对数均值不等式在高考题中的运用

Intro

对数均值不等式（Arithmetic-Logarithmic-Geometric mean inequalities，ALG不等式）

当a > 0, b > 0时有：

$\color{grey}{b>\sqrt{\dfrac{a^{2}+b^{2}}{2}}>}$$\dfrac{a+b}{2}>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}>\sqrt{a b}$$\color{grey}{>\dfrac{2}{\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}}>a}$

其中$\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}$为对数均值。

证明

核心思路：令$t=\dfrac{a}{b}$，构造关于t的方程f(t).

证明右半边 : 当a > 0, b > 0, 且a ≠ b时 , 有$\sqrt{ab}< \dfrac{a-b}{ \ln a- \ln b}$.

证明：不妨设a > b, 上不等式⇔$\ln \dfrac{a}{b}< \dfrac{a-b}{ \sqrt{ab}}= \sqrt{ \dfrac{a}{b}}- \sqrt{ \dfrac{b}{a}}$.

令$t= \sqrt{ \dfrac{a}{b}}\in (1,+ \infty)$，

上不等式⇔ $2 \ln t < t - \dfrac{1}{t}$  ⇔ t² + 2tln t > 1.

构造函数f(t) = t² + 2tln t, 求导得 : f^′(t) = 2t + 2ln t + 2.

当t ∈ (1, +∞)时 , f′(t) > 0恒成立, 即可知f(t)在(1, +∞)上单调递增 .

即有f(t) > f(1) = 1, 所以原不等式成立 .

左半边同理。

套路

1. 证明ALG不等式；
2. 根据f(x₁) = f(x₂) = a联立2个等式；
3. 指数化对数，有a的相减消a；
4. 得到关系，代入具体题目分析。
5. *如有需要，方程组可以相加，以得到a与x₁, x₂的关系。

推论

• 全部导数：已知0 < b < a，

  则: $\dfrac{1}{b}>\dfrac{\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}}{2}>\dfrac{1}{\sqrt{a b}}>\dfrac{\ln a-\ln b}{a-b}>\dfrac{2}{a+b}>\sqrt{\dfrac{2}{a^{2}+b^{2}}}>\dfrac{1}{a}$

• 推论1：

  $\begin{array}{ll}x>1 \text { 时, } & 2 \dfrac{x-1}{x+1}<\ln x<\dfrac{1}{2}\left(x-\dfrac{1}{x}\right) \\ x \in(0,1) \text { 时, } & 2 \dfrac{x-1}{x+1}>\ln x>\dfrac{1}{2}\left(x-\dfrac{1}{x}\right)\end{array}$

• 推论2：

  $\begin{array}{ll}x>1 \text { 时, } & \dfrac{x^{2}-1}{x^{2}+1}<\ln x<\sqrt{x}-\dfrac{1}{\sqrt{x}} \\ x \in(0,1) \text { 时 }, & \dfrac{x^{2}-1}{x^{2}+1}>\ln x>\sqrt{x}-\dfrac{1}{\sqrt{x}}\end{array}$

实战演练

小试牛刀

1. 已知 f(x) = ln x − ax有两个零点x₁, x₂.

   1. 求a的取值范围; (答案：$a \in\left(0,\frac{1}{e}\right)$)
   2. 求证 x₁ ⋅ x₂ > e².

   解析

   设2个零点为x₁, x₂. 则有

   $\left\{\begin{array}{l}\ln x_{1}=a x_{1} \\ \ln x_{2}=a x_{2}\end{array}\right.$

   ln x₁ − ln x₂ = a(x₁ − x₂)

   $\dfrac{1}{a}=\dfrac{x_{1}-x_{2}}{\ln x_{1}-\ln x_{2}}<\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}$

   $\therefore a >x_{1} \dfrac{2}{x_{1}+x_{2}}$

   ln x₁ + ln x₂ = a(x₁ + x₂) $>\dfrac{2}{x_{1}+x_{2}} \left(x_{1}+x_{2}\right)=2$

   ∴ ln (x₁x₂) > 2,x₁x₂ > e²

2. 证明: $x-\ln x>2 \dfrac{e^{x}-x}{e^{x}+x}$.

   解析

   $\dfrac{\ln e^{x}-\ln x}{e^{x}-x}>\dfrac{2}{e^{x}+x}$

   $x-\ln x>2 \dfrac{e^{x}-x}{e^{x}+x}$

3. 已知 $f(x)=\ln x-a\left(x-\dfrac{1}{x}\right)$,对于∀x ∈ (1, +∞)都有f(x) < 0恒成立，则正数a的取值范围是(   ).

   A.(0, 2]   B.[2, +∞)   C. $\left(0, \dfrac{1}{2}\right]\qquad$ D.$\left[\dfrac{1}{2},+\infty\right)$

   解析

   D. 解析：$x>1 , \ln x<\dfrac{1}{2}\left(x-\dfrac{1}{a}\right) \leq a\left(x-\dfrac{1}{x}\right)$ $\Rightarrow a \geqslant \dfrac{1}{2}$

4. 已知 $f(x)=\ln (x+1)-\dfrac{a x}{x+a}$,对于∀x ∈ (0, +∞)都有f(x) > 0恒成立，则正数a的取值范围是(   ).

   A.(0, 2]   B.[2, +∞)   C.$\left(0, \dfrac{1}{2}\right]\qquad$D.$\left[\dfrac{1}{2},+\infty\right)$

   解析

   A. 解析：$\ln x>2 \dfrac{x-1}{x+1} \quad(x>1)$

   把 x = x + 1 代入得：

   x > 0时, $\ln (x+1)>2 \dfrac{x+1-1}{x+1+1}=\dfrac{2x}{x+2}$

   $\ln (x+1)>\dfrac{2 x}{x+2} \geqslant \dfrac{ax}{x+a}$

   2x + 2a ≥ ax + 2a

   ∴ a ≤ 2

大显身手

1. (2016全国课标Ⅰ卷理科21题)已知函数f(x) = (x − 2)e^x + a(x − 1)有两个零点.

   (Ⅰ) 求a的取值范围 ;

   (Ⅱ) 设x₁, x₂是f(x)的两个零点 , 证明: x₁ + x₂ < 2.

   解析

   解析 : (Ⅰ) a ∈ (0， + ∞)

   (Ⅱ) 由 (Ⅰ) 知a > 0, x₁ < 1 < x₂ < 2, f(x₁) = f(x₂) = 0,

   所以$\begin{cases} a(x_{1}-1)^{2}=(2-x_{1})e^{x} \\ a(x_{2}-1)^{2}=(2-x_{2})e^{x_{2}} \end{cases}$

   取对数可得$\begin{cases} \ln a+2 \ln (1-x_{1})= \ln (2-x_{1})+x_{1} \\ \ln a+2 \ln (x_{2}-1)= \ln (2-x_{2})+x_{2} \end{cases}$

   相减可得$2 ( 1- x _1 ) -2 ( x _2-1 ) = ( 2- x _1 ) -( 2- x _2 ) ＋ x _1- x _2 $,

   即2ln (1 − x₁) − 2ln (x₂ − 1) = ln (2 − x₁) − ln (2 − x₂) − [(2 − x₁) − (2 − x₂)],

   所以$\dfrac{2 \ln (1-x_{1})-2 \ln (x_{2}-1)}{ \ln (2-x_{1})- \ln (2-x_{2})}= 1- \dfrac{(2-x_{1})-(2-x_{2})}{ \ln (2-x_{1})- \ln (2-x_{2})}$,

   若x₁＋x₂ ≥ 2, 则1 − x₁ ≤ x₂ − 1,

   所以$\dfrac{2 \ln (1-x_{1})-2 \ln (x_{2}-1)}{ \ln (2-x_{1})- \ln (2-x_{2})} \leqslant 0$,

   所以$1 \leqslant \dfrac{(2-x_{1})-(2-x_{2})}{ \ln (2-x_{1})- \ln (2-x_{2})}<\dfrac{(2-x_{1})+(2-x_{2})}{2}$,

   所以(2 − x₁) + (2 − x₂) > 2, 即x₁ + x₂ < 2, 这与x₁ + x₂ ≥ 2矛盾 , 所以x₁ + x₂ < 2.

2. 已知函数 f(x) = 2ln x − x² − ax.

   1. 求函数 f(x) 的单调区间;

   2. 如果函数 f(x) 有两个不同的零点 x₁, x₂,且x₁ < x₂,证明:$f'\left(\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}\right)<0$

   解析

   分析： (1) 单调递增区间为 $\left(0, \dfrac{-a+\sqrt{a^{2}+16}}{4}\right)$, 单调递减区间为 $\left(\dfrac{-a+\sqrt{a^{2}+16}}{4},+\infty\right)$

   2. 证： $\because f(x)=2 \ln x-x^{2}-a x(x>0) \therefore f^{\prime}(x)=\dfrac{2}{x}-2 x-a$,

   由题意得：$\left\{\begin{array}{l}2 \ln x_{1}-x_{1}^{2}-a x_{1}=0 \\ 2 \ln x_{2}-x_{2}^{2}-a x_{2}=0\end{array}\right.$,

   两式相减得  : 2(ln x₁ − ln x₂) − (x₁² − x₂²) = a(x₁ − x₂)

   $\Leftrightarrow\dfrac{2\left(\ln x_{1}-\ln x_{2}\right)-\left(x_{1}^{2}-x_{2}^{2}\right)}{x_{1}-x_{2}}=a$,

   欲证 $: f^{\prime}\left(\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}\right)<0$

   只需证 $: f^{\prime}\left(\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}\right)=\dfrac{4}{x_{1}+x_{2}}-\left(x_{1}+x_{2}\right)-a<0$,

   只需证： $\dfrac{4}{x_{1}+x_{2}}-\left(x_{1}+x_2\right)<a$,

   只需证： $\dfrac{4}{x_{1}+x_{2}}-\left(x_{1}+x_2\right)<\dfrac{2\left(\ln x_{1}-\ln x_{2}\right)-\left(x_{1}^{2}-x_{2}^{2}\right)}{x_{1}-x_{2}}$,

   只需证：$\dfrac{2}{x_{1}+x_{2}}<\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}$,

   由对数均值不等式$\dfrac{x_{1}-x_{2}}{\ln x_{1}-\ln x_{2}}<\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}$可得$\dfrac{2}{x_{1}+x_{2}}<\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}$,

   从而命题得证.

3. (2014南通二模)设函数 f(x) = e^x − ax + a (a ∈ R), 其图象与x轴交于A(x₁, 0),B(x₂, 0) 两点, 且 x₁ < x₂.

   1. 求实数a 的取值范围;

   2. 证明：$f'(\sqrt{x_{1} x_{2}})<0 .$

   解析

   解：(1) a > e² (过程略)

   证：(2) ∵f(1) = e > 0,由(1)知1 < x₁ < ln a < x₂

   由 题 意 得： $\left\{\begin{array}{l}e^{x_1} -a x_{1}+a=0\\ e^{x_2}-a x_{2}+a=0\end{array} \Leftrightarrow\left\{\begin{array}{l}e^{x_{1}}=a\left(x_{1}-1\right) \\ e^{x_{2}}=a\left(x_{2}-1\right)\end{array} \Leftrightarrow\left\{\begin{array}{l}x_{1}=\ln \left(x_{1}-1\right)+\ln a \\ x_{2}=\ln \left(x_{2}-1\right)+\ln a\end{array}\right.\right.\right.$

   两 式 相 减 得 x₁ − x₂ = ln (x − 1) − ln (x₂ − 1),

   $\therefore \dfrac{x_{1}-x_{2}}{\ln \left(x_{1}-1\right)-\ln \left(x_{2}-1\right)}=$ $\dfrac{\left(x_{1}-1\right)-\left(x_{2}-1\right)}{\ln \left(x_{1}-1\right)-\ln \left(x_{2}-1\right)}=1$

   由ALG不等式得： $\sqrt{\left(x_{1}-1\right)\left(x_{2}-1\right)}<\dfrac{\left(x_{1}-1\right)-\left(x_{2}-1\right)}{\ln \left(x_{1}-1\right)-\ln \left(x_{2}-1\right)}$

   $\therefore \sqrt{\left(x_{1}-1\right)}\left(x_{2}-1\right)<1, \therefore\left(x_{1}-1\right)\left(x_{2}-1\right)<1$

   
   

   由 $\left\{\begin{array}{l}x_{1}=\ln \left(x_{1}-1\right)+\ln a \\ x_{2}=\ln \left(x_{2}-1\right)+\ln a\end{array}\right.$

   两式相加得：x₁ + x₂ = [ln (x₁ − 1) + ln (x₂ − 1)]+ 2ln a

   即 (x₁ + x₂) − 2ln a = ln [(x₁ − 1)(x₂ − 1)],

   ∵(x₁ − 1)(x₂ − 1) < 1∴ ln [(x₁ − 1)(x₂ − 1)] < 0,

   $\therefore\left(x_{1}+x_{2}\right)-2 \ln a<0 \therefore \dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}<\ln a$,

   又$\because \sqrt{x_{1} x_{2}}<\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2} \therefore \sqrt{x_{1} x_{2}}<\ln a$ 由(1)知f(x)在 (−∞, ln α) 上单调递减,

   $\therefore f^{\prime}\left(\sqrt{x_{1} x_{2}}\right)<f^{\prime}(\ln \alpha)=0$,

   则 $f^{\prime}\left(\sqrt{x_{1} x_{2}}\right)<0$ 得证.

4. （2014陕西理21(3)）设函数f(x) = ln (1 + x), g(x) = xf^′(x)(x ≥ 0),其中f^′(x)是f(x)的导函数. 设 n ∈ N₊, 比较g(1) + g(2) + ⋯ + g(n)与 n − f(n) 的大小, 并加以证明.

   解析

   因为 $g(x)=\dfrac{x}{1+x}$,

   所以 g(1) + g(2)+ ⋯ + g(n) $=\dfrac{1}{2}+\dfrac{2}{3}+\cdots+\dfrac{n}{n+1}$ $=n-\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}\right)$,

   而 n − f(n) = n − ln (n + 1), 因此只需比较$\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}$ 与 ln (n + 1) 的大小即可.

   利用对数均值不等式: 当 b > a > 0 时,有$b>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a} \Rightarrow \ln b-\ln a>\dfrac{b-a}{b}$^[注1],

   故可命b = n + 1, a=n,

   则 $\ln (n+1)-\ln n>\dfrac{1}{n+1}$,

   故 $\ln 2-\ln 1>\dfrac{1}{2}$,$\ln 3-\ln 2>\dfrac{1}{3}, \cdots, \ln (n+1)-\ln n>\dfrac{1}{n+1},$

   将以上各不等式左右两边分别相加得

   $\ln (n+1)>\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{4}$$+\cdots+\dfrac{1}{n}+\dfrac{1}{n+1},$

   即得 g(1) + g(2) + ⋯ + g(n)> n − f(n)

   注1

   【注1】这里如果用$b>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}$可以很快推出$\ln (n+1)-\ln n>\dfrac{1}{n+1}$. 但是如果使用常规（常用）的ALG不等式也可以分步推出相同结论。

   令b = n + 1, a=n,根据ALG不等式，有：

   $\dfrac{(n+1)-n}{\ln(n+1)-\ln n}<\dfrac{n+1+n}{2}$ $\dfrac{1}{\ln (n+1)-\ln n}<\dfrac{2 n+1}{2}$ $\ln (n+1)-\ln n>\dfrac{2}{2 n+1}>\dfrac{2}{2 n+2}=\dfrac{1}{n+1}$

5. （2013 年全国大纲卷22II）设函数 $f(x)=\ln (1+x)-\dfrac{x(1+\lambda x)}{1+x}$. 设数列 {a_n} 的通项 $a_{n}=1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\cdots$ $+\dfrac{1}{n}$, 证明 $: a_{2 n}-a_{n}+\dfrac{1}{4 n}>\ln 2$.

   解析

   证明: 当 b > a > 0 时,有 $\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}>\dfrac{2}{\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}}$ (利用对数均值不等式),

   即 ln b $-\ln a<\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}\right)(b-a)$,

   令 a = n, b = n + 1, 则 $\ln (n+1)-\ln n<\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{n}+\dfrac{1}{n+1}\right),$

   所以 ln (n + 1) $-\ln n<\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{n}+\dfrac{1}{n+1}\right)$

   ln (n + 2) − ln (n + 1)$<\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{n+1}+\dfrac{1}{n+2}\right)$

   ln (n + 3) − ln (n + 2)< $\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{n+2}+\dfrac{1}{n+3}\right), \cdots,$

   ln (2n) − ln (2n − 1)< $\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{2 n-1}+\dfrac{1}{2 n}\right)$,

   将上式相加可得

   ln 2n − ln n< $\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{n}+\dfrac{2}{n+1}+\dfrac{2}{n+2}+\dfrac{2}{n+3}+\cdots+\dfrac{2}{2 n-1}+\dfrac{1}{2 n}\right)$ $\ln 2<\dfrac{1}{2 n}+\left(\dfrac{1}{n+1}+\dfrac{1}{n+2}+\dfrac{1}{n+3}+\cdots+\dfrac{1}{2 n-1}\right)$ $+\dfrac{1}{4 n},$

   故 $: \dfrac{1}{n+1}+\dfrac{1}{n+2}+\dfrac{1}{n+3}+\cdots+\dfrac{1}{2 n-1}+\dfrac{1}{2 n}+$ $\dfrac{1}{4 n}>\ln 2,$

   所以得证 $a_{2 n}-a_{n}+\dfrac{1}{4 n}>\ln 2$

6. (2010天津理科21题) 已知函数f(x) = xe^−x(x ∈ R). 如果x₁ ≠ x₂, 且f(x₁) = f(x₂), 证明x₁+ x₂ > 2.

   解析

   由 f(x₁) = f(x₂), 得x₁e^−x₁ = x₂e^−x₂,

   化简得 $e^{x_{2}-x_{1}}=\dfrac{x_{2}}{x_{1}}$,

   两边同时取以 e 为底的对数, 得

   x₂ − x₁ $=\ln \dfrac{x_{2}}{x_{1}}=\ln x_{2}-\ln x_{1},$也即$\dfrac{\ln x_{2}-\ln x_{1}}{x_{2}-x_{1}}=1,$

   利用ALG不等式得 $1=\dfrac{x_{1}-x_{2}}{\ln x_{1}-\ln x_{2}}<\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2},$

   即证得x₁ + x₂ > 2.

7. (2018全国I卷21) 已知函数 $f(x)=\dfrac{1}{x}-x+$ aln x. 若f(x)存在两个极值点 x₁, x₂, 证明: $\dfrac{f\left(x_{1}\right)-f\left(x_{2}\right)}{x_{1}-x_{2}}<a-2$.

   解析

   对函数 f(x) 求导得: $f^{\prime}(x)=\dfrac{a}{x}-\dfrac{1}{x^{2}}-1$ $=\dfrac{-x^{2}+a x-1}{x^{2}}$.

   f(x)存在两个极值点 x₁, x₂⇔ −x² + ax − 1 = 0在(0, +∞)上有两个解x₁, x₂.

   由韦达定理可得: x₁ ⋅ x₂ = 1, x₁ + x₂ = a.

   $\left\{\begin{array}{l}f\left(x_{1}\right)=\dfrac{1}{x_{1}}-x_{1}+a \ln x_{1} \\ f\left(x_{2}\right)=\dfrac{1}{x_{2}}-x_{2}+a \ln x_{2}\end{array}\right.$

   两式相减得: $f(x_1)-f\left(x_{2}\right)=\dfrac{x_{2}-x_{1}}{x_{2} x_{1}}+x_{2}-x_{1}+a\left(\ln x_{1}-\ln x_{2}\right) .$

   结合韦达定理得: $\dfrac{f\left(x_{1}\right)-f\left(x_{2}\right)}{x_{1}-x_{2}}=-\dfrac{1}{x_{2} x_{1}}-1+$ $a \dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}$ $=a \dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}-2,$

   利用ALG不等式可得:$\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}<\dfrac{1}{\sqrt{x_{1} x_{2}}}=1,$

   所以 $\dfrac{f\left(x_{1}\right)-f\left(x_{2}\right)}{x_{1}-x_{2}}<a-2$ 成立.

8. (2016湖南高联预15) 已知函数 $f(x)=x \ln x-\dfrac{1}{2} m x^{2}-x, m \in \mathbb{R}$. 若 f(x) 有两个极值点 x₁, x₂, 且 x₁ < x₂, 求证: x₁x₂ > e².

   解析

   对 f(x) 求导得: f^′(x) = ln x − mx.

   因为 x₁, x₂为f(x)的两个极值点,

   所以 $\left\{\begin{array}{l}f^{\prime}\left(x_{1}\right)=\ln x_{1}-m x_{1}=0 \\ f^{\prime}\left(x_{2}\right)=\ln x_{2}-m x_{2}=0\end{array} \Rightarrow\left\{\begin{array}{l}\ln x_{1}=m x_{1} \quad (1)\\ \ln x_{2}=m x_{2}\quad (2)\end{array}\right.\right.$

   由(1)-(2)​得: $\dfrac{x_{1}-x_{2}}{\ln x_{1}-\ln x_{2}}=\dfrac{1}{m}$.

   根据对数均值不等式得： $$\dfrac{1}{m}=\dfrac{x_{1}-x_{2}}{\ln x_{1}-\ln x_{2}}<\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2} \Rightarrow x_{1}+x_{2}>\dfrac{2}{m}.\quad(3)$$

   由(1)+(2)​得:

   ln (x₁ ⋅ x₂) = m(x₁ + x₂)  (4)

   将(3)式带入(4)式得: $\ln \left(x_{1} \cdot x_{2}\right)>m \cdot \dfrac{2}{m}=2$  ⇒ x₁x₂ > e²成立。

9. (2018福建高联预14) 已知f(x) = e^x − mx.若x₁, x₂是函数f(x) 的两个零点, 求证:x₁ + x₂ > 2.

   解析

   因为 x₁, x₂是函数f(x) 的两个零点，

   所以$\left\{\begin{array}{l}f\left(x_{1}\right)=e^{x_{1}}-m x_{1}=0 \\ f\left(x_{2}\right)=e^{x_{2}}-m x_{2}=0\end{array}\right.$成立.

   移项可得：$\left\{\begin{array}{l}e^{x_{1}}=m x_{1} \\ e^{x_{2}}=m x_{2}\end{array}\right.$

   两边分别取对数可得: $\left\{\begin{array}{l}x_{1}=\ln m+\ln x_{1} \\ x_{2}=\ln m+\ln x_{2}\end{array} \quad\right.$

   上式相减可得: $\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}=1$ 利用ALG不等式 $\dfrac{2}{x_{1}+x_{2}}<\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}=1$即可得:x₁ + x₂ > 2 成立.

10. 已知实数 a > 0, 函数 f(x) = ln x −ax² + (2 − a)x. 若 y = f(x) 的图象与 x 轴交于 A, B 两点, 线段AB中点的横坐标为 x₀, 证明: f^′(x₀)  < 0.

    解析

    由 f(x₁) = f(x₂) = 0, 知 ln x₁ − ax₁² +(2 − a)x₁ = ln x₂ − ax₂² + (2 − a)x₂,

    故$a=\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}+2\left(x_{1}-x_{2}\right)}{x_{1}^{2}-x_{2}^{2}+x_{1}-x_{2}}$

    f^′(x₀) < 0

    $\Leftrightarrow x_{0}=\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}>\dfrac{1}{a}$

    $\Leftrightarrow \dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}>\dfrac{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{1}-x_{2}}{\ln x_{1}-\ln x_{2}+2\left(x_{1}-x_{2}\right)}$

    $\Leftrightarrow \dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}>\dfrac{x_{1}+x_{2}+1}{\frac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}+2}$

    $\Leftrightarrow \dfrac{2}{x_{1}+x_{2}}<\dfrac{\ln x_{1}-\ln x_{2}}{x_{1}-x_{2}}$

总结

$\color{grey}{b>\sqrt{\dfrac{a^{2}+b^{2}}{2}}>}$$\dfrac{a+b}{2}>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}>\sqrt{a b}$$\color{grey}{>\dfrac{2}{\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}}>a}$

题号/来源	所用的不等式	方程组处理
1/2016国一21	$\dfrac{a+b}{2}>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}$	相减、反证法
2	$\dfrac{2}{a+b}<\dfrac{\ln a-\ln b}{a-b}$	相减
3/2014南通二模20	$\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}>\sqrt{a b}$ $\dfrac{a+b}{2}>\sqrt{a b}$	取对、相减、相加
4/2014陕西21	$\color{grey}{ b>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}}$或$\dfrac{a+b}{2}>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}$	命b = n + 1, a = n
5/2013全国大纲卷22II	$\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}>\dfrac{2}{\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}}$	裂项
6/2010天津理21	$\dfrac{a+b}{2}>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}$	相减、取对
7/2018全国I卷21	$\dfrac{\ln b-\ln a}{b-a}<\dfrac{1}{\sqrt{ab}}$	相减、韦达
8/2016湖南高联预15	$\dfrac{a+b}{2}>\dfrac{b-a}{\ln b-\ln a}$	相减
9/2018福建高联预14	$\dfrac{2}{a+b}<\dfrac{\ln a-\ln b}{a-b}$	取对、相减
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参考资料

• 《利用对数均值不等式破解极值点偏移问题》陈友镇
• 《巧用对数均值不等式解高考压轴题》彭耿铃
• 《对数均值不等式在高考及竞赛中的运用》陈纪刚
• 《妙用对数均值不等式解题》徐春艳

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