1. 换元改写零点满足的方程与目标不等式
由 (1) 知 k=2,不妨设 0<x1<21<x2.
零点方程为 2xi1+ln(2xi)=0 (i=1,2).
设 t=2x1,则 x=2t1,原方程化为:
t+ln(4t1)=0⟺t−ln(4t)=0⟺t−lnt=ln4
设 t1=2x11,t2=2x21,则 t1>1>t2>0,且 t1,t2 是方程 g(t)=t−lnt=ln4 的两个实根.
目标不等式 x11+x21>4 等价于 2t1+2t2>4⟺t1+t2>2.
2. 构造对称差函数并用导数判断单调性
考虑构造函数 h(t)=g(t)−g(2−t)=(t−lnt)−[(2−t)−ln(2−t)],其中 t∈(1,2).
对 h(t) 求导:
h′(t)=1−t1−[−1+2−t1]=2−t1−2−t1=t(2−t)2t(2−t)−(2−t)−t=t(2−t)−2(t−1)2
当 t∈(1,2) 时,t>0 且 2−t>0,故 h′(t)<0.
所以 h(t) 在 (1,2) 上单调递减.
3. 推导 $t_1 + t_2 > 2$ 并得出最终结论
由于 h(t) 在 (1,2) 上单调递减,且 h(1)=0,故对于任意 t∈(1,2),有 h(t)<h(1)=0,即 g(t)<g(2−t).
若 t1⩾2,因为 t2>0,则 t1+t2>2 显然成立.
若 1<t1<2,则有 g(t1)<g(2−t1).
又因为 g(t1)=g(t2)=ln4,所以 g(t2)<g(2−t1).
因为 g′(t)=1−t1<0 在 (0,1) 上恒成立,g(t) 在 (0,1) 上单调递减,
又 t2∈(0,1) 且 2−t1∈(0,1),
由 g(t2)<g(2−t1) 可得 t2>2−t1,即 t1+t2>2.
综上所述,必有 t1+t2>2,即 2x11+2x21>2,
变形得 x11+x21>4.原命题得证.