内容正文:
重难点培优04 恒成立问题中的秒杀技——必要性探路
(含端点效应)
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01 知识重构·重难梳理固根基 1
02 题型精研·技巧通法提能力 4
题型01 端点效应(★★★★★) 4
题型02 探路策略之二:内点效应(★★★★★) 7
题型03 探路策略三:显点效应(★★★★★) 10
题型04 必要性探路策略之四:极点效应(★★★★★) 15
03 实战检测·分层突破验成效 18
重难知识巩固 18
创新能力提升 26
知识重构·重难梳理固根基
知识点01 诠释必要性探路
1.必要性探路思路
必要性探路就是指一类函数的恒成立问题,可以通过取函数定义域内某个特殊值或几个特殊值,先得到一个必要条件,初步获取参数的范围,再在该范围内讨论,去验证其充分条件,进而解决问题的方法(端点效应法其实就是特殊的必要性探路,特殊值为端点).必要性探路求出的参数并不一定就是所求的实际范围,但可以限定问题成立的大前提,缩小参数讨论的范围,在一定程度上可以减少分类讨论的类别,降低了思维成本.
2.必要性探路的基本步骤
⑴探究必要条件,缩小参数范围:在给定的范围内取特殊值,然后由不等式成立求出参数的取值范围,该取值范围即为不等式恒成立的一个必要条件,接下来探究其充分性. 选择的特殊值可以为端点值、极值点、不等式公共取等条件、常见特殊数(如0,1,e,e2等).
⑵证明充分性,求结果:利用第一步中的参数的范围去判定函数是否单调.
①如果函数单调,则由端点得到的范围就是最终答案;
②如果函数不单调,则利用端点确定的范围进一步确定函数的最值.
【注意】这种必要性探路法所求的参数范围不一定是所求的实际范围,但是可以先定问题成立的大前提,缩小参数的讨论范围,一定程度上降低了思维成本.
知识点02 必要性探路策略之一:端点效应
1.端点效应的定义
恒成立问题中, 我们常常能见到类似的命题: “对于任意的 , 都有 恒成立”,这里的端点 , 往往是使结论成立的临界条件, 因此, 如果能利用好这两个值, 能方便解题,比如对于上述的命题,观察和的取值,这种观察区间端点值来解决问题的做法, 我们称之为端点效应
2.端点效应的核心思想
利用端点处所需满足的必要条件缩小参数的取值范围, 而在很多情况下, 该范围即为所求.
3.端点效应的解题思路
(1)利用端点处函数值或导数值满足的条件,初步获得参数的取值范围,这个范围是不等式恒成立的必要条件.
(2)利用所得出的参数范围判断函数在定义域内是否单调.
(3)若函数在限定参数范围内单调,则必要条件即为充要条件,问题解决.若不单调,则需进一步讨论,直至得到使不等式恒成立的充要条件.
知识点03 必要性探路策略之二:内点效应
端点效应失效时, 可以考虑内点效应.
1.内点效应的实质
函数不在端点处取得最值, 而是在区间中间某个点 (即内点) 取得最值, 或者在端点和内点同时取得最小值.
2.利用图象区分端点效应和内点效应
满足端点效应的函数的如左下图, 满足内点效应的函数的图象如右下图.
3.解题的关键
关键是如何找到“内点”,一般可以通过方程组 解出内点 ,但有些题目很难找出来, 此时往往可用 “导中切”来解答.
知识点04 必要性探路策略之三:显点效应
显点中的的“点”是取所给区间内的特殊点,因而显点效应也称特殊点效应, 显点效应是内点效应的补充,当函数取最值的点不易找到时,可通过找所给区间内的其他点,缩小参数的取值范围,再借助其他方法求得参数的准确范围.
⑴出现对数时,常考虑 (猜想) 特殊点 .
⑵出现指数时, 考虑 (猜想) 特殊点 0,1 .
⑶出现三角函数时,考虑 (猜想) 特殊点 等.
知识点05 必要性探路策略之四:极值点效应
极值点效应也称极点效应, 也就是函数的极值点和零点是同一个数, 并且这个数必须是定义域 “内点”.
(1)满足极点效应的函数只能在定义域中间某个点取得最值. 如果在端点处取得最值, 则不能用极点效应这种方法做题.
(2)极点效应的实质是费马引理: 设函数在点的某个邻域 内有定义,并且在 处可导,如果对 都有 (或 ),则 ,即在开区间内,函数最值一定是函数的某个局部极值, 可导函数的极值点是导函数的零点.
(3)在高考数学中, 我们可以将“函数不等式恒成立问题”转化为函数最值, 再转化为函数极值, 利用费马引理分析极值点效应, 这本质上就是一种探路思想.
题型精研·技巧通法提能力
题型01 端点效应
【技巧通法·提分快招】
端点效应是必要条件探路法的一种特例,利用端点处函数值的特殊性,先得到必要条件,再证明其充分性,思路简捷.端点效应的使用原理:
(1)如果函数在区间上,恒成立,则或.
(2)如果函数在区问上,恒成立,且(或),则(或).
(3)如果函数在区问上,恒成立,且(或,)则(或).
【注意】(1) 用端点效应能做的题, 也可以用 “分离参数法”做题, 但是有时需要用到洛必达法则来求极限. 由于在高考改卷时, 使用洛必达法则有可能会扣分, 故提倡用端点效应求解;
(2)当满足端点效应时, 可以分离常数, 此时用到洛必达法则. 不满足端点效应时, 洛必达法则失效. 端点效应失效时, 可以考虑必要性探路方法二: 内点效应.
1.(2024·全国甲卷 节选)已知函数.当时,,求的取值范围.
【解析】由题知,,且.,
且.
①当时,即时.存在,使得当时,,单调递减,故,所以函数在上单调递减,所以,与已知条件矛盾.
②当时,即时,则.
令,所以,,故单调递增,即,所以函数单调递增,所以即成立.
综上,实数的取值范围是.
2.已知f(x)=ln(ax+1)+ (x≥1),若f(x)≥ln 2恒成立,求实数a的取值范围.
【分析】作差构造函数g(x)=ln(ax+1)+-ln 2,取点g(1)=ln(a+1)-ln 2≥0得a≥1,再利用换元法和导数进行求解.
【详解】必要性:对于x≥1,f(x)≥ln 2恒成立,
即ln(ax+1)+-ln 2≥0在(1,+∞)上恒成立.
令g(x)=ln(ax+1)+-ln 2,
所以g(1)=ln(a+1)-ln 2≥0,解得a≥1.
充分性:当a≥1时,
g(x)≥ln+-1(x≥1).
令t=≥1,
则令h(t)=ln t+-1(t≥1),
所以h′(t)=-= (t≥1),
则h(t)在(1,+∞)上单调递增,
所以h(t)≥h(1)=0,
所以g(x)≥0恒成立,
综上所述,a的取值范围是[1,+∞).
【题后反思】解决本题的关键在于构造函数后利用区间端点值1得到a≥1,即必要性探路.
3.已知,对,恒成立,求实数的取值范围.
【答案】
【分析】转化题意可得在上恒成立,再代入可得得出必要性,再分析当时,恒成立得出充分性即可.
【详解】必要性:因为对,恒成立.
即在上恒成立,
令,,
则,则.
充分性:当时,,
再证明,,
构造函数,则,
故单调递增,,即,.
故上,有
,
所以,即,
故a的取值范围是.
4.已知函数.
(1)若为的极值点,求;
(2)当时,恒成立,求的取值范围.
【详解】(1),由于为的极值点,
所以,解得,
当时,令,则,
所以在上单调递增,又,
所以当时,单调递减,
所以当时,单调递增,
故;
(2)法一(分离参数法):由题意有对于恒成立,
即对于恒成立,
当时,,故对于恒成立,
令,
则时,,
当且仅当时,成立,
所以在上单调递增,所以,所以,
法二(端点效应):当时,有,即当时,有,解得;
下证充分性,即证当时,时,有,
即证当时,有,记,
,故在上单调递减,
则,
记,则,
当时,,当且仅当时,成立,
即在上单调递增,故,
故当时,有恒成立.
【解后反思】比较两种解法,明显可以发现端点效应避开了繁杂的转化或讨论,直接探求得结果,但还要注意的是,求得结果后还需证明充分性.
题型02 探路策略之二:内点效应
【技巧通法·提分快招】
利用内点效应解题的关键是找到“内点”,一般可以通过方程组 解出内点,但有些题目很难找出来, 此时往往可用 “导中切”来解答.
1.设函数 . 若当 时, ,求实数的取值范围.
【分析】 ,含参数,但是单调性暂时无法判断,再次求导得 ,单调不含参, 此时已经没有参数了, 故无法通过讨论参数来解题. 不能使用端点效应, 故考虑内点效应.
如何找到 (猜想) 内点呢? 令 即 ,赋值让这两个方程形式上一致 (即两个方程为同一个方程) 即可找到内点,为保证含 的项恒等,故赋值 ,代入上式得 即 ,则 即为“内点”,也即 在 处取得最小值 0 .
找到内点之后,探路: ,即 ,得到 ,可以猜想 即为答案.
事实上,当 时, ,此时 的图象如下:
此时,函数 在端点 处和内点 处同时取得最小值 0 .
【详解】当 时, 恒成立, ;
当 时, ,
令 ,则
(导中切)
又 恒成立 (答题时需要证明)
当 时, ; 当 时, ,
在 上单调递减,在 上单调递增,
,
实数 的取值范围为 .
【解后反思】(1)内点效应用“导中切”的方法解题比较简便.
(2) ,其中 和 分别为六大超越函数之一和对勾函数,它们均在 处取得极值.
2. (2020 年全国 I 卷理科第 21 题 (2)) 已知函数 . 当时, 1,求a的取值范围.
【解析】法一(内点效应): 当时,,设.
由,得,则是成立的必要条件.
下面证明充分性:
当时,,现在只需证明成立,即证成立(这样操作是便于后面求导以后,对函数没有干扰).令,则
.当时,;当时,.所以函数在和上单调递减,在上单调递增.且,所以当时,,故,则.
综上,实数的取值范围是.
法二 ①当时,不等式恒成立,R.
②当时,,令,则
.令,,,所以在上单调递增,故,则函数在上单调递增,所以
.所以当时,,函数单调递增;当时,,函数单调递减.所以函数的最大值为,故.
综上,实数的取值范围是.
3.已知函数,,若恒成立,求实数的取值范围.
【详解】设,由题知恒成立.所以
恒成立,解得,所以是成立的必要条件.
当时,因为(此处省略证明过程,考试作答时需写出证明过程),则
.
综上,实数的取值范围是.
【说明】此题还可以转化为恒成立,整理得恒成立,即恒成立.
题型03 探路策略三:显点效应
【技巧通法·提分快招】
显点中的的“点”是取所给区间内的特殊点,因而显点效应也称特殊点效应,当函数取最值的点不易找到时,可通过找所给区间内的其他点,缩小参数的取值范围,再借助其他方法求得参数的准确范围.
1.已知函数 . 若恒成立,求 的取值范围.
【解析】 由题意得, ,即 ,解得 ,
这是 恒成立的一个必要条件,下面证明充分性.
当 时, .
令 ,则 ,
令 ,则 ,
在 上单调递增,又 ,
当 时, ; 当 时, .
,即 .
综上所述, 的取值范围为 .
【解后反思】(1)利用显点效应解题时需注意两个关键: (1) 找点要对; (2) 充分性要证明出来. 例如本题由 得 ,那么当 能否证明 成立呢? 这是做题的关键. 如果能证明充分性成立,即能证明 “当 时, 成立”,则说明 “找点” 正确,如果无法证明充分性,则说明 “找点” 失败或则无法用显点效应来做题.
(2) 这种情况可以不写,因为由 得到的必要条件是 . 事实上,当 时,因为 ,与题设矛盾.
2.
已知函数,.
(1)若,证明:函数单调递增;
(2)若,恒成立,求的取值范围.
【分析】(1)利用导数与函数单调性的关系,结合配方法即可得证;
(2)构造函数,先利用必要性探路法得到,再利用放缩法得到,从而利用导数证得,即充分性成立,从而得解.
【详解】(1)因为,所以,
所以,所以函数单调递增
(2)令,则由题可得,
因为,恒成立,
所以,恒成立,
则,所以(必要性探路);
下证当时,,恒成立,
令,所以,
所以当时,,函数单调递增,
当时,,函数单调递减,
所以当时,函数取得最大值,即,
所以,
构建函数,所以,
所以当时,,函数单调递减,当时,,
函数单调递增,所以当时,函数取得最小值,
所以,
所以的取值范围为.
3.(25-26高二下·广东深圳·期末)已知函数,.
(1)当时,求曲线在点处的切线的斜率;
(2)当时,讨论函数的单调性;
(3)若对任意,恒成立,求实数的取值范围.
【解析】(1)当时,.
求导得,.
所以曲线在点处的切线的斜率为.
(2)的定义域为.
求导得.
令,则,即.
令,因为,则.
当,即时,恒成立,故,
所以在上单调递增.
当,即时,的两根为,,且.
因为,,所以,.
所以当或时,,,单调递增;
当时,,,单调递减.
综上,当时,在上单调递增;当时,在、上单调递增,在上单调递减,其中,,.
(3)不等式对任意恒成立等价于对任意恒成立.
令,则.
则.
令,则.
因为,所以,则在上单调递增,
即在上单调递增.
又,所以当时,,单调递减;当时,,单调递增,
所以在处取得最小值,为,所以.
所以实数的取值范围为.
4.已知函数,.
(1)讨论函数的单调性;
(2)当时,若对任意的,都有成立,求实数的取值范围.
【分析】(1)求出函数的定义域与导函数,再分、、三种情况讨论,分别求出函数的单调区间;
(2)解法1:由得,再证明当时,对任意的,都有成立,由(1)可得的单调性,求出,即可得证;解法2:首先得到,再证明当时,对任意的,都有成立,则,构造函数,利用导数说明函数的单调性,即可证明.
【详解】(1)函数的定义域为,
又,
令得,,
1
时,所以当或时,当时,
所以在和上单调递增,在上单调递减;
2
时,所以恒成立,所以在上单调递增;
3
时,所以当或时,当时,
所以在和上单调递增,在上单调递减;
综上可得:当时在和上单调递增,在上单调递减;
当时在上单调递增;
当时在和上单调递增,在上单调递减.
(2)解法1:由得,
下面证明当时,对任意的,都有成立,
当时,,,
在上单调递增,在上单调递减,
,
而,当且仅当,时取等号,
当时,对任意的,都有成立,
解法2:由得,
下面证明当时,对任意的,都有成立,
,
,
令,,
则,
令,,
,在上单调递减,所以,
令,解得,令,解得,
在上单调递增,在上单调递减,
,
当时,对任意的,都有成立.
题型04 必要性探路策略之四:极点效应
【技巧通法·提分快招】
极点效应核心是找到函数的极值点(极点),利用极点处“导数值为 0、函数值为临界值”的特征,搭建参数与函数性质的关联,本质是端点效应的延伸.
1.已知函数 ,若 对任意 恒成立,利用极点效应求实数 的取值范围.
【详解】定极点:区间R 无明确端点,计算 ,求导得 ,令 ,得 ,此时 为函数的极值点(极点);
判断极值点类型:求二阶导数 ,当 时,,一阶、二阶导均为 0,用高阶探路法,求三阶导数 ,故 为极小值点(三阶导为正,拐点处函数递增);
验证参数:当 时,,由经典不等式 ,可知 恒成立, 在 R上单调递增,故 ,恒成立;
排除其他情况:若 ,则 ,当 时,,,,但 时,,,,矛盾;若 ,则 ,存在 、,使得 , 在 上单调递减,,矛盾.
综上,
2.已知,函数,,是否存在实数,使恒成立?若存在,求出实数的取值集合;若不存在,请说明理由.
【分析】构建,求导,结合可得,解得必要条件,并代入检验充分性.
【详解】令,其定义域为,
则,
必要性:由题意可知:在内恒成立,
又,所以是的极小值点,
则,解得;
充分性:若,则,,
当时,;当时,,
可知在内单调递减,在内单调递增,
则,满足题意;
综上所述:存在实数满足条件,且的取值集合为.
3.已知函数 ,若 对任意 恒成立,求实数 的取值范围.
【详解】 时,,求导得 ,令 ,得 ,此时 为极点;
求二阶导数 ,当 时,,,高阶探路分析:当 时,, 单调递增;当 时,, 单调递减,故 , 在 上单调递减,,恒成立;
参变分离验证:当 且 ,不等式 可转化为
()或 (),令 ,求导分析得 在 上单调递增,在 上单调递减,,故 时,满足所有情况.
4.已知函数f(x)=ln(x+1)-,a≥0.
(1)当a=1时,求f(x)在(0,+∞)上的零点个数;
(2)若关于x的不等式ln-≤x-a2e(x-1)-在(1,+∞)上恒成立,求实数a的取值范围.
【分析】(1)求导,利用导函数在[1,+∞)的符号变化确定函数的单调性和函数值 符号,进而确定函数的零点个数;(2)作差构造函数,求导确定函数的极值点,再利用极值点探路得到a≤2,再利用导数证明其充分性.
【解析】(1)当a=1时,f(x)=ln(x+1)+1-
当x∈(0,1)时,f(x)=ln(x+1)+1->1->1-1=0,此时无零点.
当x∈[1,+∞)时,f′(x)=-2e2(x-1),
当x∈[1,+∞)时,f′(x)单调递减,
且f′(x)<f′(1)=-2<0,
当x∈[1,+∞)时,f(x)单调递减,
f (1)=ln 2+1-1=ln 2>0,
g (2)=ln 3+1-e2<0,
∃x0∈(1,2),使f(x0)=0.
∴当a=1时,f(x)在 (0,+∞)上有且只有一个零点.
(2)必要性:ln-a≤x-a2e(x-1)-在(1,+∞)上恒成立,
即ln-≤a·e2(x-1)-a2·e(x-1)在(1,+∞)上恒成立,
当a=0时,a-a2e(x-1)=0,
因为y=ln x-(x-1)≤0恒成立,
则ln-≤0,
当a>0时,
令m(x)=ln-,x>1,m′(x)=,
当x>时,m′(x)<0,m(x)单调递减,
当1<x<时,m′(x)>0,m(x)单调递增,
所以m(x)≤m=0.
当a>0时,x=,0≤a·e-a2·,
则a·e≥0,
即1-≥0,得a≤2.
综上,a的取值范围为[0,2],
充分性:当a∈[0,2]时,
ln--a[-a·e(x-1)]≤0,①
当a∈[0,2]时,-a·e(x-1)≥-2·e(x-1).
令n(x)=e2(x-1)-2·e(x-1),x>1,则n′(x)=2e2(x-1)-2e.
当x>1时,n′(x)单调递增,且n′=2e-2e=0,
故当x∈时,n′(x)<0,n(x)单调递减,
当x∈时,n′(x)>0,n(x)单调递增,
∴n(x)≥n=e-e=0,
∴x>1,a·n(x)≥0.
由已知得x>1,ln-≤0.
∴①式成立,∴a∈[0,2].
【题后反思】解决本题第(2)问的关键在于构造函数后利用导数确定函数的极值点,进而利用极值点探路得到a≤2,即必要性探路.
【温馨提醒】利用极值点探路必要性的步骤:
1. 已知f(x)≤0(或f(x)≥0),找f(x)的极大值(或极小值)点探路;
2. 对于f(x)≤g(x),找f(x)的极大值点,g(x)的极小值点探路.
实战检测·分层突破验成效
重难知识巩固
1.若函数在(﹣∞,+∞)上单调递增,则a的取值范围为( )
A. B. C. D.[﹣1,1]
【答案】A
【分析】先求出函数的导数,问题转化为:8﹣4t2﹣3at≥0,分类讨论从而求出a的范围.
【详解】∵在(﹣∞,+∞)上是增函数,
∴f(x)′cos2x﹣asinx+2≥0,
∴,
设t=sinx(﹣1≤t≤1),即有8﹣4t2﹣3at≥0,
当t=0时,不等式显然成立;
当0<t≤1时,,由在(0,1]递增,可得t=1时,求得最大值4.
可得3a≤4,即.
当﹣1≤t<0时,,由在[﹣1,0]递增,可得t=﹣1时,求得最小值﹣4.
可得3a≥﹣4,即.
综上可得a的取值范围为[,].
故选:A.
2.已知函数f(x)=axln x-xa,其中a∈R.
若f(x)在(1,+∞)上单调递减,求正数a的取值范围.
【分析】将函数的单调性转化为导函数非正在(1,+∞)内恒成立,利用g(1)=0和则g′(1)≤0得到a≥2,再求导证明充分性.
【详解】必要性:因为f(x)在(1,+∞)上单调递减,所以f′(x)=aln x+a-axa-1=
a(ln x+1-xa-1)≤0在(1,+∞)内恒成立.
令g(x)=ln x+1-xa-1,
则g(x)=ln x+1-xa-1≤0在(1,+∞)内恒成立,
因为g(1)=0,g′(x)=-(a-1)xa-2,
则g′(1)≤0,即g′(1)=1-(a-1)≤0,则a≥2.
充分性:
因为a≥2,所以a-1≥1,
因为x>1,所以xa-1≥x,
则g(x)=ln x+1-xa-1≤ln x+1-x<0,
所以f′(x)=a(ln x+1-xa-1)<0.
故a的取值范围是[2,+∞).
3.若,且在上恒成立,求的值.
【答案】1
【分析】注意到,由题意可知,故,验证时符合题意.
【详解】,
注意到,则当时,函数取得最小值,同时取得极小值,
所以,所以,
而当时,,,
当时,,单调递减,此时,
当时,,单调递增,此时,
所以,
所以的值为1.
4.已知函数,若当时,,求实数a的取值范围.
【分析】构造函数 ,对a分类讨论,求的最大值即可.
【详解】令 ,依题意,当时,,
,
设,
,
当 时, , 有2个零点;
则当,由韦达定理知 有一正一负两个零点,不妨设 ,
当时,,,于是函数在上单调递增,
即当时,,不符合题意,
当时,,
则当时,,当时,,
所以在上单调递增,在上单调递减,
因此,符合题意,
所以实数a的取值范围是.
5.(2019·全国Ⅰ卷 文科)已知函数,为的导数.
(1)证明:在区间存在唯一零点;
(2)若时,,求的取值范围.
【详解】(1)由题知,,,所以当时,,单调递增;当时,,单调递减.又因为,所以,在没有零点.又因为,所以在有唯一零点.所以在区间存在唯一零点.
(2)因为当时,,所以,解得,所以是成立的必要条件.
当时,由(1)知在区间的唯一零点设为.当时,,单调递增;当时,,单调递减.且,故时,.
又因为,所以成立.
综上,实数的取值范围是.
6.已知函数,.
(1)求函数的单调区间;
(2)若函数,当时,恒成立,求实数的取值范围.
【解析】(1)定义域为,.
(ⅰ)当时,对,,函数的单调递增区间是,
(ⅱ)当时,时,;当,时,,
所以的单调递增区间是,单调递减区间是,.
(2)函数.
(ⅰ)当时,由重要不等式知,,
在,上递增,所以恒成立,符合题意.
(ⅱ)当时,因为,,故,在,上递增.
又,存在,使得,从而函数在上递减,在,上递增,
又,不恒成立,不满足题意.综上(ⅰ),(ⅱ)知实数的取值范围是,.
7.设函数f(x)=x(ex﹣1)﹣ax2.
(1)若a,求f(x)的单调区间;
(2)若当x≥0时,f(x)≥0,求a的取值范围.
【分析】(1)求导函数,由导数的正负可得函数的单调区间;
(2)f(x)=x(ex﹣1﹣ax),令g(x)=ex﹣1﹣ax,分类讨论,确定g(x)的正负,即可求得a的取值范围.法二:先讨论当x=0时的情况,再讨论当x>0时的情况,分离参数即可.
【详解】(1)a时,f(x)=x(ex﹣1)x2,(ex﹣1)(x+1)
令f′(x)>0,可得x<﹣1或x>0;令f′(x)<0,可得﹣1<x<0;
∴函数的单调增区间是(﹣∞,﹣1),(0,+∞);单调减区间为(﹣1,0);
(2)f(x)=x(ex﹣1﹣ax).
令g(x)=ex﹣1﹣ax,则g'(x)=ex﹣a.
若a≤1,则当x∈(0,+∞)时,g'(x)>0,g(x)为增函数,
而g(0)=0,从而当x≥0时g(x)≥0,即f(x)≥0.
若a>1,则当x∈(0,lna)时,g'(x)<0,g(x)为减函数,
而g(0)=0,从而当x∈(0,lna)时,g(x)<0,即f(x)<0.
综合得a的取值范围为(﹣∞,1].
另解:当x=0时,f(x)=0成立;
当x>0,可得ex﹣1﹣ax≥0,即有a的最小值,
由y=ex﹣x﹣1的导数为y′=ex﹣1,
当x>0时,函数y递增;x<0时,函数递减,
可得函数y取得最小值0,即ex﹣x﹣1≥0(当且仅当x=0时取等号),
故x>0时,ex﹣x﹣1>0,所以1,所以a≤1,
综上,a的取值范围为(﹣∞,1].
8.设函数f(x)=x(ex﹣1)﹣ax2,a∈R,其中e为自然对数的底数.
(1)若a,求f(x)的单调递增区间;
(2)若当x≥0时,f(x)≥0恒成立,求实数a的取值范围.
【分析】(1)利用导数的运算法则得到f′(x),再求出f′(x)>0即可;
(2)由于f(x)=x(ex﹣1﹣ax),令g(x)=ex﹣1﹣ax,得到g′(x),通过对a分类讨论,利用导数与函数单调性的关系即可得出.
【解答】解:(1)时,,
f′(x)=ex﹣1+xex﹣x=(ex﹣1)((x+1).
令f'(x)>0,得x<﹣1或x>0,
所以f(x)的单调递增区间为(﹣∞,﹣1),(0,+∞).
(2)f(x)=x(ex﹣1﹣ax)
令g(x)=ex﹣1﹣ax,则g′(x)=ex﹣a.
若a≤1,则当(0,+∞)时,g′(x)>0,g(x)为增函数,
而g(x)=0,从而当x≥0时,g(x)≥0,即f(x)≥0.
若a>1,则当x∈(0,lna)时,g′(x)<0,g(x)为减函数,
而g(x)=0,从而当x∈(0,lna)时,g(x)<0,即f(x)<0.
所以不合题意,舍去.
综合得a的取值范围为(﹣∞,1].
9.已知函数f(x)=ex﹣2x+sinx,函数g(x)=ax2+1(a∈R).
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若对任意的x≥0,f(x)≥g(x)恒成立,求实数a的取值范围.
【分析】(1)求出导函数f′(x),对x≤0,由函数性质得f′(x)≤0,对x>0对f′(x)再一次求导,确定单调性后得导数值的正负,从而得单调区间;
(2)构造函数p(x)=f(x)﹣g(x),求出导函数p'(x),对p'(x)再一次求导后,还要第三次求导,然后由x=0时的导数值的正负分类讨论求解.
【详解】(1)f′(x)=ex﹣2+cosx,
x≤0时,ex<1,又cosx≤1,则ex+cosx<2,因此f′(x)≤0,f(x)递减,
设h(x)=f'(x)(x>0),则h'(x)=ex﹣sinx,
x>0时,ex>1≥sinx,h'(x)>0,h(x)是增函数,即f′(x)是增函数,
所以f'(x)>f'(0)=0,因此f(x)递增,
∴f(x)的增区间是(0,+∞),减区间是(﹣∞,0);
(2)x≥0,设p(x)=f(x)﹣g(x)=ex﹣2x+sinx﹣ax2﹣1,p(0)=0满足题意,
p'(x)=ex﹣2+cosx﹣2ax,
令q(x)=p'(x)=ex﹣2+cosx﹣2ax,
则q'(x)=ex﹣sinx﹣2a,令s(x)=q'(x),
则s'(x)=ex﹣cosx≥1﹣cosx≥0,
∴s(x)即q'(x)在[0,+∞)上是增函数,q'(x)≥q'(0)=1﹣2a,
当时,q'(x)≥q'(0)=1﹣2a≥0,q(x)即p'(x)在[0,+∞)上递增,
∴p'(x)≥p'(0)=0,p(x)在[0,+∞)上递增,所以p(x)≥p(0)=0恒成立,原不等式恒成立,
当时,则q'(0)=1﹣2a<0,又q'(ln(2a+2))=2﹣sin(ln(2a+2))>0,
∴存在x0∈(0,ln(2a+2)),值得q'(x0)=0,0<x<x0时,q′(x)<0,q(x)也即p'(x)递减,x>x0时,q′(x)>0,q(x)也即p'(x)递增,
又p'(0)=0,
∴0<x<x0时,p'(x0)<0,从而p(x)递减,
于是p(x)<p(0)=0不合题意,
综上,a的取值范围是.
10.已知函数f(x)=2sinx﹣xcosx﹣x,f′(x)为f(x)的导数.
(1)证明:f′(x)在区间(0,π)存在唯一零点;
(2)若x∈[0,π]时,f(x)≥ax,求a的取值范围.
【分析】(1)令g(x)=f′(x),对g(x)再求导,研究其在(0,π)上的单调性,结合极值点和端点值不难证明;
(2)利用(1)的结论,可设f′(x)的零点为x0,并结合f′(x)的正负分析得到f(x)的情况,得出结论.
【解答】解:(1)证明:∵f(x)=2sinx﹣xcosx﹣x,
∴f′(x)=2cosx﹣cosx+xsinx﹣1=cosx+xsinx﹣1,
令g(x)=cosx+xsinx﹣1,则g′(x)=﹣sinx+sinx+xcosx=xcosx,
当x∈(0,)时,xcosx>0,当x时,xcosx<0,
∴当x时,极大值为g()0,
又g(0)=0,g(π)=﹣2,
∴g(x)在(0,π)上有唯一零点,
即f′(x)在(0,π)上有唯一零点;
(2)由题设知 f(π)⩾aπ,f(π)=0, 可得 a⩽0.
由(1)知,f′(x)在(0,π)上有唯一零点x0,
使得f′(x0)=0,且f′(x)在(0,x0)为正,在(x0,π)为负,
∴f(x)在[0,x0]递增,在[x0,π]递减,
结合f(0)=0,f(π)=0,可知f(x)在[0,π]上非负,
∴当x∈[0,π]时,f(x)≥0,
又当a≤0,x∈[0,π]时,ax≤0,∴f(x)≥ax,
∴a的取值范围是(﹣∞,0].
11.已知函数,,曲线与有且仅有一个公共点.
(1)求的值;
(2)若存在实数,,使得关于的不等式对任意正实数恒成立,求的最小值.
【答案】(Ⅰ)(Ⅱ)4
【分析】(Ⅰ)根据导数研究函数图象,再根据图象确定有且仅有一个公共点的条件,解得结果,(Ⅱ)先根据特殊值缩小的取值范围,再根据二次函数性质确定成立的条件,利用导数确定成立的条件,结合两个条件消得关于满足的条件,最后利用导数分析取值范围,即得最小值.
【详解】(1)由题意知,即,令,
则.
∵在上递增,在上增减,
∴,
∴.
(2)解法一:由题意知必有,即,
当时,,,不符合题意;
当时,有,此时,,不符合题意,
因此有,
因此 ①
令,则,
在递增,在递减,
故 ②
由①②两式知,
构造函数,则,
在递减,在递增,
故,此时.
解法二:由(1)知,,设,
可知,,
∵在恒成立,即,又,
∴,即 ①
由在恒成立,即在恒成立,
设,,则,
由得,在上单调递增,
由得,在上单调递减,
故,得 ②
由①②得 ③
存在,使得③成立的充要条件是,即,
记,显然,
,
∴在上单调递增,在上单调递减,
,,
故在存在,使,
∴不等式的解为,
∴的最小值为4,从而由③得.
创新能力提升
1.已知函数f(x)=lnx﹣ax.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)只有一个零点,求a的取值范围;
(3)设g(x)=ex﹣1+xf(x),若g(x)≥0恒成立,求a的取值范围.
【分析】(1)求导后根据a的范围分类讨论即可求解;
(2)设,由题意得g(x)=a只有一个根,由导数得出g(x)的单调性进而画出简图,数形结合即可求解;
(3)当a≤1时,g(x)=ex﹣1+xlnx﹣ax2≥ex﹣1+xlnx﹣x2,设,根据导数进而得出G(x)≥G(1)=0,即可求解.
【详解】(1)因为f(x)=lnx﹣ax,x>0,
所以,
当a≤0时,f′(x)>0,
所以f(x)在(0,+∞)单调递增;
当a>0时,令f′(x)=0,解得,
当时,f′(x)>0,即f(x)在单调递增,
当时,f′(x)<0,即f(x)在单调递减,
综上所述,当a≤0时,f(x)在(0,+∞)单调递增;
当a>0时,f(x)在单调递增,在单调递减;
(2)令f(x)=lnx﹣ax=0,则,
设,由题意得g(x)=a只有一个根,
即直线y=a与函数y=g(x)的图象只有一个交点,
对g(x)求导,得,
令g'(x)=0,解得x=e,
当x∈(0,e)时,g′(x)>0;当x∈(e,+∞)时,g′(x)<0;
所以(x)在(0,e)单调递增,在(e,+∞)单调递减,
所以,
当0<x<1时,g(x)<0;当x=1时,g(x)=0;当x>1时,g(x)>0,
作出y=g(x)的图象,如图所示:
又因为直线y=a与函数y=g(x)的图象只有一个交点,
所以a≤0或.
所以实数a的取值范围为(﹣∞,0]∪{};
(3)由g(x)=ex﹣1+xf(x)=ex﹣1+2lnx﹣ax2,
令x=1,则g(1)=1﹣a≥0,故a≤1,
当a≤1时,g(x)=ex﹣1+xlnx﹣ax2≥ex﹣1+xlnx﹣x2,
以下证明ex﹣1+xlnx﹣x2≥0,
设,
则,
令H(x)=ex﹣1﹣x,x>0,则H′(x)=ex﹣1﹣1,
令H′(x)=ex﹣1﹣1=0,解得x=1,
当x∈(0,1),H′(x)<0,则H(x)在(0,1)单调递减,
当x∈(1,+∞),H′(x)>0,则H(x)在(1,+∞)单调递增,
所以H(x)≥H(1)=0,即ex﹣1﹣x>0,
所以x∈(0,1)时,G′(x)<0,则G(x)在(0,1)单调递减,
所以x∈(1,+∞)时,G′(x)>0,则G(x)在(1,+∞)单调递增,
所以G(x)≥G(1)=0,
综上所述,实数a∈(﹣∞,1].
2.(2023年全国高考甲卷理)已知函数
(1)当时,讨论的单调性;
(2)若恒成立,求a的取值范围.
【详解】(1)
令,则
则
当
当,即.
当,即.
所以在上单调递增,在上单调递减
(2)解法一(分类讨论法)设
设
所以.
若,
即在上单调递减,所以.
所以当,符合题意.
若
当,所以.
.
所以,使得,即,使得.
当,即当单调递增.
所以当,不合题意.
综上,的取值范围为.
解法二(端点效应)
由于 , 且,
注意到当 , 即 时, 使 在 成立, 故此时 单调递减, , 不成立.
另一方面, 当 时, , 下证它小于等于 0 .
单调递减, . 特上所述: .
【点睛】关键点点睛:本题采取了换元,注意复合函数的单调性在定义域内是减函数,若,当,对应当.
3.已知函数
(1)当时,求函数的单调区间;
(2)若对,恒成立,求实数的取值范围.
【分析】(1)利用导数求函数的单调性即可;
(2)利用求出,然后分类讨论证明时,和时均成立即可.
【详解】(1)当时,,则
则或(负根舍去)
所以在时,,函数单调递减
所以在时,,函数单调递增.
(2)若对,恒成立,
则,解得:
记,
下证符合题意:
i
当时
要证,即证
将其看成关于的二次函数,且,开口向下
记,其判别式
记,则,且
则,所以在单调增
且,所以在时,,命题成立;
在时,因为的对称轴随着增加而增加,
所以对称轴,因为 ,
,所以的图像都在对称轴的左边,所以
所以在和时,有成立.
ii
当时,因为,所以
记,则
令,得
左右平方
左右平方
所以,知在,,则在上单调递增,所以
即在时,,题设成立
综上所述,当,恒成立.
4.(2022·新高考全国Ⅱ卷)已知函数.
(1)当时,讨论的单调性;
(2)当时,,求a的取值范围;
(3)设,证明:.
【分析】(1)求出,讨论其符号后可得的单调性.
(2)设,求出,先讨论时题设中的不等式不成立,再就结合放缩法讨论符号,最后就结合放缩法讨论的范围后可得参数的取值范围.
(3)由(2)可得对任意的恒成立,从而可得对任意的恒成立,结合裂项相消法可证题设中的不等式.
【解析】(1)当时,,则,
当时,,当时,,
故的减区间为,增区间为.
(2)设,则,
又,设,
则,
若,则,
因为为连续不间断函数,
故存在,使得,总有,
故在为增函数,故,
故在为增函数,故,与题设矛盾.
若,则,
下证:对任意,总有成立,
证明:设,故,
故在上为减函数,故即成立.
由上述不等式有,
故总成立,即在上为减函数,
所以.
当时,有,
所以在上为减函数,所以.
综上,.
(3)取,则,总有成立,
令,则,
故即对任意的恒成立.
所以对任意的,有,
整理得到:,
故
,
故不等式成立.
5.(2024·新课标Ⅰ卷·高考真题)已知函数
(1)若,且,求的最小值;
(2)证明:曲线是中心对称图形;
(3)若当且仅当,求的取值范围.
【答案】(1)
(2)证明见解析
(3)
【分析】(1)求出后根据可求的最小值;
(2)设为图象上任意一点,可证关于的对称点为也在函数的图像上,从而可证对称性;
(3)根据题设可判断即,再根据在上恒成立可求得.
【详解】(1)时,,其中,
则,
因为,当且仅当时等号成立,
故,而成立,故即,
所以的最小值为.,
(2)的定义域为,
设为图象上任意一点,
关于的对称点为,
因为在图象上,故,
而,
,
所以也在图象上,
由的任意性可得图象为中心对称图形,且对称中心为.
(3)因为当且仅当,故为的一个解,
所以即,
先考虑时,恒成立.
此时即为在上恒成立,
设,则在上恒成立,
设,
则,
当,,
故恒成立,故在上为增函数,
故即在上恒成立.
当时,,
故恒成立,故在上为增函数,
故即在上恒成立.
当,则当时,
故在上为减函数,故,不合题意,舍;
综上,在上恒成立时.
而当时,
而时,由上述过程可得在递增,故的解为,
即的解为.
综上,.
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重难点培优04 恒成立问题中的秒杀技——必要性探路
(含端点效应)
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01 知识重构·重难梳理固根基 1
02 题型精研·技巧通法提能力 4
题型01 端点效应(★★★★★) 4
题型02 探路策略之二:内点效应(★★★★★) 5
题型03 探路策略三:显点效应(★★★★★) 6
题型04 必要性探路策略之四:极点效应(★★★★★) 8
03实战检测·分层突破验成效 10
重难知识巩固 10
创新能力提升 13
知识重构·重难梳理固根基
知识点01 诠释必要性探路
1.必要性探路思路
必要性探路就是指一类函数的恒成立问题,可以通过取函数定义域内某个特殊值或几个特殊值,先得到一个必要条件,初步获取参数的范围,再在该范围内讨论,去验证其充分条件,进而解决问题的方法(端点效应法其实就是特殊的必要性探路,特殊值为端点).必要性探路求出的参数并不一定就是所求的实际范围,但可以限定问题成立的大前提,缩小参数讨论的范围,在一定程度上可以减少分类讨论的类别,降低了思维成本.
2.必要性探路的基本步骤
⑴探究必要条件,缩小参数范围:在给定的范围内取特殊值,然后由不等式成立求出参数的取值范围,该取值范围即为不等式恒成立的一个必要条件,接下来探究其充分性. 选择的特殊值可以为端点值、极值点、不等式公共取等条件、常见特殊数(如0,1,e,e2等).
⑵证明充分性,求结果:利用第一步中的参数的范围去判定函数是否单调.
①如果函数单调,则由端点得到的范围就是最终答案;
②如果函数不单调,则利用端点确定的范围进一步确定函数的最值.
【注意】这种必要性探路法所求的参数范围不一定是所求的实际范围,但是可以先定问题成立的大前提,缩小参数的讨论范围,一定程度上降低了思维成本.
知识点02 必要性探路策略之一:端点效应
1.端点效应的定义
恒成立问题中, 我们常常能见到类似的命题: “对于任意的 , 都有 恒成立”,这里的端点 , 往往是使结论成立的临界条件, 因此, 如果能利用好这两个值, 能方便解题,比如对于上述的命题,观察和的取值,这种观察区间端点值来解决问题的做法, 我们称之为端点效应
2.端点效应的核心思想
利用端点处所需满足的必要条件缩小参数的取值范围, 而在很多情况下, 该范围即为所求.
3.端点效应的解题思路
(1)利用端点处函数值或导数值满足的条件,初步获得参数的取值范围,这个范围是不等式恒成立的必要条件.
(2)利用所得出的参数范围判断函数在定义域内是否单调.
(3)若函数在限定参数范围内单调,则必要条件即为充要条件,问题解决.若不单调,则需进一步讨论,直至得到使不等式恒成立的充要条件.
知识点03 必要性探路策略之二:内点效应
端点效应失效时, 可以考虑内点效应.
1.内点效应的实质
函数不在端点处取得最值, 而是在区间中间某个点 (即内点) 取得最值, 或者在端点和内点同时取得最小值.
2.利用图象区分端点效应和内点效应
满足端点效应的函数的如左下图, 满足内点效应的函数的图象如右下图.
3.解题的关键
关键是如何找到“内点”,一般可以通过方程组 解出内点 ,但有些题目很难找出来, 此时往往可用 “导中切”来解答.
知识点04 必要性探路策略之三:显点效应
显点中的的“点”是取所给区间内的特殊点,因而显点效应也称特殊点效应, 显点效应是内点效应的补充,当函数取最值的点不易找到时,可通过找所给区间内的其他点,缩小参数的取值范围,再借助其他方法求得参数的准确范围.
⑴出现对数时,常考虑 (猜想) 特殊点 .
⑵出现指数时, 考虑 (猜想) 特殊点 0,1 .
⑶出现三角函数时,考虑 (猜想) 特殊点 等.
知识点05 必要性探路策略之四:极值点效应
极值点效应也称极点效应, 也就是函数的极值点和零点是同一个数, 并且这个数必须是定义域 “内点”.
(1)满足极点效应的函数只能在定义域中间某个点取得最值. 如果在端点处取得最值, 则不能用极点效应这种方法做题.
(2)极点效应的实质是费马引理: 设函数在点的某个邻域 内有定义,并且在 处可导,如果对 都有 (或 ),则 ,即在开区间内,函数最值一定是函数的某个局部极值, 可导函数的极值点是导函数的零点.
(3)在高考数学中, 我们可以将“函数不等式恒成立问题”转化为函数最值, 再转化为函数极值, 利用费马引理分析极值点效应, 这本质上就是一种探路思想.
题型精研·技巧通法提能力
题型01 端点效应
【技巧通法·提分快招】
端点效应是必要条件探路法的一种特例,利用端点处函数值的特殊性,先得到必要条件,再证明其充分性,思路简捷.端点效应的使用原理:
(1)如果函数在区间上,恒成立,则或.
(2)如果函数在区问上,恒成立,且(或),则(或).
(3)如果函数在区问上,恒成立,且(或,)则(或).
【注意】(1) 用端点效应能做的题, 也可以用 “分离参数法”做题, 但是有时需要用到洛必达法则来求极限. 由于在高考改卷时, 使用洛必达法则有可能会扣分, 故提倡用端点效应求解;
(2)当满足端点效应时, 可以分离常数, 此时用到洛必达法则. 不满足端点效应时, 洛必达法则失效. 端点效应失效时, 可以考虑必要性探路方法二: 内点效应.
1.(2024·全国甲卷 节选)已知函数.当时,,求的取值范围.
2.已知f(x)=ln(ax+1)+ (x≥1),若f(x)≥ln 2恒成立,求实数a的取值范围.
3.已知,对,恒成立,求实数的取值范围.
4.已知函数.
(1)若为的极值点,求;
(2)当时,恒成立,求的取值范围.
题型02 探路策略之二:内点效应
【技巧通法·提分快招】
利用内点效应解题的关键是找到“内点”,一般可以通过方程组 解出内点,但有些题目很难找出来, 此时往往可用 “导中切”来解答.
1.设函数 . 若当 时, ,求实数的取值范围.
2. (2020 年全国 I 卷理科第 21 题 (2)) 已知函数 . 当时, 1,求a的取值范围.
3.已知函数,,若恒成立,求实数的取值范围.
题型03 探路策略三:显点效应
【技巧通法·提分快招】
显点中的的“点”是取所给区间内的特殊点,因而显点效应也称特殊点效应,当函数取最值的点不易找到时,可通过找所给区间内的其他点,缩小参数的取值范围,再借助其他方法求得参数的准确范围.
1.已知函数 . 若恒成立,求 的取值范围.
2.已知函数,.
(1)若,证明:函数单调递增;
(2)若,恒成立,求的取值范围.
3.(25-26高二下·广东深圳·期末)已知函数,.
(1)当时,求曲线在点处的切线的斜率;
(2)当时,讨论函数的单调性;
(3)若对任意,恒成立,求实数的取值范围.
4.已知函数,.
(1)讨论函数的单调性;
(2)当时,若对任意的,都有成立,求实数的取值范围.
题型04 必要性探路策略之四:极点效应
【技巧通法·提分快招】
极点效应核心是找到函数的极值点(极点),利用极点处“导数值为 0、函数值为临界值”的特征,搭建参数与函数性质的关联,本质是端点效应的延伸.
1.已知函数 ,若 对任意 恒成立,利用极点效应求实数 的取值范围.
2.已知,函数,,是否存在实数,使恒成立?若存在,求出实数的取值集合;若不存在,请说明理由.
3.已知函数 ,若 对任意 恒成立,求实数 的取值范围.
4.已知函数f(x)=ln(x+1)-,a≥0.
(1)当a=1时,求f(x)在(0,+∞)上的零点个数;
(2)若关于x的不等式ln-≤x-a2e(x-1)-在(1,+∞)上恒成立,求实数a的取值范围.
实战检测·分层突破验成效
重难知识巩固
1.若函数在(﹣∞,+∞)上单调递增,则a的取值范围为( )
A. B. C. D.[﹣1,1]
2.已知函数f(x)=axln x-xa,其中a∈R.
若f(x)在(1,+∞)上单调递减,求正数a的取值范围.
3.若,且在上恒成立,求的值.
4.已知函数,若当时,,求实数a的取值范围.
5.(2019·全国Ⅰ卷 文科)已知函数,为的导数.
(1)证明:在区间存在唯一零点;
(2)若时,,求的取值范围.
6.已知函数,.
(1)求函数的单调区间;
(2)若函数,当时,恒成立,求实数的取值范围.
7.设函数f(x)=x(ex﹣1)﹣ax2.
(1)若a,求f(x)的单调区间;
(2)若当x≥0时,f(x)≥0,求a的取值范围.
8.设函数f(x)=x(ex﹣1)﹣ax2,a∈R,其中e为自然对数的底数.
(1)若a,求f(x)的单调递增区间;
(2)若当x≥0时,f(x)≥0恒成立,求实数a的取值范围.
9.已知函数f(x)=ex﹣2x+sinx,函数g(x)=ax2+1(a∈R).
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若对任意的x≥0,f(x)≥g(x)恒成立,求实数a的取值范围.
10.已知函数f(x)=2sinx﹣xcosx﹣x,f′(x)为f(x)的导数.
(1)证明:f′(x)在区间(0,π)存在唯一零点;
(2)若x∈[0,π]时,f(x)≥ax,求a的取值范围.
11.已知函数,,曲线与有且仅有一个公共点.
(1)求的值;
(2)若存在实数,,使得关于的不等式对任意正实数恒成立,求的最小值.
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1.已知函数f(x)=lnx﹣ax.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)只有一个零点,求a的取值范围;
(3)设g(x)=ex﹣1+xf(x),若g(x)≥0恒成立,求a的取值范围.
2.(2023年全国高考甲卷理)已知函数
(1)当时,讨论的单调性;
(2)若恒成立,求a的取值范围.
3.已知函数
(1)当时,求函数的单调区间;
(2)若对,恒成立,求实数的取值范围.
4.(2022·新高考全国Ⅱ卷)已知函数.
(1)当时,讨论的单调性;
(2)当时,,求a的取值范围;
(3)设,证明:.
5.(2024·新课标Ⅰ卷·高考真题)已知函数
(1)若,且,求的最小值;
(2)证明:曲线是中心对称图形;
(3)若当且仅当,求的取值范围.
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