导密-16不等式汇总2对数函数类

$ln(x)$对数函数类不等式

零、反向不等式主要特征

  • 相反数,x改为$\frac{1}{x}$, 即 $-f(\frac{1}{x}) \le ln(x) \le f(x)$。
  • 原理为$\frac{1}{x}$去替换原不等式
  • 两侧同向适用本条

壹、两侧同向-不用考虑x取值范围

一、切线类

通式

(正向为切线,反向由x替换为$\frac{1}{x}$得到)

$$ 1-\frac{x_0}{x} \le ln\frac{x}{x_0}\le\frac{x}{x_0}-1 $$

即:

$$ 1-\frac{x_0}{x} +ln(x_0)\le ln( x)\le\frac{x}{x_0}-1+ln(x_0) $$

即:

$$ 1-\frac{e^n}{x} +n\le ln( x)\le\frac{x}{e^n}-1+n $$

方式一:常用切点

$x_0$不等式备注
1$1-\frac{1}{x}\le lnx\le x-1$$\frac{x}{x+1}\le ln(x+1)\le x$
e$2-\frac{e}{x}\le ln(x)\le \frac{x}{e}$$x>0,x=e取等$
$\frac{1}{e}$$-\frac{1}{ex}\le ln(x)\le ex-2$$x>0,x=\frac{1}{e}取等$
$\sqrt{e}$$\frac{3}{2}-\frac{\sqrt{e}}{x}\le ln(x)\le \frac{1}{\sqrt{e}}x-\frac{1}{2}$$x>0,x=\frac{1}{e}取等$

方式二:$ln(x)\le x-1$中x扩展为f(x)

$$ 1-\frac{1}{f(x)}\le ln(f(x))\le f(x)-1 $$

$f(x)$不等式备注
$ex$$-\frac{1}{ex}\le ln(x)\le ex-2$x=e处切线
$\frac{1}{x}$$x-1\ge ln(x)\ge 1-\frac{1}{x}$制作反向不等式
$xe^x$$\frac{1}{1-x-lnx}\ge xe^x\ge x+lnx+1$模拟题中热门不等式
$xe^x$$1-\frac{1}{xe^x}\le x+lnx \le xe^x -1$模拟题中热门不等式
$x^{\frac{1}{a}}$$a(1-\frac{1}{x^{\frac{1}{a}}})\le ln(x)\le a(x^{\frac{1}{a}}-1)$\a\越大越接近lnx
$x^{\frac{1}{2}}$$2(1-\frac{1}{\sqrt{x}})\le ln(x)\le 2(\sqrt{x}-1)$$上式a=2$

方式三:利用公切点公切线y=x-1

公切线不等式备注
x-1$\frac{ln(x)}{x}\le ln(x)\le x-1\le x^2-x$x>0,另一个观点是乘÷x加强不等式

二、泰勒展开

方式四:泰勒展开中下一项为偶数次

$$\ln(1+x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n} = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + \cdots \quad (-1 < x \le 1)$$
下一项为偶数次才能两侧同向(不用考虑x取值范围)

下一项不等式泰勒
2$ln(x)\le x-1$$ln(1+x)\le x$

三、帕德逼近

方式五:帕德逼近中有些是同侧同向的

不等式备注
$ln(x)\le \frac{x^2+4x-5}{4x+2}$x>0
$ln(x)\le \frac{12x-12}{5+8x-x^2}$$0<x<4+\sqrt{21}$

贰、两侧异向-不同x取值范围,不等号改变

  • 注:本节默认$当x \ge 1时成立:(0<x<1不等式反向)$

一、泰勒展开

方式一:泰勒展开中下一项为奇数次

$$\ln(1+x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n} = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + \cdots \quad (-1 < x \le 1)$$
下一项为奇数次才能两侧异向(不同x取值范围,不等号改变)

下一项不等式泰勒
3$ln(x)\ge \frac{-x^2 + 4x - 3}{2}$$ln(x+1)\ge x - \frac{x^2}{2}$

二、帕德逼近

方式二:帕德逼近中有些是同侧异向的

$当x\ge 1时:$

大于小于不等式备注
大于$ln(x)\ge \frac{-x^2 + 4x - 3}{2}$同泰勒$x \ge 1$
大于$ln(x)\ge \frac{3x^2 - 3}{x^2 + 4x + 1}$$x \ge 1$,次常见
大于$ln(x)\ge \frac{2x - 2}{x + 1}$$x \ge 1$,常见

方式三:帕德逼近的推广

来源$ln(x)\ge \frac{2x - 2}{x + 1}$,推广$x\rightarrow x^{\frac{1}{a}}$
$$ln(x)\ge 2a \cdot \frac{x^{\frac{1}{a}} - 1}{x^{\frac{1}{a}} + 1},\|a\|越大越接近lnx$$

n不等式备注
1$ln(x)\ge 2\cdot\frac{x-1}{x+1}$$ln(x+1)\ge\frac{2x}{x+2}$
2$ln(x)\ge 4\cdot\frac{\sqrt{x}-1}{\sqrt{x}+1}$\a\越大越接近lnx

方式四:帕德逼近的变形近似

来源$ln(x)\ge \frac{3x^2 - 3}{x^2 + 4x + 1}$,换元$x^2\rightarrow x$,得$ln(x)\ge \frac{6(x-1)}{x+1+4\sqrt{x}}$
近似:

近似方式不等式备注
$4\sqrt{x}=2\cdot 2\cdot\sqrt{x}$$ln(x)\ge \frac{6(x-1)}{2x+5}$基本不等式放缩
$4\sqrt{x}=2\cdot 1\cdot\sqrt{4x}$$ln(x)\ge \frac{6(x-1)}{5x+2}$基本不等式放缩

三、指数不等式换元

方式五:由指数不等式换元来的不等式以及推广

来源指数不等式$\frac{e^x-e^{-x}}{2}\ge x$,推广$x\rightarrow x^{\frac{1}{a}}$
$$ln(x)\le \frac{a}{2}(x^\frac{1}{a}-x^{-\frac{1}{a}}),\|a\|越大越接近lnx$$

n不等式备注
1$ln(x)\le \frac{1}{2}(x-\frac{1}{x})$$ln(x+1)\le\frac{x^2+2x}{2(x+1)},ln(1+\frac{1}{x})\le\frac{1}{2}(\frac{1}{x}+\frac{1}{x+1})$
2$ln(x)\le \sqrt{x}-\frac{1}{\sqrt{x}}$$ln^2(x)\le\frac{(x-1)^2}{x},ln^2(1+x)\le\frac{x^2}{x+1}$

叁、其他相关不等式

对数均值不等式

不等式来源
$\sqrt{ab}\le \frac{a-b}{lna-lnb}\le\frac{a+b}{2}$$\sqrt{x}-\frac{1}{\sqrt{x}}\ge lnx\ge 2\cdot\frac{x-1}{x+1},x\rightarrow\frac{a}{b}$
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    学习指导:ln(x) 对数函数类不等式为了帮助学生更高效地学习和理解 ( ln(x) ) 相关的不等式,我们将学习路径分为初级、中级和高级三个层次,以符合学生的认知规律,并方便记忆和应用。一、初级:基础不等式,建立直觉这一阶段的目标是建立对数函数的基本不等式直觉,掌握最常用的不等式,能够快速判断 ( ln(x) ) 在不同范围内的大小关系。1. 切线不等式(常用)(1)基本切线不等式[
    ln x leq x - 1, quad x > 0
    ]记忆方法:“对数小于线性”,( ln x ) 在 ( x = 1 ) 处的切线是 ( y = x - 1 )。变形:
    [frac{x}{x+1} leq ln(x+1) leq x, quad x >0
    ]
    (适用于求对数上下界)(2)特殊点的切线不等式取值点 ( x_0 )对应不等式记忆方法( x_0 = 1 )( 1 - frac{1}{x} leq ln x leq x - 1 )对称结构,适用于 ( x approx 1 )( x_0 = e )( 2 - frac{e}{x} leq ln x leq frac{x}{e} )适用于 ( x approx e )2. 泰勒展开与近似不等式当 ( x ) 近似于 1 时:
    [
    ln(1+x) approx x - frac{x^2}{2}
    ]取下一项是偶数次的泰勒展开,可得两侧同向不等式:
    [ln(1+x) leq x, quad -1 < x leq 1
    ]3. 记住一个对数均值不等式[
    frac{a-b}{ln a - ln b} geq sqrt{ab}
    ]该不等式是对数均值不等式的重要形式,可用于证明许多对数相关结果。二、中级:拓展思维,掌握变形这一阶段的目标是掌握更复杂的不等式推导方式,包括利用指数换元、帕德逼近等方法,形成更深刻的理解。1. 反向不等式(利用对称性)如果 ( ln x leq f(x) ),那么可以通过 ( x to frac{1}{x} ) 变换得到:
    [
    -ln x leq fleft(frac{1}{x}right)
    ]例如:已知 ( ln x leq x - 1 ),则
    [ln x geq 1 - frac{1}{x}
    ]
    (适用于 ( x > 1 ),反向适用于 ( 0 < x < 1 ))2. 帕德逼近不等式帕德逼近提供了一些更精确的对数不等式:
    [
    ln x leq frac{x^2 + 4x - 5}{4x + 2}, quad x > 0
    ]
    [
    ln x geq frac{2x - 2}{x + 1}, quad x geq 1
    ]记忆方法:分子分母均为二次或一次多项式,适用于不同的 ( x ) 取值范围。3. 指数换元不等式根据指数函数的不等式:
    [
    frac{e^x - e^{-x}}{2} geq x
    ]
    推广 ( x to x^{frac{1}{a}} ) 得:
    [
    ln x leq frac{a}{2} left( x^{frac{1}{a}} - x^{-frac{1}{a}} right)
    ]经典例子:
    [ln x leq frac{1}{2} (x - frac{1}{x}), quad x > 0
    ]三、高级:灵活运用,优化解题这一阶段的目标是培养对数不等式的灵活应用能力,能够根据不同的题目选择适合的不等式,并通过变形、换元等方法进行优化。1. 一般化不等式应用通过取不同的 ( f(x) ) 进行扩展:
    [
    1 - frac{1}{f(x)} leq ln(f(x)) leq f(x) - 1
    ]( f(x) )对应不等式适用场景( x e^x )( 1 - frac{▌

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    请给以下不等式做一个学习指导,需要精炼的,分初级中级高级三个层次,符合学生认知规律,适合记忆的。