内容正文:
专题 利用导数研究不等式的恒成立或存在性问题
目录
A题型建模・专项突破
题型一、不等式恒成立求参数
题型二、不等式能成立或有解求参数的取值
B综合攻坚・能力跃升
题型一、不等式恒成立求参数
1.已知f(x)=xln x,g(x)=x3+ax2-x+2.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若对任意x∈(0,+∞),2f(x)≤g′(x)+2恒成立,求实数a的取值范围.
解:(1)因为函数f(x)=xln x的定义域为(0,+∞),所以f′(x)=ln x+1.令f′(x)<0,得ln x+1<0,解得0<x<,所以f(x)的单调递减区间是.令f′(x)>0,得ln x+1>0,解得x>,所以f(x)的单调递增区间是.综上,f(x)的单调递减区间是,单调递增区间是.
(2)因为g′(x)=3x2+2ax-1,由题意得2xln x≤3x2+2ax+1恒成立.因为x>0,所以a≥ln x-x-在x∈(0,+∞)上恒成立.设h(x)=ln x-x-(x>0),则h′(x)=-+=-.令h′(x)=0,得x1=1,x2=-(舍去).
当x变化时,h′(x),h(x)的变化情况如下表:
x
(0,1)
1
(1,+∞)
h′(x)
+
0
-
h(x)
极大值
所以当x=1时,h(x)取得极大值,也是最大值,且h(x)max=h(1)=-2,所以若a≥h(x)在x∈(0,+∞)上恒成立,则a≥h(x)max=-2,即a≥-2,故实数a的取值范围是[-2,+∞).
2.已知函数f(x)=axex-(a+1)(2x-1).
(1)若a=1,求函数f(x)的图象在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)当x>0时,函数f(x)≥0恒成立,求实数a的取值范围.
解:(1)若a=1,则f(x)=xex-2(2x-1).
即f′(x)=xex+ex-4,
则f′(0)=-3,f(0)=2,
所以所求切线方程为3x+y-2=0.
(2)由f(1)≥0,得a≥>0,
则f(x)≥0对任意的x>0恒成立可转化为≥对任意的x>0恒成立.
设函数F(x)=(x>0),
则F′(x)=-.
当0<x<1时,F′(x)>0;
当x>1时,F′(x)<0,
所以函数F(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
所以F(x)max=F(1)=.
于是≥,解得a≥.
故实数a的取值范围是.
3.已知函数f(x)=ex+ax2-x.
(1)当a=1时,讨论f(x)的单调性;
(2)当x≥0时,f(x)≥x3+1,求a的取值范围.
解:(1)当a=1时,f(x)=ex+x2-x,f′(x)=ex+2x-1.
故当x∈(-∞,0)时,f′(x)<0;
当x∈(0,+∞)时,f′(x)>0.
所以f(x)在(-∞,0)单调递减,在(0,+∞)单调递增.
(2)f(x)≥x3+1等价于e-x≤1.
设函数g(x)=e-x(x≥0),则
g′(x)=-e-x
=-x[x2-(2a+3)x+4a+2]e-x
=-x(x-2a-1)(x-2)e-x.
(i)若2a+1≤0,即a≤-,则当x∈(0,2)时,g′(x)>0.所以g(x)在(0,2)单调递增,而g(0)=1,故当x∈(0,2)时,g(x)>1,不符合题意.
(ii)若0<2a+1<2,即-<a<,则当x∈(0,2a+1)∪(2,+∞)时,g′(x)<0;当x∈(2a+1,2)时,g′(x)>0.所以g(x)在(0,2a+1),(2,+∞)单调递减,在(2a+1,2)单调递增.由于g(0)=1,所以g(x)≤1当且仅当g(2)=(7-4a)e-2≤1,即a≥.
所以当≤a<时,g(x)≤1.
(iii)若2a+1≥2,即a≥,
则g(x)≤e-x.
由于0∈,故由(ii)可得e-x≤1.
故当a≥时,g(x)≤1.
综上,a的取值范围是.
4.函数f(x)=x2-2ax+ln x(a∈R).
(1)若函数y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与直线x-2y+1=0垂直,求a的值;
(2)若不等式2xln x≥-x2+ax-3在区间(0,e]上恒成立,求实数a的取值范围.
解:(1)函数f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=2x-2a+,f′(1)=3-2a,由题意f′(1)·=(3-2a)·=-1,解得a=.
(2)不等式2xln x≥-x2+ax-3在区间(0,e]上恒成立等价于2ln x≥-x+a-,令g(x)=2ln x+x-a+,则g′(x)=+1-==,则在区间(0,1)上,g′(x)<0,函数g(x)为减函数;在区间(1,e]上,g′(x)>0,函数g(x)为增函数.由题意知g(x)min=g(1)=1-a+3≥0,得a≤4,所以实数a的取值范围是(-∞,4].
5.已知f(x)=xln x,g(x)=x3+ax2-x+2.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若对任意x∈(0,+∞),2f(x)≤g′(x)+2恒成立,求实数a的取值范围.
解:(1)因为函数f(x)=xln x的定义域为(0,+∞),所以f′(x)=ln x+1.令f′(x)<0,得ln x+1<0,解得0<x<,所以f(x)的单调递减区间是.令f′(x)>0,得ln x+1>0,解得x>,所以f(x)的单调递增区间是.综上,f(x)的单调递减区间是,单调递增区间是.
(2)因为g′(x)=3x2+2ax-1,由题意得2xln x≤3x2+2ax+1恒成立.因为x>0,所以a≥ln x-x-在x∈(0,+∞)上恒成立.设h(x)=ln x-x-(x>0),则h′(x)=-+=-.令h′(x)=0,得x1=1,x2=-(舍).
当x变化时,h′(x),h(x)的变化情况如下表:
x
(0,1)
1
(1,+∞)
h′(x)
+
0
-
h(x)
极大值
所以当x=1时,h(x)取得极大值,也是最大值,且h(x)max=h(1)=-2,所以若a≥h(x)在x∈(0,+∞)上恒成立,则a≥h(x)max=-2,即a≥-2,故实数a的取值范围是[-2,+∞).
6.已知函数f(x)=ln x-ax,a∈R.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若不等式f(x)+a<0在x∈(1,+∞)上恒成立,求a的取值范围.
解:(1)函数f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=-a.
①当a≤0时,f′(x)>0恒成立,
则f(x)只有单调递增区间是(0,+∞).
②当a>0时,由f′(x)>0,
得0<x<;
由f′(x)<0,得x>;
所以f(x)的单调递增区间是(0,),单调递减区间是.
(2)f(x)+a<0在x∈(1,+∞)上恒成立,即ln x-a(x-1)<0在x∈(1,+∞)上恒成立.
设g(x)=ln x-a(x-1),x>0,则g′(x)=-a,注意到g(1)=0,
①当a≥1时,g′(x)<0在x∈(1,+∞)上恒成立,
则g(x)在x∈(1,+∞)上单调递减,
所以g(x)<g(1)=0,即a≥1时满足题意.
②当0<a<1时,令g′(x)>0,
得0<x<;
令g′(x)<0,得x>.
则g(x)在上单调递增,
所以当x∈时,g(x)>g(1)=0,
即0<a<1时不满足题意(舍去).
③当a≤0时,g′(x)=-a>0,
则g(x)在(1,+∞)上单调递增,
所以当x∈(1,+∞)时,g(x)>g(1)=0,
即a≤0时不满足题意(舍去).
综上所述,实数a的取值范围是[1,+∞).
题型二、不等式能成立或有解求参数的取值
1.已知函数f(x)=ax-ex(a∈R),g(x)=.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)∃x∈(0,+∞),使不等式f(x)≤g(x)-ex成立,求a的取值范围.
解:(1)因为f′(x)=a-ex,x∈R.
当a≤0时,f′(x)<0,f(x)在R上单调递减;
当a>0时,令f′(x)=0,得x=ln a.
由f′(x)>0,得f(x)的单调递增区间为(-∞,ln a);
由f′(x)<0,得f(x)的单调递减区间为(ln a,+∞).
综上所述,当a≤0时,f(x)的单调递减区间为(-∞,+∞),无单调递增区间;
当a>0时,f(x)的单调递增区间为(-∞,ln a),单调递减区间为(ln a,+∞).
(2)因为∃x∈(0,+∞),使不等式f(x)≤g(x)-ex,
则ax≤,即a≤.
则问题转化为a≤.
设h(x)=,
由h′(x)=,
令h′(x)=0,得x=.
当x在区间(0,+∞)内变化时,h′(x),h(x)随x变化的变化情况如下表:
x
(0,)
(,+∞)
h′(x)
+
0
-
h(x)
极大值
由上表可知,当x=时,函数h(x)有极大值,即最大值为,所以a≤.
故a的取值范围是.
2.已知函数f(x)=xln x(x>0).
(1)求函数f(x)的极值;
(2)若存在x∈(0,+∞),使得f(x)≤成立,求实数m的最小值.
解:(1)由f(x)=xln x,得f′(x)=1+ln x,
令f′(x)>0,得x>;
令f′(x)<0,得0<x<.
所以f(x)在上单调递减,
在上单调递增.
所以f(x)在x=处取得极小值,且为f=-,无极大值.
(2)由f(x)≤,得m≥.
问题转化为m≥.
令g(x)==2ln x+x+(x>0).
则g′(x)=+1-==.
由g′(x)>0,得x>1,由g′(x)<0,得0<x<1.
所以g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增.
所以g(x)min=g(1)=4,则m≥4.
故m的最小值为4.
3.设f(x)=+xln x,g(x)=x3-x2-3.
(1)如果存在x1,x2∈[0,2]使得g(x1)-g(x2)≥M成立,求满足上述条件的最大整数M;
(2)如果对于任意的s,t∈,都有f(s)≥g(t)成立,求实数a的取值范围.
解:(1)存在x1,x2∈[0,2]使得g(x1)-g(x2)≥M成立,等价于[g(x1)-g(x2)]max≥M.
由g(x)=x3-x2-3,得g′(x)=3x2-2x=3x.
令g′(x)>0得x<0或x>,
令g′(x)<0得0<x<,
又x∈[0,2],
所以g(x)在区间上单调递减,在区间上单调递增,
所以g(x)min=g=-,
又g(0)=-3,g(2)=1,
所以g(x)max=g(2)=1.
故[g(x1)-g(x2)]max=g(x)max-g(x)min=≥M,
则满足条件的最大整数M=4.
(2)对于任意的s,t∈,都有f(s)≥g(t)成立,等价于在区间上,函数f(x)min≥g(x)max,
由(1)可知在区间上,g(x)的最大值为g(2)=1.
在区间上,f(x)=+xln x≥1恒成立等价于a≥x-x2ln x恒成立.
设h(x)=x-x2ln x,
h′(x)=1-2xln x-x,
令m(x)=xln x,由m′(x)=ln x+1>0得x>.
即m(x)=xln x在上是增函数,
可知h′(x)在区间上是减函数,
又h′(1)=0,
所以当1<x<2时,h′(x)<0;
当<x<1时,h′(x)>0.
即函数h(x)=x-x2ln x在区间上单调递增,在区间(1,2)上单调递减,
所以h(x)max=h(1)=1,
所以a≥1,
即实数a的取值范围是[1,+∞).
4.已知函数f(x)=ln x+ax(a∈R).
(1)求f(x)的单调区间;
(2)设g(x)=x2-4x+2,若对任意x1∈(0,+∞),均存在x2∈[0,1],使得f(x1)<g(x2),求a的取值范围.
解:(1)f′(x)=a+=(x>0).
①当a≥0时,由于x>0,故ax+1>0,f′(x)>0,
所以f(x)的单调递增区间为(0,+∞).
②当a<0时,由f′(x)=0,得x=-.
在区间上,f′(x)>0,在区间上,
f′(x)<0,所以函数f(x)的单调递增区间为,
单调递减区间为.
综上所述,当a≥0时,f(x)的单调递增区间为(0,+∞),
当a<0时,f(x)的单调递增区间为,
单调递减区间为.
(2)由题意得f(x)max<g(x)max,而g(x)max=2,
由(1)知,当a≥0时,f(x)在(0,+∞)上单调递增,值域为R,故不符合题意.
当a<0时,f(x)在上单调递增,在上单调递减,
故f(x)的极大值即为最大值,f=-1+ln=-1-ln(-a),所以2>-1-ln(-a),解得a<-.
故a的取值范围为.
1.已知函数f(x)=x+,g(x)=2x+a,若∀x1∈,∃x2∈[2,3],使得f(x1)≥g(x2),则实数a的取值范围是( )
A.a≤1 B.a≥1
C.a≤2 D.a≥2
解析:选A.由题意知f(x)min≥g(x)min(x∈[2,3]),因为f(x)min=5,g(x)min=4+a,所以5≥4+a,即a≤1,故选A.
2.设函数f(x)=ex-,若不等式f(x)≤0有正实数解,则实数a的最小值为________.
解析:原问题等价于存在x∈(0,+∞),使得a≥ex(x2-3x+3),令g(x)=ex(x2-3x+3),x∈(0,+∞),则a≥g(x)min,而g′(x)=ex(x2-x).由g′(x)>0可得x∈(1,+∞),由g′(x)<0可得x∈(0,1).据此可知,函数g(x)在区间(0,+∞)上的最小值为g(1)=e.综上可得,实数a的最小值为e.
答案:e
3.已知函数f(x)=ex-a.
(1)若函数f(x)的图象与直线l:y=x-1相切,求a的值;
(2)若f(x)-ln x>0恒成立,求整数a的最大值.
解:(1)f′(x)=ex,因为函数f(x)的图象与直线y=x-1相切,
所以令f′(x)=1,即ex=1,得x=0,即f(0)=-1,解得a=2.
(2)先证明ex≥x+1,设F(x)=ex-x-1,则F′(x)=ex-1,令F′(x)=0,则x=0,
当x∈(0,+∞)时,F′(x)>0,当x∈(-∞,0)时,F′(x)<0,
所以F(x)在(0,+∞)上单调递增,在(-∞,0)上单调递减,所以F(x)min=F(0)=0,即F(x)≥0恒成立,即ex≥x+1,即ex-2≥x-1,
同理可得ln x≤x-1,
所以ex-2>ln x,
当a≤2时,ln x<ex-2≤ex-a,
即当a≤2时,f(x)-ln x>0恒成立.
当a≥3时,存在x,使ex-a<ln x,即ex-a>ln x不恒成立.
综上,整数a的最大值为2.
4.已知函数f(x)=ax-ex(a∈R),g(x)=.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)∃x0∈(0,+∞),使不等式f(x)≤g(x)-ex成立,求a的取值范围.
解:(1)因为f′(x)=a-ex,x∈R.
当a≤0时,f′(x)<0,f(x)在R上单调递减;
当a>0时,令f′(x)=0得x=ln a.
由f′(x)>0得f(x)的单调递增区间为(-∞,ln a);
由f′(x)<0得f(x)的单调递减区间为(ln a,+∞).
(2)因为∃x0∈(0,+∞),使不等式f(x)≤g(x)-ex,
则ax≤,即a≤.
设h(x)=,则问题转化为a≤()max,
由h′(x)=,
令h′(x)=0,则x=.
当x在区间(0,+∞)内变化时,h′(x),h(x)的变化情况如下表:
x
(0,)
(,+∞)
h′(x)
+
0
-
h(x)
单调递增
极大值
单调递减
由上表可知,当x=时,函数h(x)有极大值,即最大值为.所以a≤.
5.已知函数f(x)=ln x-a(x+1),a∈R,在(1,f(1))处的切线与x轴平行.
(1)求f(x)的单调区间;
(2)若存在x0>1,当x∈(1,x0)时,恒有f(x)-+2x+>k(x-1)成立,求k的取值范围.
解:(1)由已知可得f(x)的定义域为(0,+∞).因为f′(x)=-a,所以f′(1)=1-a=0,所以a=1,所以f′(x)=-1=,令f′(x)>0得0<x<1,令f′(x)<0得x>1,所以f(x)的单调递增区间为(0,1),单调递减区间为(1,+∞).
(2)不等式f(x)-+2x+>k(x-1)可化为ln x-+x->k(x-1).令g(x)=ln x-+x--k(x-1)(x>1),则g′(x)=-x+1-k=,令h(x)=-x2+(1-k)x+1,x>1,h(x)的对称轴为x=.
①当≤1时,即k≥-1,易知h(x)在(1,x0)上单调递减,所以h(x)<h(1)=1-k,若k≥1,则h(x)≤0,所以g′(x)≤0,所以g(x)在(1,x0)上单调递减,所以g(x)<g(1)=0,不合题意.若-1≤k<1,则h(1)>0,所以必存在x0使得x∈(1,x0)时g′(x)>0,所以g(x)在(1,x0)上单调递增,所以g(x)>g(1)=0恒成立,符合题意.
②当>1时,即k<-1,易知必存在x0,使得h(x)在(1,x0)上单调递增.所以h(x)>h(1)=1-k>0,所以g′(x)>0,所以g(x)在(1,x0)上单调递增.所以g(x)>g(1)=0恒成立,符合题意.
综上,k的取值范围是(-∞,1).
6.已知函数f(x)=x2-ax+(a-1)ln x.
(1)讨论函数f(x)的单调性;
(2)若对任意的x1,x2∈(0,+∞),x1>x2,恒有f(x1)-f(x2)>x2-x1,求实数a的取值范围.
解:(1)f′(x)=x-a+==(x-1)[x-(a-1)],
①若a>2,由f′(x)>0,得0<x<1或x>a-1,由f′(x)<0,得1<x<a-1,则f(x)在(0,1),(a-1,+∞)上单调递增,在(1,a-1)上单调递减;
②若a=2,则f′(x)≥0,f(x)在(0,+∞)上单调递增;
③若1<a<2,由f′(x)>0,得0<x<a-1或x>1,由f′(x)<0,得a-1<x<1,则f(x)在(0,a-1),(1,+∞)上单调递增,在(a-1,1)上单调递减;
④若a≤1,由f′(x)>0,得x>1,由f′(x)<0,得0<x<1,则f(x)在(1,+∞)上单调递增,在(0,1)上单调递减.
综上,若a>2,则f(x)在(0,1),(a-1,+∞)上单调递增,在(1,a-1)上单调递减;
若a=2,则f(x)在(0,+∞)上单调递增;
若1<a<2,则f(x)在(0,a-1),(1,+∞)上单调递增,在(a-1,1)上单调递减;
若a≤1,则f(x)在(1,+∞)上单调递增,在(0,1)上单调递减.
(2)f(x1)-f(x2)>x2-x1⇔f(x1)+x1>f(x2)+x2,
令F(x)=f(x)+x=x2-ax+(a-1)ln x+x,
对任意的x1,x2∈(0,+∞),x1>x2,恒有f(x1)-f(x2)>x2-x1等价于函数F(x)在(0,+∞)上是增函数.
F′(x)=x-a+1+=[x2-(a-1)x+a-1],
令g(x)=x2-(a-1)x+a-1,
当a-1<0,即a<1时,x=<0,故要使F′(x)≥0在(0,+∞)上恒成立,
需g(0)≥0,即a-1≥0,a≥1,无解.
当a-1≥0,即a≥1时,x=≥0,故要使F′(x)≥0在(0,+∞)上恒成立,
需g≥0,
即-(a-1)·+a-1≥0,化简得(a-1)(a-5)≤0,
解得1≤a≤5.
综上,实数a的取值范围是[1,5].
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利用导数研究不等式的恒成立或存在性问题
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A题型建模·专项突破
题型一、不等式恒成立求参数
题型二、不等式能成立或有解求参数的取值
B综合攻坚·能力跃升
A
题型建模·专项突破
题型一、不等式恒成立求参数
1.已知x)=xnx,gx)=x3+a2-x十2.
(1)求函数x)的单调区间;
(2)若对任意x∈(0,+∞),2x)≤g'(x)十2恒成立,求实数a的取值范围.
2.已知函数fx)=axer-(a十1)2x-1).
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(1)若a=1,求函数x)的图象在点(0,0)处的切线方程;
(2)当心0时,函数x)≥0恒成立,求实数a的取值范围.
3.己知函数fx)=ex十ax2-x.
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(1)当a=1时,讨论fx)的单调性;
(2)当x≥0时,x)≥12x3+1,求a的取值范围.
4.函数x)=x2-2ax十lnx(a∈R).
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(1)若函数y=fx)在点(1,1)处的切线与直线x一2y+1=0垂直,求a的值;
(2)若不等式2xnx≥一x2+ax一3在区间(0,e上恒成立,求实数a的取值范围.
5.己知x)=xnx,gx)=x3+ax2-x+2.
(1)求函数x)的单调区间;
(2)若对任意x∈(0,+∞),2x)≤g'(x)十2恒成立,求实数a的取值范围.
6.已知函数fx)=lnx-ax,a∈R
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(1)求函数x)的单调区间
(2)若不等式x)十a<0在x∈(1,+∞)上恒成立,求a的取值范围.
题型二、不等式能成立或有解求参数的取值
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1.已知函数x)=ax-e'(a∈R),g(x)=lnxx.
(1)求函数x)的单调区间;
(2)3x∈(0,+∞),使不等式x)≤g(x)一e成立,求a的取值范围.
2.已知函数fx)=xnx(x>0).
(1)求函数x)的极值;
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(2)若存在x∈(0,十∞),使得x)≤一x2十mx一32成立,求实数m的最小值.
3.设x)=ax十xnx,gx)=x3-x2-3.
(1)如果存在,∈[0,2]使得g(x)一g(x2)≥M成立,求满足上述条件的最大整
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数M;
(2)如果对于任意的s,t∈12),2),都有s)≥g()成立,求实数a的取值范围.
4.已知函数fx)=lnx十ax(a∈R).
(1)求x)的单调区间;
(2)设g(x)=x2-4x十2,若对任意x1∈(0,+∞),均存在x2∈[o,1],使得f
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(c大g(2),求a的取值范围.
B
综合攻坚·能力跃升
1.己知函数x)=x十4x,g(x)=2x+a,若x1∈f12),1),3x2∈[2,3],使得f
(x1)≥g2),则实数α的取值范围是(
)
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A.a≤1
B.a≥1
C.a≤2
D.a≥2
2.设函数x)=eavs4 alcol(x+f3x一3)一ax,若不等式x)≤0有正实数解,
则实数a的最小值为
3.已知函数x)=er一a.
(1)若函数x)的图象与直线1:y=x一1相切,求a的值;
(2)若x)一n>0恒成立,求整数a的最大值.
4.己知函数fx)=ax-e(a∈R),g(x)=lnxx.
(1)求函数x)的单调区间;
(2)门xo∈(0,十∞),使不等式x)≤gx)一e成立,求a的取值范围.
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