$e$ 的前奏:数列 $\left(1+\frac{1}{k}\right)^k$ 单调性证明
问题:比较 $\left(1+\frac{1}{k}\right)^k$ 与 $\left(1+\frac{1}{k+1}\right)^{k+1} \ (k \in \mathbb{N}^*)$
(2026-2027苏州中学高一上第一次月考19(3))
一、试着放缩一下
两边取对数,等价于比较:
$$k[\ln(k+1) – \ln k] \quad \text{与} \quad (k+1)[\ln(k+2) – \ln(k+1)]$$
移项整理:
$$k\ln\left[(k+1)^2\right] + \ln(k+1) < k\ln[k(k+2)] + \ln(k+2)$$
$\ln(k+1) < \ln(k+2)$ ,但是:
$$(k+1)^2 = k^2+2k+1 > k(k+2) = k^2+2k$$
符号相反, $k^2+2k+1 < k^2+2k$显然不成立,失败了。
我第一遍就是这样做的
二、 直接求导
令 $f(x) = \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x \ (x \ge 1)$。
我好像不会求导啊。。
三、 取对数再求导
两边取自然对数:
$$f(x) = x \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) \quad (x \ge 1)$$
求导得:
$$f'(x) = \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) – \frac{1}{x+1}$$
即证其恒正
若直接二次求导:
$$f”(x) = \frac{1}{1 + \frac{1}{x}} \left(-\frac{1}{x^2}\right) – \left[-\frac{1}{(x+1)^2}\right] = -\frac{1}{x(x+1)^2} < 0$$
那么$f'(x)$ 单调递减:
不是很容易证明 $f'(x) > 0$。
换元则可以避开这个问题:令 $t = 1 + \frac{1}{x} > 1$,则 $\frac{1}{x+1} = 1 – \frac{1}{t}$。 转化为判定:
$$g(t) = \ln t + \frac{1}{t} – 1 \quad (t > 1)$$
求导:
$$g'(t) = \frac{1}{t} – \frac{1}{t^2} = \frac{t-1}{t^2} > 0$$
当 $t > 1$ 时 $g(t) > g(1) = 0$,$f'(x) > 0$。 故 $f(x)$ 单调递增,得:
$$\left(1+\frac{1}{k}\right)^k < \left(1+\frac{1}{k+1}\right)^{k+1}$$
四、 多元均值不等式
对 $k$ 个 $\left(1 + \frac{1}{k}\right)$ 与 1 个 $1$(共 $k+1$ 个正数)应用多元均值不等式:
$$\frac{\overbrace{\left(1 + \frac{1}{k}\right) + \left(1 + \frac{1}{k}\right) + \cdots + \left(1 + \frac{1}{k}\right)}^{k \text{ 个}} + 1}{k+1} > \sqrt[k+1]{\left(1 + \frac{1}{k}\right)^k \cdot 1}$$
(显然取不到等号)
整理:
$$\frac{k\left(1 + \frac{1}{k}\right) + 1}{k+1} = \frac{(k + 1) + 1}{k+1} = 1 + \frac{1}{k+1}$$
两边取 $k+1$ 次方即得:
$$\left(1+\frac{1}{k+1}\right)^{k+1} > \left(1+\frac{1}{k}\right)^k$$
这也是原题前面给出的铺垫,让我们使用的方法
实际上
$$\lim_{k \to \infty} \left(1 + \frac{1}{k}\right)^k = e \approx 2.718281828$$