内容正文:
极值点偏移问题
若对于函数,有,是函数的极值点,且,则有:
①若,称为极值点右移;
②若,称为极值点左移;
· 对称构造法
对结论型,构造函数;对结论型,构造函数,通过研究的单调性获得不等式.
【例1.】
已知函数
(1)求函数的极值;
(2)若直线与函数的图象有两个不同交点,,求证:
【答案】(1)极小值为,无极大值;(2)证明见解析.
【难度】0.4
【知识点】利用导数研究双变量问题、利用导数证明不等式、导数中的极值偏移问题、求已知函数的极值
【分析】(1)直接利用导数求函数的单调性,极值;
(2)由时,,结合(1)中极值,可设,要证,需证,由,,且在是单调递减函数,即只需证:,即只需证,再构造函数,,利用导数证得即可.
【详解】(1)∵,∴
变化时,与变化情况如下
-1
-
0
+
单调递减
极小值
单调递增
∴当时,有极小值为
∴极小值为,无极大值.
(2)由时,,设,由(1)知,,
欲证:,需证:
由,,且在是单调递减函数
即证:
∵,即证:
令,,
当时,,∴单调递增
∴,∴时,
由时,∴,∴,得证
【例2.】
已知函数有两个不同的零点.求证:.
【答案】证明见解析
【难度】0.4
【知识点】导数中的极值偏移问题、函数单调性、极值与最值的综合应用、利用导数证明不等式、利用导数研究函数的零点
【分析】利用导数可得在处取得极小值,设,要证明,只需证,构造函数,求导证明即可.
【详解】定义域为,
,所以在上单调递减.
,所以在上单调递增,
所以在处取得极小值,也是最小值,
又,
所以先保证必要条件成立,即满足题意.
当时,;
,
由以上可知,当时,有两个不同的零点.
由题意,设,要证明,只需证明.
因为在上单调递减,且,
只需证.
又,即只需证,
构造函数,
因为,
所以
,,
则,
所以在单调递减,
所以.
因为,所以,成立,即,
所以.
【例3.】
已知函数有两个不同的零点,其极值点为.
(1)求a的取值范围;
(2)求证:;
(3)求证:;
(4)求证:.
【答案】(1)
(2)证明见解析
(3)证明见解析
(4)证明见解析
【难度】0.15
【知识点】利用导数研究函数的零点、导数中的极值偏移问题
【分析】(1)求导,利用倒数和零点的关系即可得;
(2) 由所证结论知这是的极值点偏移问题,选取函数,按对称化构造的三个步骤来解答.构造函数,将,相加得.
(3) 由所证结论可以看出,这不再是的极值点偏移问题.回到题设条件,构造函数,给定的范围;
(4)借助(1)(2)(3)给定或的范围均可,
【详解】(1).
若,则,在上单调递增,至多有一个零点,舍去;
故,得在上单调递减,在上单调递增,
当时,;当时,.
要使有两个不同的零点,则必须有,得.
(2)(ⅰ)由(1)知,在上单调递减,在上单调递增,不妨设.
(ⅱ)构造函数,
则,
当时,,有.
(ⅲ)将代入(ⅱ)中不等式得,
又,,在上单调递增,
故,即.
(3)解法1:,
记函数,则有,
求导得,则1是的极小值点.
我们选取函数来证,同时也可证.
(ⅰ)易知在,上单调递减,在上单调递增,与x的符号相同.
当时,;当时,,当时,.
由,不妨设.
(ⅱ)构造函数,
则.
当时,,但因式的符号不容易看出,
再引进辅助函数,则,得在上单调递减,
当时,,即,
则,即,从而,
得在上单调递减,有,即.
(ⅲ)将代入(ⅱ)中不等式得,
又,,在上单调递增,故,即.
解法2:,
记函数,则有.
(ⅰ),
在上单调递减,在上单调递增,有极小值.
当时,;当时,.
不妨设.
(ⅱ)构造函数,
则.
当时,,,,则,在上单调递减,
有,即.
(ⅲ)将代入(ⅱ)中不等式得,
又,,在上单调递增,故,即.
(4)解法1:(ⅰ)同(3)(ⅰ).
(ⅱ)构造函数,
则.
当时,,但因式的符号不容易看出,
引进辅助函数,则.
当时,,得在上单调递增,有,
则,得在上单调递增,有,即.
(ⅲ)将代入(ⅱ)中不等式得,
又,,在上单调递增,故,即.
解法2:(ⅰ)同(3)(ⅰ).
(ⅱ)构造函数,
则.
当时,,在上单调递增,有,
即.
(ⅲ)将代入(ⅱ)中不等式得,
又,,在上单调递增,故,即.
【例4.】
已知,当时,若有两个极值点,求证:.
【答案】证明见解析
【难度】0.4
【知识点】函数极值点的辨析、函数单调性、极值与最值的综合应用、导数的运算法则、利用导数证明不等式
【分析】
求出导函数,由题意可得,构造函数,利用导数判断其单调性,继而构造函数,证明在上恒大于,即可得,取,结合的单调性,即可证明结论;
另解:由题意得,构造函数,利用导数判断其单调性,求出,由对数均值不等式得,即可证明结论.
【详解】当时,,定义域为,
,,
则,令,,
当时,,在上单调递增,
当时,,在上单调递减,
结合图象,不妨设,
令,下证恒成立,
,
设,
,
所以在上单调递增,,
所以在上恒大于,即在上恒大于,
所以,
取,则,而,
所以,即.
另解:当时,,,
因为有两个极值点,
所以,即,从而,
令,则,
当时,,当时,,
所以函数在上递增,在上递减,
所以,
又因当且无限接近于0时,趋向于负无穷,当趋向于正无穷大时,无限趋近于0,
所以,由对数均值不等式得,
从而,所以.
【例5.】
已知函数的最小值为.
(1)求实数的值;
(2)若有两个不同的实数根,求证:.
【答案】(1)1;
(2)证明见解析.
【难度】0.15
【知识点】已知函数最值求参数、利用导数证明不等式、利用导数研究方程的根、导数中的极值偏移问题
【分析】(1)利用导数研究的单调性,结合最小值求参数值即可;
(2)根据题设及导数判断的单调性及区间符号,进而有,根据极值点偏移,构造并利用导数研究上的单调性,证明,再记函数与和交点的横坐标分别为,结合导数证得、,有,即可证结论.
【详解】(1)因为,令,可得,
当时单调递减;当时单调递增.
所以,所以.
(2)证明:由(1)知,在上单调递减,在上单调递增,
当时,当时,
所以,
先证明.
记,则,
当时,,所以单调递减,
所以当时,,即,
故,即.
又,由单调性知:,即.
再证明.
记函数与和交点的横坐标分别为.
①当时,,故,所以,.
(或:的图象在的图象的下方,且两个函数在上都是减函数)
②当时,记,所以.
当时单调递减;当时单调递增.
又,当时,,即.
故
所以,故.
(或的图象在的图象的下方,且两个函数在上都递增)
综上,.
· 比值代换法
通过代数变形将所证的双变量不等式通过代换(含对数式时常用)或(含指数式时常用)化为单变量的函数不等式,利用函数单调性证明.
【例6.】
函数的两个极值点、满足,则的最大值为 .
【答案】
【难度】0.4
【知识点】由导数求函数的最值(不含参)、导数中的极值偏移问题
【分析】根据函数极值点的定义可得出,可得出,令,则,可得出,,可得出,构造函数,利用导数求出函数的最大值即可.
【详解】由得,
由得,
因为函数两个极值点、,
则,可得①,
设,则且,代入①得,,
所以,
设,则,
令,则,
所以在上单调递增,所以,
从而,所以在单调递增,
所以,所以,故的最大值为.
故答案为:.
【例7.】
已知函数.
(1)当时,求函数的最值;
(2)若函数有两个不同极值点,证明:.
【答案】(1)的最大值为,无最小值.
(2)证明见解析
【难度】0.4
【知识点】由导数求函数的最值(不含参)、函数单调性、极值与最值的综合应用、利用导数证明不等式
【分析】(1)对函数求导,根据函数与导数的关系判断即可求出最值;
(2)利用极值点条件,结合对数运算和不等式证明乘积下限.
【详解】(1)当时,对函数求导可得.
令,解得.
当时,,函数单调递增;
当时,,函数单调递减;
因此,在处取得最大值,最大值为,无最小值.
(2)函数 对求导可得
令,得到.
设是的两个根,则①,②
①-②得③;①+②得④.
③④得,
即,
不妨设,令则,
即.
要证,即证,
即证,即证,即证,即证.
设,对求导可得
恒成立,故在上单调递增,
即故成立,即成立.
【例8.】
已知函数.
(1)若在上单调递减,求的取值范围;
(2)若有两个极值点,,证明:.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【难度】0.4
【知识点】利用导数证明不等式、由函数在区间上的单调性求参数
【分析】(1)根据题意,将问题转化为在时恒成立,构造函数(),求得其最大值,即可得到结果;
(2)根据题意,由条件可得,然后构造函数设(),由其单调性即可证明.
【详解】(1)由,得,
因为在上单调递减,
所以即在时恒成立,
令(),则,
可知,时,,单调递增;时,,单调递减,
故时,在上取得极大值,也即为最大值.
所以,,得,
故在上单调递减时,的取值范围是.
(2)由(1)知,,
当时,,单调递增,显然不满足题意;
当时,由(1)易知,,此时有两个异号零点,满足题意;
因为函数有两个极值点,,则有两个零点,,
不妨设,于是
则,,
于是.
令,则,,
设(),则,
故函数在上单调递增,则,则,
所以,即.
【例9.】
已知,若,,且,证明:.
【答案】证明见解析
【难度】0.15
【知识点】利用导数证明不等式、导数中的极值偏移问题、函数单调性、极值与最值的综合应用
【分析】由,可得,即有,令
,,将问题转化为证明,利用导数确定函数的单调性及极值,进而转证,
构造,利用导数证明即可.
【详解】证明:
等价于,
即,
等价于,
即,
令,,
要证明,即证,
因为,
所以,
因为在上单调递减,
所以在上单调递减,
又因为,
所以当时,,当时,
所以在上单调递增,在上单调递减,
且,
作出函数的图象,如图所示:
令,
易知.
只需,
要证,
故需构造,
,,
,
由于,
故只需证明,
构造,
则,
令,
则,
所以在上单调递增,
所以,
所以,
所以单调递增,故,
命题得证.
【例10.】
已知函数.
(1)求函数的单调区间;
(2)若方程有两个不相等的实数根,证明:.
【答案】(1)单调递增区间为,单调递减区间为
(2)证明见解析
【难度】0.4
【知识点】利用导数证明不等式、函数单调性、极值与最值的综合应用、利用导数求函数的单调区间(不含参)、用导数判断或证明已知函数的单调性
【分析】(1)对函数求导,利用导数求函数的单调区间;
(2)换元后化为,构造,求导后得到其单调性,只需证明,变形得到,令,,,则只需证即可,求导得到单调性,证明出结论.
【详解】(1)由题可知,定义域为R,则有,
令,则,可知当,,则单调递减;
可知当,,则单调递增;
综上所述,函数的单调递增区间为,单调递减区间为.
(2)证明:等价于,
令,其中,则,显然,所以.
令,则,所以在,上单调递减,在上单调递增,所以的极小值为.
因为方程有两个不相等的实数根,
所以关于t的方程有两个不相等的实数根,,且,.
要证,
即证,即证,只需证.
因为所以整理可得
不妨设,则只需证,即证.
令,,,则只需证即可.
因为,所以在上单调递增,
所以,
故.
【点睛】极值点偏移问题,通常会构造差函数来进行求解,若等式中含有参数,则消去参数,由于两个变量的地位相同,将特征不等式变形,如常常利用进行变形,可构造关于的函数,利用导函数再进行求解.
【例11.】
已知函数(,).若函数有两个零点,.证明:.
【答案】证明见解析
【难度】0.15
【知识点】函数单调性、极值与最值的综合应用、导数中的极值偏移问题
【分析】先换元,即证,分别构造函数来证明即可.
【详解】因为,有两个零点,,
,
令,则,
即证明,即证,
设,
由于,即,
左边即证,
即证,
设,则,单调递增,
则当时,,即成立,故.
要证,
即证即,
而,
故即证,
即证:,
令,即证:.
则,
设,
则,
设,则,
设,则,其,
而,故在为减函数,
而,,故存在,
使得时,,时,,
故在上为增函数,在为减函数,
故,且,
故,故即恒成立,
故在上为减函数,而,
故当时,即,时,即,
故在上为增函数,在上为减函数,
故,故(不恒为零),故为减函数,
故,即,
即得证.
【强化训练】
1.
已知函数.
(1)若函数在区间上单调递增,求的取值范围;
(2)若函数有两个不同的零点,,求证:.
【答案】(1)(2)证明见解析
【难度】0.4
【知识点】利用导数研究双变量问题、利用导数研究函数的零点、由函数的单调区间求参数
【解析】(1)根据导数和函数的单调性的关系即可求出;
(2)中将所证的结论转化为求新函数的单调区间问题得以解决.
【详解】解:(1)∵,函数在区间上单调递增
∴在恒成立,
∴,
∴;
(2)证明:不妨设,
∵,∴, ,
可得, ,
要证明,即证明,也就是证,
∵,∴即证明:,
即,
令,则,于是.
令,,则,
故函数在上是增函数,∴,
即成立.
∴原不等式成立.
2.
已知函数.当时,若函数有两个不同的零点,.
(1)求m的取值范围;
(2)证明:.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【难度】0.4
【知识点】利用导数证明不等式、利用导数研究函数的零点、导数中的极值偏移问题
【分析】(1)当时,可化为,令,求导得,求其单调性,找到最小值,根据题意求m的取值范围即可;
(2)要证明,即证,只需要证,即证,令,根据导函数求其单调性,然后证明即可.
【详解】(1)当时,可化为,
令,求导得,
令,因为,所以,解得.
当时,,在上单调递减;
当时,,在上单调递增.
所以的最小值为,
当时,;当时,,
函数有两个不同的零点,,
即与在上有两个不同交点,
所以的取值范围是;
(2)由(1)可知,要证明,即证,
因为,且在上单调递增,
所以只需要证,又因为,
所以只需要证,即证,
即证,两边同时除以,得,
化简为,因为,
所以只需证,即证
令,
求导得,
令,
求导得在上恒成立,
所以在上单调递增,
所以当时,,
即在上恒成立,所以在上单调递减,
所以当时,,
即,故,
即,所以.
3.
已知函数.
(1)若,求曲线在处的切线方程;
(2)讨论的单调性;
(3)若,且,证明:.
【答案】(1)
(2)答案见解析
(3)证明见解析
【难度】0.15
【知识点】利用导数求函数(含参)的单调区间、导数中的极值偏移问题、求在曲线上一点处的切线方程(斜率)、利用导数证明不等式
【分析】(1)根据导数的几何意义即可求解;
(2)分和两种情况讨论即可求解;
(3)令,根据的单调性以及,得出,然后令,,
通过二次求导证明出,结合即可得证.
【详解】(1)依题意,,,则,
而,故所求切线方程为.
(2)依题意,的定义域为,
令,得,
若,则当时,单调递减;
当时,单调递增;
若,则当时,单调递增;
当时,单调递减.
综上所述,当时,在区间上单调递减,在区间上单调递增;
当时,在区间上单调递增,在区间上单调递减.
(3)(3)证明:令,则,
令,故,
令,解得.
故当时,单调递增,
当时,单调递减,
故,即在区间上单调递减,且.
又,所以,
令,,
则,,
令,,
则,
所以函数在区间上单调递增,且时,,所以,即
所以函数在区间上单调递减,且时,,所以,
所以当时,,所以,
因为,所以,即,
因为函数在区间上单调递减,所以,即.
4.
已知函数.若函数有两个不同的极值点,记作,且,求证:.
【答案】证明见解析
【难度】0.15
【知识点】导数中的极值偏移问题
【分析】求函数导数,由函数存在极值点得到,,代入需要证明的不等式中并分离常数得到不等式,再由得到的代数式,从而建立不等式,通过换元后构造函数,并求导数,从而得到函数的单调性,从而知道的最值,然后证明不等式成立.
【详解】.
因为有两个不同的极值点,所以,.
欲证,即证,又,
所以原式等价于①.
由,
得②.
由①②知原问题等价于求证,
即证.
令,则,上式等价于求证.
令,则,
因为,所以恒成立,所以单调递增,,
即,所以原不等式成立,即.
5.
已知函数有两个不同的零点.
(1)求实数的取值范围;
(2)证明:.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【难度】0.15
【知识点】利用导数证明不等式、利用导数研究函数的零点
【分析】(1)先求出导函数,当时,不满足题意;当时,求出函数的单调性,再求出极大值,即可得解;
(2)要证,即证,构建函数,即可得证,再证,即证,只需证,即,构建函数,即可得证.
【详解】(1)由题意,,
当时,,函数单调递增,不满足要求;
当时,令,得,
+
0
递增
极大值
递减
令,得.
设,于是,
所以在上单调递增,故,
故,
所以由零点存在定理可知,存在,使得;
存在,使得.
故当时,函数有两个不同的零点.
(2)由题意,令,且不妨令,则有(*)
两式相减可得,,
要证.即证.
(**)
令,则(**)即为.
设,则,
所以在上单调递减,所以,即有
(*)两式子相加得,,
则要证即证,由上式只需证,
即证(***)
令(***).
设,则,
所以在上单调递增,所以,即有.
故.
【点睛】方法点睛:极值点偏移问题的一般题设形式:
1.若函数存在两个零点且,求证:(为函数的极值点);
2.若函数中存在且满足,求证:(为函数的极值点);
3.若函数存在两个零点且,令,求证:;
4.若函数中存在且满足,令,求证:.
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极值点偏移问题
若对于函数,有,是函数的极值点,且,则有:
①若,称为极值点右移;
②若,称为极值点左移;
· 对称构造法
对结论型,构造函数;对结论型,构造函数,通过研究的单调性获得不等式.
【例1.】
已知函数
(1)求函数的极值;
(2)若直线与函数的图象有两个不同交点,,求证:
【例2.】
已知函数有两个不同的零点.求证:.
【例3.】
已知函数有两个不同的零点,其极值点为.
(1)求a的取值范围;
(2)求证:;
(3)求证:;
(4)求证:.
【例4.】
已知,当时,若有两个极值点,求证:.
【例5.】
已知函数的最小值为.
(1)求实数的值;
(2)若有两个不同的实数根,求证:.
· 比值代换法
通过代数变形将所证的双变量不等式通过代换(含对数式时常用)或(含指数式时常用)化为单变量的函数不等式,利用函数单调性证明.
【例6.】
函数的两个极值点、满足,则的最大值为 .
【例7.】
已知函数.
(1)当时,求函数的最值;
(2)若函数有两个不同极值点,证明:.
【例8.】
已知函数.
(1)若在上单调递减,求的取值范围;
(2)若有两个极值点,,证明:.
【例9.】
已知,若,,且,证明:.
【例10.】
已知函数.
(1)求函数的单调区间;
(2)若方程有两个不相等的实数根,证明:.
【例11.】
已知函数(,).若函数有两个零点,.证明:.
【强化训练】
1.
已知函数.
(1)若函数在区间上单调递增,求的取值范围;
(2)若函数有两个不同的零点,,求证:.
2.
已知函数.当时,若函数有两个不同的零点,.
(1)求m的取值范围;
(2)证明:.
3.
已知函数.
(1)若,求曲线在处的切线方程;
(2)讨论的单调性;
(3)若,且,证明:.
4.
已知函数.若函数有两个不同的极值点,记作,且,求证:.
5.
已知函数有两个不同的零点.
(1)求实数的取值范围;
(2)证明:.
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