 > 0x1x2=1x_1 x_2 = 1,利用基本不等式:

x1+x22x1x2=2x_1 + x_2 \geq 2\sqrt{x_1 x_2} = 2,又 x1x2x_1 \neq x_2,故 x1+x2>2x_1 + x_2 > 2,即 x2>2x1x_2 > 2 - x_1

因此 f(x2)>f(2x1)f(x_2) > f(2 - x_1),B 正确。

C 选项

将不等式移项整理:lnf(x1)x1>lnf(x2)x2\ln f(x_1) - x_1 > \ln f(x_2)- x_2

xx 写成 lnex\ln e^x 的形式,不等式两侧化为:

lnf(x)lnex=lnf(x)ex\ln f(x) - \ln e^x = \ln \dfrac{f(x)}{e^x}

因此不等式等价于 lnf(x1)ex1>lnf(x2)ex2\ln \dfrac{f(x_1)}{e^{x_1}} > \ln \dfrac{f(x_2)}{e^{x_2}},进而等价于 f(x1)ex1>f(x2)ex2\dfrac{f(x_1)}{e^{x_1}} > \dfrac{f(x_2)}{e^{x_2}}

构造函数 h(x)=f(x)exh(x) = \dfrac{f(x)}{e^x},求导:

h(x)=f(x)exf(x)ex(ex)2=f(x)f(x)exh'(x) = \dfrac{f'(x) \cdot e^x - f(x) \cdot e^x}{(e^x)^2} = \dfrac{f'(x) - f(x)}{e^x}

f(x)>f(x)f'(x) > f(x)(题设条件),得 h(x)>0h'(x) > 0,即 h(x)h(x) 为增函数。

又题干给定 x2>x1x_2 > x_1,故应有 h(x2)>h(x1)h(x_2) > h(x_1),即 f(x1)ex1<f(x2)ex2\dfrac{f(x_1)}{e^{x_1}} < \dfrac{f(x_2)}{e^{x_2}},与不等式方向相反。

因此 C 错误。

D 选项

由 C 选项已证 h(x)=f(x)exh(x) = \dfrac{f(x)}{e^x} 为增函数,且 x2>x1x_2 > x_1,故:

f(x2)ex2>f(x1)ex1\dfrac{f(x_2)}{e^{x_2}} > \dfrac{f(x_1)}{e^{x_1}}

变形得 f(x2)>ex2x1f(x1)f(x_2) > e^{x_2 - x_1} \cdot f(x_1),记为式 (1)(1)

要证 D 选项 f(x2)>(2x1)f(x1)f(x_2) > (2 - x_1) f(x_1),由式 (1)(1),只需证 ex2x1>2x1e^{x_2 - x_1} > 2 - x_1

x2=1x1x_2 = \dfrac{1}{x_1} 代入,即证 e1x1x1>2x1e^{\frac{1}{x_1} - x_1} > 2 - x_1

先证基础不等式:对任意实数 ttett+1e^t \geqslant t + 1(令 φ(t)=ett1\varphi(t) = e^t - t - 1φ(t)=et1\varphi'(t) = e^t - 1φ\varphit=0t = 0 处取最小值 00)。

t=1x1x1t = \dfrac{1}{x_1} - x_1,由 x1(0,1)x_1 \in (0, 1)t>0t > 0,利用 et>t+1e^t > t + 1t0t \neq 0 时取严格不等号):

e1x1x1>1x1x1+1e^{\frac{1}{x_1} - x_1} > \dfrac{1}{x_1} - x_1 + 1

只需再证 1x1x1+1>2x1\dfrac{1}{x_1} - x_1 + 1 > 2 - x_1,两边消去 x1-x_1,等价于 1x1+1>2\dfrac{1}{x_1} + 1 > 2,即 1x1>1\dfrac{1}{x_1} > 1

x1(0,1)x_1 \in (0, 1)1x1>1\dfrac{1}{x_1} > 1 显然成立。

完整链式推导:ex2x1=e1x1x1>1x1x1+1>2x1e^{x_2 - x_1} = e^{\frac{1}{x_1} - x_1} > \dfrac{1}{x_1} - x_1 + 1 > 2 - x_1

代入式 (1)(1)f(x2)>ex2x1f(x1)>(2x1)f(x1)f(x_2) > e^{x_2 - x_1} f(x_1) > (2 - x_1) f(x_1),D 正确。

答案

ABD

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