高中数学讲义微专题24《恒成立问题-最值分析法(含恒成立综合习题)》讲义.doc
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1、 微专题 24 恒成立问题最值分析法 最值法求解恒成立问题是三种方法中最为复杂的一种, 但往往会用在解决导数综合题目中 的恒成立问题。 此方法考研学生对所给函数的性质的了解, 以及对含参问题分类讨论的基本功。 是导数中的难点问题。 一、基础知识: 1、最值法的特点: (1)构造函数时往往将参数与自变量放在不等号的一侧,整体视为一个函数,其函数含参 (2)参数往往会出现在导函数中,进而参数不同的取值会对原函数的单调性产生影响可 能经历分类讨论 2、理论基础:设 f x的定义域为D (1)若xD ,均有 f xC(其中C为常数) ,则 maxf xC (2)若xD ,均有 f xC(其中C为常数)
2、 ,则 minf xC 3、技巧与方法: (1)最值法解决恒成立问题会导致所构造的函数中有参数,进而不易分析函数的单调区间, 所以在使用最值法之前可先做好以下准备工作: 观察函数 f x的零点是否便于猜出(注意边界点的值) 缩小参数与自变量的范围: 通过代入一些特殊值能否缩小所求参数的讨论范围(便于单调性分析) 观察在定义域中是否包含一个恒成立的区间(即无论参数取何值,不等式均成立) ,缩小 自变量的取值范围 (2)首先要明确导函数对原函数的作用:即导函数的符号决定原函数的单调性。如果所构造 的函数,其导数结构比较复杂不易分析出单调性,则可把需要判断符号的式子拿出来构造一 个新函数,再想办法解
3、决其符号。 (3)在考虑函数最值时,除了依靠单调性,也可根据最值点的出处,即“只有边界点与极值 点才是最值点的候选点” ,所以有的讨论点就集中在“极值点”是否落在定义域内。 二、典型例题: 例 1:设 2 22f xxmx,当1,x 时, f xm恒成立,求m的取值范围 思路:恒成立不等式为 2 220 xmxm,只需 2 min 220 xmxm,由于左端是 关于x的二次函数,容易分析最值点位置,故选择最值法 解:恒成立不等式为 2 220 xmxm,令 2 22g xxmxm则对称轴为xm (1)当1m时, g x在1, 单调递增, min 11 220g xgmm 3m即3, 1m (2
4、)当1m时, g x在1,m单调递减,在,m 单调递增 22 min 22021g xg mmmmm 1,1m 终上所述:3,1m 小炼有话说:二次函数以对称轴为分解,其单调性与最值容易分析。所以二次恒成立不等式 往往可考虑利用最值法,此题中对称轴是否在区间内将决定最值的取值,故以此为分类讨论 点。 思路二:从另一个角度看,本题,m x容易进行分离,所以也可考虑参变分离法 解: 22 220212xmxmxmx (1) 1 210 2 xx 时,则 2 min 2 21 x m x (由于m系数符号未定,故分类讨论进行参变 分离) 令21,0txt(换元时注意更新新元的取值范围) 则 2 22
5、 1 2 22919 4 =21 2144 t xtt t xttt (2) 1 210 2 xx ,不等式对任意的m均成立 (3) 1 210 2 xx , 2 max 2 21 x m x (注意不等号变号! ! ) 令21, 10txt ,则 2 22 1 2 22919 4 =23 2144 t xtt t xttt 3m 综上所述:3,1m 小炼有话说: (1)此题运用参变分离法解题并不简便,不仅要对x分类讨论,还要处理一个分式函数的最 值,所以两个方法请作一对比 (2)最后确定m的范围时,是将各部分结果取交集交集,因为分类讨论是对x进行的,m的取值 要让每一部分必须同时成立才可,所
6、以是“且”的关系,取交集 例2 : 已 知 函 数 2 ln x f xaxxa, 对 任 意 的 12 ,0,1x x , 不 等 式 12 1f xf xa恒成立,则a的取值范围是_ 思路: 若不等式恒成立, 则 12 max 1af xf x , 1 f x与 2 f x差的最大值即为 f x 最大值与最小值的差。所以考虑求 2 ln x f xaxxa在0,1的最大最小值, ln2ln1 ln2 xx fxaaxaaax,若1a ,则10, ln0 x aa ,所以 1 ln0 x aa,若01a,则10,ln0 x aa ,所以1 ln0 x aa。而20 x , 所 以 无 论a为
7、 何 值 , 0fx , 则 f x在0,1单 调 递 增 。 maxmin 10lnf xf xffaa,从而1lnaaa ,解得ae 答案:, e 例 3:已知函数 ln10f xaxa,在区间1,e上, f xx恒成立,求a的取值范 围 思路一:恒成立的不等式为ln1axx 即ln10axx ,令 ln1g xaxx观察到 两点特征:(1) g x导函数易分析单调性, (2) 10g,对单调性会有一定要求进而限制参 数a的取值。所以考虑使用最值法求解。 解: f xx恒成立即不等式ln10axx 恒成立,令 ln1g xaxx 只需 min0g x即可, 10g 1 aax gx xx
8、,令 00 ax gxxa x (分析 g x的单调性) 当1a 时 g x在1,e单调递减,则 0 10g xg (思考:为什么以1a 作为分界点讨论?因为找到 10g,若要不等式成立,那么一定从1x 处 起 g x要增(不一定在1,e上恒增,但起码存在一小处区间是增的) ,所以1a 时导致 g x在1x 处开始单减,那么一定不符合条件。由此请体会零点对参数范围所起的作用) 当1a 时,分xa是否在1,e中讨论(最小值点的选取) 若1ae,单调性如表所示 x 1,a , a e g x + g x 10 1 0 g ae g e 1eae ( (1) 可以比较 1 ,gg e的大小找到最小的
9、临界值, 再求解, 但比较麻烦。 由于最小值只会在1,xxe 处取得,所以让它们均大于 0 即可。 (2)由于1,xxe并不在1,e中,所以求得的只是临界值,临界 值等于零也符合条件) 若ae,则 g x在1,e上单调递增, 10g xg,符合题意 综上所述:1ae 小炼有话说:此题在1a 的情况也可不分类讨论,因为从单调区间分析来看,在1+,中 xa是极大值点,不可能是最小值,所以无论xa是否在1,e,最小值(或临界值)均 只会在边界处产生,所以只需 10 1 0 g ae g e 即可 思路二:不等式 ln10axx 中a与x便于分离,所以只要分离后的x的函数易分析出单 调性,那么就可考虑
10、运用参变分离法 解: 1 ln10 ln x axxa x ,令 1 ln x g x x ,则只需 maxag x即可 2 1 ln1 ln x x gx x (单调性受分子影响,但无法直接分析) 令 1 ln1h xx x , 10h( h x求导函数,便不含lnx,可分析单调性,且零点找到, 所以方法二可继续进行) 22 111 ( )01, x h xxe xxx h x在1,e上单调递增 10h xh (体会零点配合单调性对确定函数符号的作用) ( ) g x0, g x在1,e上单调递增 1g xg ee 1ae ( g x无最大值,只有临界值,故可取等号) 小炼有话说:第一点是分
11、析 ( ) g x时由于 ( ) g x形式复杂并没有对 ( ) g x直接求导,而是把分 子拿出来分析。因为我们只关心导函数的符号,而分母符号恒正,所以要体会导函数的符号 是对原函数的单调性最有价值的。第二点是体会零点与单调性合作可确定函数的符号,这也 是分析 h x的重要原因 例 4: 已知 1 1 ax x fxe x ,若对任意的0,1x,均有 1f x ,求a的取值范围 思路:恒成立不等式为 1 1 1 ax x e x ,可参变分离但函数比较复杂,所以考虑利用最值法来 分析。发现0 x 时,左右两边刚好相等。这也为最值分析提供方向 解:令 1 1 1 ax x g xe x , 0
12、0g ( g x从0 x 起应单调递增) 2 2 2 1 ax axa gxe x 令 0g x ,即 22 202axaaxa 下面分情况讨论: 0a 时, 0g x 恒成立, g x在0,单调递增 0,1 ,00 xg xg 0a时, 2 22 1 a x aa 2 11 a 0,1x , 0g x 恒成立, g x在0,单调递增 0,1 ,00 xg xg 0a 时, 2 22 1 a x aa 2a 时, 2 2a x a 恒成立, g x在0,单调递增 0,1 ,00 xg xg 2a 时, 2 22aa xx aa g x在 2 0, a a 单调减,在 2 ,1 a a 单调递增
13、 2 0,(0)0 a xg xg a ,不符题意,舍去 综上所述:2a 小炼有话说:本题导函数形式简单,所以直接对参数进行分类讨论与取舍 例 5: 已知函数 2 1 x f xexax 对任意的0,x,均有 0f x ,求实数a的 范围 思路:此题可用最值法求解,先做好准备工作, 00f,所以函数要从0 x 开始增,求 导观察特点: 解: 00f ( ) 21 x fxeax(不易直接出单调性,但是发现其中 00f,且 fx再 求一次导,其导函数容易分析单调性。进而可解) 00f 2 x fxea,令 0fx 即2 x ea,下面进行分类讨论: (1)当0a 时, 0fx , fx单调递增。
14、 00fxf f x单调递增, 00f xf,满足条件 (此处为此题最大亮点,体会三点:单调性与零点是如何配合来确定 ,f xfx的符号的;每 一步的目的性很强, fx的作用就是以符号确定 f x的单调性,所以解题时就关注 fx的符号。而 符号的确定同样要靠二阶导数与一阶导函数的零点配合来得到; ,f xfx的零点是同一个,进而引 发的连锁反应) (2)当0a 时,ln2xa(ln2a可正可负,而0,x,所以讨论 ln2a的符号) 当 1 ln200 2 aa时,ln2xa恒成立,即 fx恒大于零,则: fx单调递增。 00fxf f x单调递增, 00f xf,满足条件 当 1 ln20 2
15、 aa,则0,ln2xa时, 0fx 即 fx在0,ln2a单调递减, 00fxf f x在0,ln2a单调递减, 00f xf,不符题意,故舍 去 综上所述: 1 2 a 时, 0f x 恒成立 小炼有话说:这道题的重要特点在于 ,f xfx的零点是同一个,进而会引发“连锁反应” 。 大家在处理多次求导问题时,一定要清楚每一层导数的目的是什么,要达到目的需要什么, 求出需要的要素。 例 6:已知函数 ln1f xxax,aR (1)求函数 f x的单调区间 (2 2)若)若 ln 20 x fx x 对于任意的对于任意的1,x恒成立,求恒成立,求a的取值范围的取值范围 解:(1) 1 axa
16、 fx xx 0 x 令 0fx 即0 xa 当0a 时, 0fx 恒成立。 f x在0,单调递增 当0a时,解得xa x 0, a , a g x + g x (2)思路:恒成立不等式为 ln 22 ln20 x xax x ,即 2 22ln2ln0 xaxxxx 若参变分离,分离后的函数较为复杂(也可解决)。所以考虑最值法,观察当1x 时,左边 的值为 0,所以对左边的函数的单调性有所制约,进而影响参数a的取值。 解:恒成立不等式等价于 2 22ln2ln0 xaxxxx 设 2 ( )22ln2lng xxaxxxx, 10g 1 421ln2gxxax x 1422 123gaa 0
17、g x 恒成立, 10g 10g 否则若 10g,由于 g x连续 所以必存在区间1,m使得 0g x ,即 g x在1,m单调递减 进而 0 1,xm, 0 10g xg,不符题意 (本质: 10g,所以要保证从1x 开始的一段小区间要单调增,进而约束导数符号) 3 2 a (这是a要满足的必要条件,最终结果应该是这一部分的子集,下面证 3 2 a 均满足条件或 者寻找一个更精确的范围) 下面证任意的 3 2 a 均满足条件。 构造函数 2 ( )23 ln2lnh xxxxxx( 3 2 a 时的 g x) 则 ( )23ln0g xh xaxx 1,xg xh x ,若要 0g x 恒成
18、立,只需证明 0h x 即可 10h 11 ( )43 1ln243ln5h xxxxx xx 10h 2 222 41131431 40 xxxx hx xxxx 成立 h x在1,单调递增, 10h xh h x在1,单调递增, 10h xh成立 3 2 a 时, 1, ( )0 xg xh x 恒成立,符合题意 3 2 a 小炼有话说: (1) h x的构造的 g x的解析式可看为以a为自变量的一次函数 G a,且单调递增 (ln0 xx ) , 所以对于 3 , 2 a , 无论x为何值, 3 2 G aG , 即 g xh x, 与恒成立的不等式不等号方向一致。 (2) 本题核心想法
19、是利用不等式化参数函数为常值函数 (函数的放缩) , 进而便于对参数a取 值范围的验证。 (3)归纳一下解决此题的方法:为最值法解恒成立问题的另一个方法构造中间函数 首先先说考虑使用这个方法的前提: 以参数为自变量的函数结构简单(最好单调) 参数缩小后的范围,其不等式与含参函数不等号方向,以及单调性保持一致(在本题中 3 2 a ,而 2 ( )22ln2lng xxaxxxx刚好关于a单调递增,且要( )0g x 。故可引 入 h x位于( )g x与0之间) 其步骤如下: 代入自变量的特殊值缩小参数的取值范围(有可能就得到最终结果),记为 A 因为最终结果 A 的子集,所以只需证明 A 均
20、符合条件或者寻找更小的范围 如果函数是关于参数的一次函数(或单调函数),可通过代入参数的边界值(临界值)构 造新函数并与原函数比较大小 证明新函数介于原函数与不等式右侧值之间,进而说明 A 中的所有值均满足条件,即为最 后结果 例 7: 已知函数 2 1 2ln , 2 fxaxaxx aR ,若在区间1,上, 0f x 恒 成立,求实数a的取值范围 思路:考虑用最值分析法,但可考虑先利用1x 缩小a的讨论范围 解: 1 120 2 faa 1 2 a 2 21112121 11 22 2 axxaxax fxaxa xxx 令 0fx ,即2110211axax (1) 1 210 2 aa
21、 时,即 1 1 , 2 2 a , 0fx 恒成立 f x在1,单调递 减 10f xf 满足条件 (2) 1 2 a 时, 2 1 2ln 2 f xaxaxx ,考虑 44 ln0 2121 aa f aa ,不符题 意,舍去 (注:这里需要对函数值进行估计,显然 1 0 2 a ,总有一个时刻, 2 1 2 2 axax 大于零,进而 0f x ,所以考虑代入特殊值来说明。对于,所以构造时只需要 2 1 20 2 axax 即可,解得 4 1 21 a x a ,进而舍掉 1 2 a 的情况) 例 8 : 已 知 函 数 1 x ax f x be , 曲 线 yfx在 点 1,1f处
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