内容正文:
导数中的函数构造问题
微专题强化四
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典|型|例|题
类型一
构造具体函数
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类型二
构造抽象函数
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类型三
指对同构
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证明
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类型四
和(差)型同构
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把握高考微点,实现素能提升
完成——微练(二十四)
本部分内容讲解结束
构造法是将不同的代数式(或不等式、方程)通过变形,转化为形式结构相同或相近的式子,然后通过构造的函数利用函数单调性解题,此方法常用于求解具有对数、指数等混合式子结构的等式或不等式问题.主要考查幂、指数、对数函数的性质、导数运算及应用等,试题形式灵活多样,思维量大,对观察能力、代数式的变形能力要求比较高.
函数构造问题主要包括三大类:
1.构造具体函数
依据题设中目标特征适当变形,将其化为结构相同的式子,然后同构函数,利用函数单调性求解.
2.构造抽象函数
本种题目主要是抽象函数f(x)与x(或xn)、ex(或enx)、sin x(或cos x)的组合函数问题,通过构造f(x)与x(或xn)、ex(或enx)、sin x(或cos x)的和、差、积、商的组合函数,利用构造函数的单调性解决问题.
3.指、对同构
(1)积型:对于不等式aea≤bln b有三种同构方式.
(2)商型:对于不等式<有三种同构方式.
(3)和差型:对于不等式ea±a>b±ln b有两种同构方式.
有时要对式子进行变形,甚至放缩才能进行同构.例如:aeax>ln x,两边同乘以x,得axeax>xln x,再进行同构:ln eax·eax>xln x或axeax>ln x·eln x,构造函数f(x)=xln x或f(x)=xex.
【例1】 已知a=+ln,b=1+,c=+ln 2,则( )
A.c<b<a B.b<c<a
C.c<a<b D.a<c<b
构造函数f(x)=+ln x,因为f′(x)=-+=(x>0),所以当x>1时,f′(x)>0,所以函数f(x)在(1,+∞)上单调递增.因为1<<2<e,所以f<f(2)<f(e),即+ln<+ln 2<1+,所以a<c<b.故选D.
根据所给代数式(等式、不等式)中数学运算的相同点或者结构形式的相同点,构造具体的函数解析式,利用导数研究该函数的性质从而解决问题.
【训练1】 (2025·山东济宁模拟)若实数a,b,c∈[0,1],且满足ae=ea,be1.2=1.2eb,ce1.6=1.6ec,则a,b,c的大小关系是( )
A.c>b>a B.b>a>c C.a>b>c D.b>c>a
由ae=ea,be1.2=1.2eb,ce1.6=1.6ec,得=,=,=.令f(x)=,则f′(x)=,当x<1时,f′(x)>0,当x>1时,f′(x)<0,所以f(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,于是f(1)>f(1.2)>f(1.6),即f(a)>f(b)>f(c),又a,b,c∈[0,1],所以a>b>c.故选C.
【例2】 (1)已知定义在R上的连续函数为f(x),其导函数为f′(x),当x≠0时,xf′(x)-f(x)<0恒成立.设a=2f,b=f(),c=f(1),则a,b,c的大小关系为( )
A.a>b>c B.c>b>a
C.a>c>b D.c>a>b
令g(x)=,则g′(x)=,因为x≠0时,xf′(x)-f(x)<0恒成立,所以当x>0时,g′(x)<0,即g(x)在(0,+∞)上单调递减.则a=2f=g,b=f()=g(),c=f(1)=g(1),因为<1<,所以g>g(1)>g(),即a>c>b.故选C.
(2)已知定义在R上的函数f(x)满足f(x)+f′(x)>1,f(1)=4,则不等式exf(x)>ex+3e的解集为( )
A.(-∞,0) B.(-∞,1)
C.(0,+∞) D.(1,+∞)
设g(x)=exf(x)-ex(x∈R),则g′(x)=exf(x)+exf′(x)-ex=ex[f(x)+f′(x)-1],因为f(x)+f′(x)>1,所以f(x)+f′(x)-1>0,又ex>0,所以g′(x)>0恒成立,所以y=g(x)在定义域R上单调递增.故原不等式可转化为exf(x)-ex>3e,又f(1)=4,所以g(1)=ef(1)-e=3e,所以g(x)>g(1),所以x>1.故选D.
隐函数构造问题常见的两类情况
1.g(x)f′(x)±g′(x)f(x)型:此类问题中,往往需要构造y=g(x)·f(x)或y=(g(x)≠0)型的函数,常见的如:含xf′(x)±nf(x)需要构造xn·f(x)或,含f′(x)·sin x±f(x)·cos x需要构造f(x)·sin x或,含f′(x)·ln x±f(x)需要构造f(x)·ln x或.
2.f′(x)±kf(x)型:此类问题往往是省略了ekx结构,一般需要构造y=ekx·f(x)或y=型的函数.
【训练2】 已知函数y=f(x)对任意的x∈(0,π),满足f′(x)sin x>f(x)cos x,则下列不等式成立的是( )
A.f<f B.f>f
C.f>f D.f<f
令F(x)=,x∈(0,π),则F′(x)=,因为f′(x)sin x>f(x)cos x,则f′(x)sin x-f(x)cos x>0,所以F′(x)>0,所以F(x)在(0,π)上单调递增,所以F>F,即>,即f>f.故选B.
考向❶:积型同构
【例3】 设a,b都为正数,e为自然对数的底数,若aea+1+b<bln b,则( )
A.ab>e B.b>ea+1
C.ab<e D.b<ea+1
由已知,aea+1<b(ln b-1)=bln,则ealn ea<ln.设f(x)=xln x,则f(ea)<f.因为a>0,则ea>1.又b(ln b-1)>0,b>0,则ln b>1,即b>e,从而>1.当x>1时,f′(x)=ln x+1>0,则f(x)在(1,+∞)内单调递增,所以ea<,即b>ea+1.故选B.
本题要进行变形,不能直接同构.不同的变形可以有不同的同构方式,可以按aea<ln 的左边同构,也可以按右边同构.
【训练3】 设m>0,对任意实数x≥e,不等式x2ln x-me≥0恒成立,则m的最大值是________.
e
由x2ln x-me≥0,得xln x≥e,即ln x·eln x≥e (x≥e),设f(t)=tet(t>0),则f(t)在(0,+∞)上是增函数,又f(ln x)≥f,所以ln x≥,即m≤xln x,又当x≥e时,xln x≥eln e=e,所以m≤e,即m的最大值是e.
考向❷:商型同构
【例4】 若关于x的不等式->0对∀x∈(0,1)恒成立,则实数a的取值范围为( )
A. B.
C. D.
由题意可知a>0,>,即>对∀x∈(0,1)恒成立.设g(x)=,则问题转化为g(aex)>g(x)在(0,1)上恒成立,因为g′(x)=,所以当0<x<e时,g′(x)>0,当x>e时,g′(x)<0,所以g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,又g(1)=0,所以当x∈(0,1)时,g(x)<0;当x∈(1,+∞)时,g(x)>0.①在x∈(0,1)上,若aex≥1恒成立,即a≥1,g(aex)≥0>g(x);②在x∈(0,1)上,若0<aex<1,则aex>x恒成立,即<a<1恒成立,令h(x)=,x∈(0,1),则h′(x)=>0,所以h(x)在(0,1)上单调递增,所以h(x)<h(1)=,所以≤a<1,综上所述,实数a的取值范围为.故选B.
商型同构即构造函数y=的形式,如:,,,等及变形形式.
【训练4】 已知函数f(x)=(ex-1)ln(x+1)(x>0),求证:f(x)>x2.
由题意,证明f(x)>x2,只需证明(ex-1)ln(x+1)>x2,即证明>==,令F(x)=(x>0),则F′(x)=,令g(x)=(x-1)ex+1,则x∈(0,+∞)时,g′(x)=xex>0,所以g(x)单调递增,所以x∈(0,+∞)时g(x)>g(0)=0,所以F′(x)>0,F(x)在(0,+∞)上单调递增,故原不等式成立只需F(x)>F(ln(x+1)),即只需x>ln(x+1)成立,又ln x≤x-1,所以ln(x+1)≤x,又x>0,所以ln(x+1)<x成立,所以原不等式f(x)>x2成立.
【例5】 对于任意的x>0,ex≥(a-1)x+ln(ax)恒成立,则a的最大值是________.
e
由ex≥(a-1)x+ln(ax),可得ex+x≥ax+ln(ax),即ex+x≥eln(ax)+ln(ax),令f(x)=ex+x,则f(x)≥f(ln(ax)),因为f(x)在R上是增函数,所以x≥ln(ax),即a≤,令h(x)=(x>0),则h′(x)=,当x∈(0,1)时,h′(x)<0,h(x)单调递减;当x∈(1,+∞)时,h′(x)>0,h(x)单调递增,所以h(x)min=h(1)=e,即a≤e,所以a的最大值是e.
本题通过变形变为y=ex+x的形式.
【训练5】 (2025·河南洛阳模拟)已知a>1,b>1,且满足a2-3b>2ln a-ln 4b,则( )
A.a2>2b B.a2<2b C.a2>b2 D.a2<b2
因为a2-3b>2ln a-ln 4b,所以a2-ln a2>3b-ln 4b=2b-ln 2b+b-ln 2.令f(x)=x-ln x(x>0),则f′(x)=1-=,所以f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增.因为a>1,b>1,所以a2>1,2b>1,b-ln 2>0,又f(a2)=a2-ln a2>2b-ln 2b+b-ln 2=f(2b)+b-ln 2,所以f(a2)-f(2b)>b-ln 2>0,即f(a2)>f(2b),所以a2>2b.故选A.
$$