内容正文:
主题二 函 数
第三章 导数及其应用
热点强化课3 隐零点与极值点偏移问题——(教师专享)
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主题二 第三章 导数及其应用
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主题二 第三章 导数及其应用
金榜题名 创新高考总复习 数学(BS新教材)
隐零点问题
如果f′(x)是超越形式,f′(x)的零点是存在但无法求出,这时可采用虚设零点法.逐步分析出“零点”所在的范围和满足的关系式,然后分析出相应的函数的单调性,最后通过恰当运用函数的极值与零点所满足的“关系”推演出所要求的结果.
[例1] 已知函数f(x)=(2aex-x)ex.
(1)若a=0,求f(x)的单调区间;
(2)若对于任意的x∈R,f(x)+eq \f(1,a)≤0恒成立,求a的最小值.
[解] (1)因a=0,所以f(x)=-xex,
f′(x)=-(x+1)ex.
令f′(x)=0,得x=-1.当x∈(-∞,-1)时,f′(x)>0;当x∈(-1,+∞)时,f′(x)<0.
故f(x)的单调递增区间是(-∞,-1),单调递减区间是(-1,+∞).
(2)f′(x)=4ae2x-(x+1)ex=-ex(x+1-4aex).因为∀x∈R,f(x)+eq \f(1,a)≤0,
又f(0)=2a,所以2a+eq \f(1,a)≤0,则a<0.令g(x)=x+1-4aex,则g(x)在R上单调递增.因为当x<0时,g(x)<x+1-4a,所以g(4a-1)<4a-1+1-4a=0.因为g(-1)=-4ae-1>0,所以∃x0∈(4a-1,-1),使得g(x0)=0且当x∈(-∞,x0)时,g(x)<0,则f′(x)>0,当x∈(x0,+∞)时,g(x)>0,则f′(x)<0,
所以f(x)在(-∞,x0)上单调递增,在(x0,+∞)上单调递减.故f(x)max=f(x0)=.
由g(x0)=x0+1-=0,得a=.
结合x0+1<0,得xeq \o\al(2,0)-1≤8,所以-3≤x0≤-1.令h(x)=eq \f(x+1,4ex)(-3≤x≤1).则h′(x)=eq \f(-x,4ex)>0,所以h(x)在[-3,-1)上单调递增,所以h(x)≥h(-3)=eq \f(-e3,2),即a≥-eq \f(e3,2).故a的最小值为-eq \f(e3,2).
(1)函数不等式恒成立问题,要注意应用必要条件探路,这样可以缩小参数的范围,减少分类讨论情况,甚至无需分类讨论;
(2)含参函数的最值经常涉及到隐零点,要注意隐零点范围的确定,如(2)由f(x)max+eq \f(1,a)≤0确定出隐零点x0的范围,是解题的关键.
[例2] 已知函数f(x)=ln x+2,g(x)=eq \f(1,a)e2x-lneq \f(2,a)(a>0).
(1)设函数h(x)=f(x+1)-x-2,求h(x)的最大值;
(2)证明:f(x)≤g(x).
解:(1)因为h(x)=ln(x+1)-x(x>-1),
所以h′(x)=eq \f(1,x+1)-1=-eq \f(x,x+1)(x>-1).
当x∈(-1,0)时,h′(x)>0;当x∈(0,+∞)时,h′(x)<0.
所以h(x)在(-1,0)上为增函数,在(0,+∞)上为减函数,从而h(x)max=h(0)=0.
(2)证明:原不等式等价于φ(x)=e2x-aln x-2a-alneq \f(2,a)≥0,
则φ′(x)=2e2x-eq \f(a,x)=eq \f(2xe2x-a,x),令m(x)=2e2x-eq \f(a,x),则m′(x)=4e2x+eq \f(a,x2)>0,
所以φ′(x)在(0,+∞)上单调递增.
令t(x)=2xe2x-a,则t(0)=-a<0,t(a)=2ae2a-a=a(2e2a-1)>0,
所以存在唯一x0∈(0,a)使得t(x0)=-a=0,即φ′(x0)=-eq \f(a,x0)=0,
当0<x<x0时,φ′(x)<0;当x>x0时,φ′(x)>0,
此时φ(x)在(0,x0)上单调递减,在(x0,+∞)上单调递增,
要证φ(x)≥0,即要证φ(x0)≥0.
于是原问题转化为证明不等式组
由-eq \f(a,x0)=0,得=eq \f(a,2x0),代入φ(x0)=-aln x0-2a-alneq \f(2,a).
对=eq \f(a,2x0)两边取对数得ln x0=ln eq \f(a,2)-2x0,代入φ(x0)=eq \f(a,2x0)-aln x0-2a-alneq \f(2,a),得φ(x0)=eq \f(a,2x0)+2ax0-2a.
因为φ(x0)=eq \f(a,2x0)+2ax0-2a≥2eq \r(\f(a,2x0)·2ax0)-2a=0,当且仅当x0=eq \f(1,2),a=e时,等号成立,
所以f(x)≤g(x).
零点问题解题步骤
(1)用零点存在性定理判定导函数零点的存在性,列出零点方程f′(x)=0,并结合f′(x)的单调性得到零点的取值范围.
(2)以零点为分界点,说明导函数f′(x)的正负,进而得到f(x)的最值表达.
(3)将零点方程适当变形,整体代入最值式子进行化简证明,有时(1)中的雾点范围还可以适当缩小.
极值点偏移问题
所谓极值点偏移,是指对于单极值函数,由于函数极值点左右的增减速度不同,使得函数图象没有对称性.若函数f(x)在x=x0处取得极值,且函数y=f(x)与直线y=b交于A(x1,b),B(x2,b)两点,则AB的中点为Meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x1+x2,2),b)),而往往x0≠eq \f(x1+x2,2).如图所示.
图1 极值点不偏移 图2 极值点偏移
极值点偏移的定义:对于函数y=f(x)在区间(a,b)内只有一个极值点x0,方程f(x)的解分别为x1、x2,且a<x1<x2<b,(1)若eq \f(x1+x2,2)≠x0,则称函数y=f(x)在区间(x1,x2)上极值点x0偏移;(2)若eq \f(x1+x2,2)>x0,则函数y=f(x)在区间(x1,x2)上极值点x0左偏,简称极值点x0左偏;(3)若eq \f(x1+x2,2)<x0,则函数y=f(x)在区间(x1,x2)上极值点x0右偏,简称极值点x0右偏.
►[命题点1] 对称化构造法
主要用来解决与两个极值点之和,积相关的不等式的证明问题.
[例3] (2025·四川南充一模)已知函数f(x)=x-ln x-a有两个不同的零点x1,x2.
(1)求实数a的取值范围;
(2)求证:x1+x2>2.
[解] (1)f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))的定义域为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,+∞)),
因为f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=1- eq \f(1,x)= eq \f(x-1,x),所以当0<x<1时,f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))<0,当x>1时,f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>0,
所以f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,1))上单调递减,在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,+∞))上单调递增,
所以当x=1时,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))取得最小值1-a.
又当x趋近于0或+∞时,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))趋于+∞,
所以要使f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))有两个不同的零点x1,x2,只需满足1-a<0,即a>1.
所以实数a的取值范围为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,+∞)).
(2)证明:不妨设x1<x2,由(1)可知,0<x1<1,x2>1,则2-x1>1,
要证x1+x2>2,只需证2-x1<x2,
又f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,+∞))上单调递增,所以只需证f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-x1))<f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2)),即证f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-x1))<f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1)).记g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-x))-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=2-2x-ln (2-x)+ln x,x∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,1)),
则g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))= eq \f(1,x)+ eq \f(1,2-x)-2=- eq \f(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-1))2,x\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-2))),
当0<x<1时,g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>0,g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))单调递增,
又g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-1))-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=0,
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1))=f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-x1))-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1))<0,即f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-x1))<f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1)).
所以x1+x2>2.
对称化构造法解题要点如下:
(1)定函数(极值点为x0),即利用导函数符号的变化判断函数的单调性,进而确定函数的极值点x0.
(2)构造函数,即对结论x1+x2>2x0型,构造函数F(x)=f(x)-f(2x0-x)或F(x)=f(x0+x)-f(x0-x).
(3)对结论x1·x2>xeq \o\al(2,0)型,构造函数F(x)=f(x)-feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x\o\al(2,0),x))),通过研究F(x)的单调性获得不等式.
(4)判断单调性,即利用导数讨论F(x)的单调性.
(5)比较大小,即判断函数F(x)在某段区间上的正负,并得出f(x)与f(2x0-x)的大小关系.
(6)转化,即利用函数f(x)的单调性,将f(x)与f(2x0-x)的大小关系转化为x与2x0-x之间的关系,进而得到所证或所求.
►[命题点2] 差值代换法(韦达定理代换令x1x2=t,x1±x2=t.)
[例4] (2025·湖北宜昌市夷陵中学模拟预测)已知函数f(x)=aln(x+2)-x(a∈R).
(1)讨论f(x)的单调性和最值;
(2)若关于x的方程ex=eq \f(2,m)-eq \f(1,m)lneq \f(m,x+2)(m>0)有两个不等的实数根x1,x2,求证:ex1+ex2>eq \f(2,m).
[解] (1)f′(x)=eq \f(a,x+2)-1=eq \f(a-2-x,x+2),其中x>-2若a≤0,则f′(x)<0在(-2,+∞)上恒成立,故f(x)在(-2,+∞)上为减函数,故f(x)无最值.若a>0,当x∈(-2,a-2)时,f′(x)>0;当x∈(a-2,+∞)时,f′(x)<0;故f(x)在(-2,a-2)上为增函数,在(a-2,+∞)上为减函数,故f(x)max=f(a-2)=aln a-a+2,f(x)无最小值.
(2)证明:方程ex=eq \f(2,m)-eq \f(1,m)lneq \f(m,x+2)(m>0),即为mex+x+ln m=x+2+ln (x+2),故ex+ln m+ln ex+ln m=x+2+ln(x+2),因为y=x+ln x为(0,+∞)上的增函数,所以x+2=ex+ln m=mex,所以关于x的方程ex=eq \f(2,m)-eq \f(1,m)lneq \f(m,x+2)(m>0)有两个不等的实数根x1,x2,即x+2=mex有两个不同的实数根x1,x2.,所以x1+2=,x2+2=mex2所以x1-x2=,不妨设x1>x2,t=x1-x2,故,
要证+>eq \f(2,m),即证>eq \f(2,m),即证>2,即证(et+1)eq \f(t,et-1)>2(t>0),即证(et+1)t>2et-2(t>0),设s(t)=(et+1)t-2et+2,则s′(t)=et+1+tet-2et=(t-1)et+1,故s″(t)=tet>0,所以s′(t)在(0,+∞)上为增函数,故s′(t)>s′(0)=0,所以s(t)在(0,+∞)上为增函数,所以s(t)>s(0)=0,故>eq \f(2,m)成立.
差值换元的目的也是消参、减元,就是根据已知条件首先建立极值点之间的关系,然后利用两个极值点之差作为变量,从而实现消参、减元的目的.设法用差值(一般用t表示)表示两个极值点,即t=x1-x2,化为单变量的函数不等式,继而将所求解问题转化为关于t的函数问题求解.
►[命题点3] 比值代换法(函数的两个极值点为x1,x2,令t=eq \f(x1,x2))
[例5] (2025·北京通州三模)已知函数f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=ax- eq \f(a,x)-ln x(a>0).
(1)已知f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y=x-1,求实数a的值;
(2)已知f(x)在定义域上是增函数,求实数a的取值范围;
(3)已知g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))+ eq \f(a,x)有两个零点x1,x2,求实数a的取值范围并证明x1x2>e2.
[解] (1)因为f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=ax- eq \f(a,x)-ln x,
所以f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=a+ eq \f(a,x2)- eq \f(1,x).
所以f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=2a-1,又f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y=x-1,
所以f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=2a-1=1,解得a=1.
(2)f(x)的定义域为(0,+∞),因为f(x)在定义域上为增函数,
所以f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=a+ eq \f(a,x2)- eq \f(1,x)≥0在(0,+∞)上恒成立.
即 eq \f(ax2-x+a,x2)≥0恒成立,即a≥ eq \f(x,x2+1).
令g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))= eq \f(x,x2+1),所以g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))= eq \f(1-x2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2+1))2)= eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+x))\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-x)),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2+1))2),
x∈(0,1)时g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>0,x∈(1,+∞)时g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))<0,
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))max=g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))= eq \f(1,2),即a≥ eq \f(1,2).
(3)由题意得g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=ax-ln x.
其定义域为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,+∞)),g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=a- eq \f(1,x)= eq \f(ax-1,x).
当a≤0时,g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))<0,所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在(0,+∞)上单调递减,不合题意.
当a>0时,g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=a- eq \f(1,x)= eq \f(ax-1,x).
由g′(x)<0,得0<x< eq \f(1,a);由g′(x)>0,得x> eq \f(1,a),
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,a)))上单调递减,在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a),+∞))上单调递增,
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))的最小值为g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a)))=1-ln eq \f(1,a).
函数g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))存在两个零点的必要条件是g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a)))=1-ln eq \f(1,a)<0,即0<a< eq \f(1,e),
又g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=a>0,
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(1,a)))上存在一个零点( eq \f(1,a)>1).
当x→+∞时,g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))→+∞,所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a),+∞))上存在一个零点,
综上,函数g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))有两个零点,实数a的取值范围是0<a< eq \f(1,e).
不妨设两个零点x2>x1>0,
由g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1))=g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2))=0,所以ln x1=ax1,ln x2=ax2,
所以ln x1-ln x2=a eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1-x2)),
所以a= eq \f(ln x1-ln x2,x1-x2),
要证x1x2>e2,
只需证ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1x2))>2,
只需证ln x1+ln x2>2,
由ln x1+ln x2=ax1+ax2=a eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1+x2))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1+x2))
eq \f(ln x1-ln x2,x1-x2),
只需证 eq \f(ln x1-ln x2,x1-x2)> eq \f(2,x1+x2),
只需证ln x1-ln x2< eq \f(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1-x2)),x1+x2),
只需证ln eq \f(x1,x2)< eq \f(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x1,x2)-1)),\f(x1,x2)+1).
令 eq \f(x1,x2)=t eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0<t<1)),只需证ln t< eq \f(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t-1)),t+1),
令H eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t))=ln t- eq \f(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t-1)),t+1), 则H′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t))= eq \f(1,t)- eq \f(4,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t+1))2)= eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t-1))2,t\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t+1))2)>0,
所以H(t)在(0,1)上单调递增,所以H eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t))<H eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=0,
即ln t< eq \f(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t-1)),t+1)成立,
所以x1x2>e2成立.
比值换元的目的也是消参、减元,就是根据已知条件首先建立极值点之间的关系,然后利用两个极值点的比值作为变量,从而实现消参、减元的目的.设法用比值(一般用t表示)表示两个极值点,即t=eq \f(x1,x2),化为单变量的函数不等式,继而将所求解问题转化为关于t的函数问题求解.
$$