А если использовать функцию 

 и использовать теорему Ролля в [5,6]
Хм, по-моему получается все очень даже здорово. Надо просто рассмотреть все случаи: 

, 

, 

. Последний вообще тривиальный (и так понятно, что там решений быть не может), первые два тоже совсем не сложные, надо последовательность неравенств просто выписать.