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函数、导数和不等式部分内容在高考中的考查可以说是全方位的,从考查要求来讲,它不仅有基础知识、基本技能的考查,更有数学思想、数学本质的考查,从考查内容来看,它不仅有函数知识内部的显性考查,更有与其他主干知识相结合的隐性考查.合与分、动与静、直与曲、有限与无限、常量与变量及函数、局部与整体等是数学中分析与研究的常用辩证观,从这些观点出发,给高考压轴题的研究带来许多启迪.正因为其涉及内容较广、表现形式多样、思维层次较高,因而,倍受命题者的青睐.下面我们谈一谈高考中一类函数、导数与不等式综合问题的新解法.
首先,介绍一条引理:
引理函数y=f(x)及其导函数y=f′(x)在定义域D内可导,且y=f″(x)>0(或f″(x)<0)在定义域D内恒成立,y=g(x)=kx m为曲线上任意切线,则f(x)≥g(x)或f(x)≤g(x))恒成立,有且仅有一个x0∈D使得f(x0)=g(x0).
下面看看其应用:
例1(2013年全国新课标Ⅱ卷21题)f(x)=ex-ln(x m).当m≤2,证明f(x)>0.
证明y=ex在(0,1)处切线方程为y=x 1,y=ln(x 2)在(-1,0)处切线方程为y=x 1,即y=x 1为y=ex与y=ln(x 2)的公切线,而y=ex为下凸函数,y=ln(x 2)为上凸函数,故ex≥x 1≥ln(x 2)恒成立,而对于y=ln(x m),当m≤2,ln(x m)≤ln(x 2)恒成立,故当m≤2,ex-ln(x m)≥0恒成立.
例2(2013年全国新课标卷21题)f(x)=f′(1)ex-1-f(0)x 112x2.① 求f(x)解析式和單调区间;② f(x)=112x2 ax b,求(a 1)b的最大值.
解① 求得f(x)=ex-x 112x2,② 由① ex≥(a 1)x b.设g(x)=exy=(a 1)x b,要使ex≥(a 1)x b在实数集上恒成立,只需y=(a 1)x b是曲线g(x)=ex的切线,设切点(x0,ex0),则g(x)=ex在(x0,ex0)处切线方程为y=ex0(x-x0) ex0.故a 1=ex0,b=ex0(1-x0),故(a 1)b=e2x0(1-x0).设h(x0)=e2x0(1-x0),则h′(x0)=e2x0(1-2x0).令h′(x0)=0,得x0=112,所以h(x0)在-∞,112为单调增函数,在112, ∞为单调减函数,故h(x0)max=e12,即当a=-1 e112,b=112e112时,(a 1)b最大值为e12.
例3(2010年全国Ⅱ卷第22题)设函数f(x)=1-e-x.
(Ⅰ)证明当x>-1时,f(x)≥x1x 1;
(Ⅱ)设当x≥0时,f(x)≤x1ax 1,求a的取值范围.
(Ⅰ)证明为了证当x>-1时,f(x)≥x1x 1,只需证1-e-x≥x1x 1,即证1-x1x 1≥e-x.即证ex≥x 1,而f(x)=ex为凹函数且g(x)=x 1为f(x)=ex在(0,1)处切线,显然ex≥x 1,故当x>-1时,f(x)≥x1x 1.
(Ⅱ)解由题设,问题转化为当x≥0时,1-e-x-x1ax 1≤0,求a的取值范围.令g(x)=1-e-x-x1ax 1,则问题又转化为当x≥0时,g(x)≤g(0).求a的取值范围.当x≥0时,只需g′(x)≤0,即1-e-x-x1ax 1′≤0,即e-x(ax 1)2-11(ax 1)2≤0,注意到分母(ax 1)2>0,故只需e-x(ax 1)2-1≤0,即(ax 1)2≤ex.
若a>0,∵x≥0,则ax 1>0,∴只需ax 1 若a=0,(ax 1)2 若a<0,x>-11a时x1ax 1<0,而此时f(x)≥0,
∴与f(x)≤x1ax 1矛盾.
综上,0≤a≤112为所求.
例4(2007福建理)f(x)=ex-kx,x∈R,若k>0,f(|x|)>0恒成立,求k的范围.
解由f(|-x|)=f(|x|)知f(|x|)为偶函数,于是f(|x|)>0对任意x∈R成立,即f(x)>0,即ex>kx对任x≥0成立.显然,g(x)=ex为凹函数,且g′(x)=ex,切线方程为y-ex0=ex0(x-x0).当切线过原点时,x0=1此时切线方程为y=ex.
因此,只需e>k,∴0 可见,“不等式”,即“等与不等”“数与形”水乳交融般和谐美的体现.我国著名数学家华罗庚对“数”与“形”之间的密切联系有过一段精彩的描述:“数与形本是相依,焉能分作两边飞,数缺形少直觉,形少数难入微,数形结合百般好,割裂分家万事休,切莫忘,几何代数统一体,永远联系切莫分离.”寥寥数语,把“数形结合”之妙说得淋漓尽致.
首先,介绍一条引理:
引理函数y=f(x)及其导函数y=f′(x)在定义域D内可导,且y=f″(x)>0(或f″(x)<0)在定义域D内恒成立,y=g(x)=kx m为曲线上任意切线,则f(x)≥g(x)或f(x)≤g(x))恒成立,有且仅有一个x0∈D使得f(x0)=g(x0).
下面看看其应用:
例1(2013年全国新课标Ⅱ卷21题)f(x)=ex-ln(x m).当m≤2,证明f(x)>0.
证明y=ex在(0,1)处切线方程为y=x 1,y=ln(x 2)在(-1,0)处切线方程为y=x 1,即y=x 1为y=ex与y=ln(x 2)的公切线,而y=ex为下凸函数,y=ln(x 2)为上凸函数,故ex≥x 1≥ln(x 2)恒成立,而对于y=ln(x m),当m≤2,ln(x m)≤ln(x 2)恒成立,故当m≤2,ex-ln(x m)≥0恒成立.
例2(2013年全国新课标卷21题)f(x)=f′(1)ex-1-f(0)x 112x2.① 求f(x)解析式和單调区间;② f(x)=112x2 ax b,求(a 1)b的最大值.
解① 求得f(x)=ex-x 112x2,② 由① ex≥(a 1)x b.设g(x)=exy=(a 1)x b,要使ex≥(a 1)x b在实数集上恒成立,只需y=(a 1)x b是曲线g(x)=ex的切线,设切点(x0,ex0),则g(x)=ex在(x0,ex0)处切线方程为y=ex0(x-x0) ex0.故a 1=ex0,b=ex0(1-x0),故(a 1)b=e2x0(1-x0).设h(x0)=e2x0(1-x0),则h′(x0)=e2x0(1-2x0).令h′(x0)=0,得x0=112,所以h(x0)在-∞,112为单调增函数,在112, ∞为单调减函数,故h(x0)max=e12,即当a=-1 e112,b=112e112时,(a 1)b最大值为e12.
例3(2010年全国Ⅱ卷第22题)设函数f(x)=1-e-x.
(Ⅰ)证明当x>-1时,f(x)≥x1x 1;
(Ⅱ)设当x≥0时,f(x)≤x1ax 1,求a的取值范围.
(Ⅰ)证明为了证当x>-1时,f(x)≥x1x 1,只需证1-e-x≥x1x 1,即证1-x1x 1≥e-x.即证ex≥x 1,而f(x)=ex为凹函数且g(x)=x 1为f(x)=ex在(0,1)处切线,显然ex≥x 1,故当x>-1时,f(x)≥x1x 1.
(Ⅱ)解由题设,问题转化为当x≥0时,1-e-x-x1ax 1≤0,求a的取值范围.令g(x)=1-e-x-x1ax 1,则问题又转化为当x≥0时,g(x)≤g(0).求a的取值范围.当x≥0时,只需g′(x)≤0,即1-e-x-x1ax 1′≤0,即e-x(ax 1)2-11(ax 1)2≤0,注意到分母(ax 1)2>0,故只需e-x(ax 1)2-1≤0,即(ax 1)2≤ex.
若a>0,∵x≥0,则ax 1>0,∴只需ax 1
∴与f(x)≤x1ax 1矛盾.
综上,0≤a≤112为所求.
例4(2007福建理)f(x)=ex-kx,x∈R,若k>0,f(|x|)>0恒成立,求k的范围.
解由f(|-x|)=f(|x|)知f(|x|)为偶函数,于是f(|x|)>0对任意x∈R成立,即f(x)>0,即ex>kx对任x≥0成立.显然,g(x)=ex为凹函数,且g′(x)=ex,切线方程为y-ex0=ex0(x-x0).当切线过原点时,x0=1此时切线方程为y=ex.
因此,只需e>k,∴0