質問<3060>
「「積分と不等式」」
日付 2006/4/3
質問者 tk


f(x)=e^(\(\frac{1}{x}\))
と置くとき、

\(\frac{9}{8}\)\(\sqrt{\quad}\)e<∫[1,2]f(x)dx<\(\frac{1}{2}\)(e+\(\sqrt{\quad}\)e)

を証明しなさい。

というものです。
右側の不等式は、台形を作れば簡単なんですが、
左側の不等式が立ちません。

長方形を使って近似しても、4分割では足りないようです。
もちろん、8分割または、16分割すれば証明できると思うのですが、
もっとエレガントな証明方法は、ないものでしょうか?

★希望★完全解答★

お便り
日付 2006/4/4
回答者 angel


\(\sqrt{\quad}\)e が出てくる以上、x=2 の所を基準に何かを見ていると考えるのが妥当でしょう。

f'(x)=-1/\(x^{2}\)・e^(\(\frac{1}{x}\))
f''(x)=(2x+1)/\(x^{4}\)・e^(\(\frac{1}{x}\))
であり、1<x<2 においては f''(x)>0、下に凸なグラフとなるため、
x=2 の所で接線 y=g(x) を引くと、1<x<2 の範囲で f(x)>g(x) です。

この g(x) は、
 g(x)=f'(2)・(x-2)+f(2)
  = -\(\frac{1}{4}\)・\(\sqrt{\quad}\)e・(x-2)+\(\sqrt{\quad}\)e

よって、g(1)=\(\frac{5}{4}\)・\(\sqrt{\quad}\)e, g(2)=\(\sqrt{\quad}\)e
∫[1,2] g(x) dx = \(\frac{1}{2}\)・(g(1)+g(2))=\(\frac{9}{8}\)・\(\sqrt{\quad}\)e
※直線のグラフのため、台形の面積の計算と同じ

1<x<2 の範囲で f(x)>g(x) のため、\(\frac{9}{8}\)・\(\sqrt{\quad}\)e < ∫[1,2] f(x) dx

お便り
日付 2006/4/4
回答者 underbird


f(x)=e^(\(\frac{1}{x}\))のx=2における接線の方程式は、
f'(x)=-{e^(\(\frac{1}{x}\))}/\(x^{2}\)より
y-\(\sqrt{\quad}\)e=-(\(\sqrt{\quad}\)e)(x-2)/4で、x=1におけるy座標の値は
(5\(\sqrt{\quad}\)e)/4になることを確かめてみてください。
あとは、x軸,x=1,x=2,接線で囲まれる台形の面積は
(9\(\sqrt{\quad}\)e)/8となります。