方針
から が狭義単調増加であることを使う。(1)は を計算し、平均値の定理で と書いて端点での符号を判定する。(2)は から のグラフが上に凸で、端点 を結ぶ弦より上にあることを用いる。(3)は差分 を作り、 が増加することに帰着する。
解答
(1) である。微分すると である。
平均値の定理より、 と の間にある実数 が存在して と書ける。また より は狭義単調増加である。
まず とする。このとき なので であり、 である。 の場合も、 であることと を用いれば同じく が得られる。
(2)
さらに微分すると である。したがって のグラフは上に凸である。また である。上に凸で直線ではないグラフは、端点を結ぶ線分よりも内部で上にある。端点を結ぶ線分は であるから、 では である。
(3) とおき、 を考える。微分すると である。 は狭義単調増加で、 だから である。したがって は狭義単調増加である。 より である。よって である。これを展開すると であり、移項して を得る。
別解
解法2(狭義凸性を2回適用する)
方針
(1) (2)で から狭義凸性を示す。(3)では と が、 と を互いに逆の比で内分することを確かめ、(2)を2本足す。
解答
(1) 平均値の定理により、 の間の を用いてと書ける。 だから は狭義単調増加である。 と のどちらでも符号を合わせて比較すれば(2)したがって は狭義に上に凸であり、 だからすなわち、相異なる と に対しである。
(3) とおく。 であり、とおけば である。直接計算するとまた(2)をそれぞれに適用して辺々を加えればしたがって示す不等式が得られる。
総評
難度7、目安時間24分。 から が増加するという基本事実を、平均値の定理や差分の増加にどう使うかが問われる。(1)では と の符号を雑に扱うと危険なので、平均値の定理で中間点を置くのが安全である。(2)は と端点値0から内部正を読む問題。(3)は4変数をそのまま扱わず、 の差分関数を作ると一行の増加性に帰着する。