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证明函数$f(x)=\frac{\ln(1+ax)}{\ln(1+bx)}$在指定条件下单调递增的问题咨询

证明函数$f(x)=\frac{\ln(1+ax)}{\ln(1+bx)}$在指定条件下单调递增的问题咨询

嘿,你已经算出导数了,这步做得很棒!接下来的关键其实很清晰:分母$(\ln(1+bx))^2$在$x>0$的时候肯定是正的,所以我们只需要判断分子的正负就行。

先把分子的不等式写出来,我们要证明:
$$\frac{a}{1+ax}\ln(1+bx) - \frac{b}{1+bx}\ln(1+ax) > 0$$

把这个式子两边同时乘以$(1+ax)(1+bx)$(都是正数,不等号方向不变),整理后等价于证明:
$$a(1+bx)\ln(1+bx) > b(1+ax)\ln(1+ax)$$

这里可以换个变量简化问题:令$u=ax$,$v=bx$,因为$a<b$且$x>0$,所以$u<v$。代入上面的不等式,两边同时除以$ab$,就得到:
$$\frac{(1+v)\ln(1+v)}{v} > \frac{(1+u)\ln(1+u)}{u}$$

现在重点来了——构造一个辅助函数$k(t)=\frac{(1+t)\ln(1+t)}{t}$,其中$t>0$。我们只需要证明$k(t)$在$t>0$时是单调递增的函数,这样因为$u<v$,自然就有$k(u)<k(v)$,从而原不等式成立,导数的分子为正,$f'(x)>0$,$f(x)$也就递增了。

那怎么证明$k(t)$递增呢?求它的导数看看:
$$k'(t)=\frac{[\ln(1+t)+1]\cdot t - (1+t)\ln(1+t)}{t^2}$$
化简分子部分:
$$t\ln(1+t) + t - (1+t)\ln(1+t) = t - \ln(1+t)$$

而我们知道,当$t>0$时,$t - \ln(1+t) > 0$(可以构造函数$m(t)=t-\ln(1+t)$,求导得$m'(t)=\frac{t}{1+t}>0$,且$m(0)=0$,所以$m(t)$在$t>0$时恒正)。所以$k'(t)=\frac{t-\ln(1+t)}{t^2}>0$,说明$k(t)$确实是递增的。

倒推回去,所有步骤都是可逆的,所以原函数的导数在$(0,+\infty)$上恒正,$f(x)$自然就是递增的啦。

另外你之前尝试的$\frac{f(x)}{f(y)}<1$($x<y$)的思路,其实也可以通过这个辅助函数来关联,但导数的路径更直接,毕竟你已经走到求导这一步了~

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Bk K

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