先考虑由函数y=1/x,x=1, x=n+1, y=0所围成的面积
但在区间[i,i+1], 有:S(i)=∫[i,i+1]dx/x<1/i
由定积分的性质知:
∑[i=1,n+1]S(i)=∑[i=1,n+1]∫[i,i+1]dx/x=∫[1,n+1]dx/x=ln(1+n)<∑[i=1,n+1]1/i=1+1/2+…+1/n
同时在区间[i,i+1], 有:S(i)=∫[i,i+1]dx/x>1/(i+1)
由定积分的性质知:
∑[i=1,n]S(i)=∑[i=1,n]∫[i,i+1]dx/x=∫[1,n]dx/x=ln(n)>∑[i=1,n]1/(i+1)=1/2+…+1/n+1/(n+1)
∴1+1/2+1/3+..+1/n<1+1/2+1/3+..+1/n+1/(n+1)<1+ln(n)
总之:ln(1+n)<1+1/2+1/3+..+1/n<1+ln(n) 得证。
积分在某种意义上就是求和,所以中间的式子1+1/2+1/3+..+1/n等价于∫1到n(1/x)dx=㏑n,所以1+lnn>中间的部分,而对于左边的部分,因为㏑x函数为单调递增函数,所以㏑n+1>㏑n;
分左右两部分证明。先证左边式子:取函数y=1/x,将区间[1,n+1]分成n段,此时x=1对应y=1,x=2对应y=1/2,以此类推,最后x=n对应y=1/n,此时作图,可以观察出ln(1+n)=sum(x=1->x=n+1)(1/x)dx<1+1/2.....+1/n,由此得证;再证右边式子:左右两边消去1,取函数y=1/x ,类似方法得证1/2+1/3+....+1/n