内容正文:
函数与导数之双变量与对数平均
高三数学专题复习 · 专题第四讲
0 题型概说
本讲研究的问题:压轴解答中出现 ,( )两个动点,条件给出 、 与 同时成立、双零点等对称关系,待证或待求的目标含 、、、 这类对称结构。处理手段有三:对称化构造——把结论转化为同一个一元差函数的符号问题;比值代换——令 把双变量一元化;韦达定理转化——当 , 是二次方程的两根时,用 与 整体代入。
识别信号总览:
条件与目标的特征
方法指向
单元
( ),证 、 的范围
对称化构造一元差函数
单元一
可化为 , 的显式关系
比值代换
单元二
, 是 (二次型)的两根
用韦达定理整体代入
单元三
目标含 或
对数平均不等式;单调性去绝对值
单元四
单元一 对称化构造
1.1 识别特征
条件为 ( ),且 在定义域内先增后减(或先减后增),有一个峰(谷)点 ;目标为证明 大于(小于)某常数 ,或 与某数比较。
1.2 结论与推导
结论 1.1(对称化构造的原理) 在峰点 两侧分别单调,( )。要证 ( 与 落在同一单调区间内),由 在该侧单调,等价转化为 (递减侧)或 (递增侧);再用 归结为一元差函数在 所在区间上的符号问题。
推导:单调函数保序——在同一单调区间内,(递增)或 (递减)。
结论 1.2(差函数的选取) 证 取 ,构造 ;证 取 ,构造 。 的选取原则:使 与 落在同一单调区间内,且 可与 直接作差。
推导:目标不等式的等价变形——;。
结论 1.3(等值点的分布) 在 上递增、在 上递减时,( )必有 :两点落在同一单调区间内时函数值必不相等。
推导:单调区间内函数一一对应,函数值相等的两点必分居峰(谷)点两侧。
1.3 方法决策表
步骤
内容
① 定位
不妨设 ,由 与两侧单调性确定 , 所在的单调区间(结论 1.3)
② 转化
把结论改写为 (或 ),由单调性转化为函数值的比较(结论 1.1)
③ 构造
利用 ,化为一元差函数 在 所在区间上的符号问题(符号方向由单调侧决定,见结论 1.2)
④ 定号
对 求导,判定 的单调性,与端点值比较得符号
差函数的形态由目标的常数 决定(结论 1.2)。
例题精讲
例 1(单项选择题)
已知函数 ( ),则 的极大值为( )
A. B. C. D.
●解析 。令 得 : 时 , 递增; 时 , 递减。故极大值 ,无极小值。
【答案】A
例 2(解答题)
已知函数 ( )。若存在两个不相等的正实数 , 使 ,证明:。
●解析 由结论 1.3,不妨设 , 在 上递增、 上递减,且 。
要证 ,即证 。由 且 (因 ), 在 上单调递减,由结论 1.1,只需证
,即 。
构造 ,。求导:
。
时 且 ,故 , 在 上单调递增,从而
,即 对 成立。
取 ,得 ,即 。由 在 上单调递减,且 、,得 ,即 。
【答案】证毕(见解析)。
例 3(解答题)
已知函数 ( )。若存在 ,,,使得 ,求 的最大值。
●解析 。( )要求 在 内先减后增:,且极小值点 落在 内,得 。
由结论 1.3,不妨设 : 在递减段上, 在递增段上。比较 与 :若 ,则 同在递减段上,;若 ,则 与 同在递增段上, 给出 。两种情形均有 ,即
,化简得 。
记 ( ),求导得 (分子两项均为负,分母为正),故 单调递减, 的最大值 。当 ,, 时验证:,,成立。故 的最大值为 。
【答案】
变式训练
变 1(单项选择题)
接例 1:若存在两个不相等的正实数 , 使 ,则 , 满足( )
A. B. C. D.
●解析 由结论 1.3, 在 上递增、 上递减, 且 时必有 :若 ,则 在 上递增,得 ,矛盾。D 的 与例 2 将证的 相反,错误;B、C 与峰点位置不符。
【答案】A
变 2(单项选择题)
接例 2 的函数与条件,则 与 的大小关系为( )
A. B. C. D.不能确定
●解析 由例 2,,两边取对数得 。
【答案】A
变 3(单项选择题)
接例 3: 时,满足 ( )的 的极值点位置为( )
A. 与 之间 B. C. D.
●解析 得 ,介于 与 之间,与 、 一致。
【答案】B
单元二 比值代换
2.1 识别特征
(双零点)或类似条件,经整理可解出 与 用同一参数表示的显式关系;目标式含 或 型齐次结构。
2.2 结论与推导
结论 2.1(典型关系的代换公式) ( ),令 :由 得 ,又 ,联立解出
, , , 。
推导:两个关系式联立,消去 即得。
结论 2.2(一般双零点的比值代换) 相减得到 型关系时,令 ,即 ,代入解出 (用 表示),双变量问题化为一元问题。
推导:,,代入整理即得。
结论 2.3(齐次结构一元化) 目标式中的 、、、 全部换成 的表达式后,按一元函数处理:求导定单调,结合 的范围求目标的最值或范围。
推导:代换后只含一个变量 ,余下为一元函数的常规研究。
2.3 方法决策表
步骤
内容
① 建立关系
由 或 整理出含 , 的等式
② 设比值
令 ,代入 ,解出 (用 表示)
③ 一元化
目标式中的 ,,, 全部换成 的表达式
④ 求导定界
对 的一元函数求导,确定单调区间与最值; 的范围由 , 的位置给出
( )是典型关系,代换公式见结论 2.1。
例题精讲
例 4(单项选择题)
已知 ( ),令 ( ),则 等于( )
A. B. C. D.
●解析 按结论 2.1:,故 ;又 ,代入得 ,解出 (相应 )。
【答案】A
例 5(解答题)
已知函数 ( )有两个零点 ,( )。证明:。
●解析 。
当 时 , 在 上递减,至多一个零点,不符。
当 时, 在 上递增、 上递减,极大值 。两个零点要求极大值大于零,且当 从右侧趋近于 时 趋于 、当 趋于 时 趋于 ,由结论 1.3,两零点分居极大值点两侧,。
先证 :反设 。由 且 在 上递增,得 ,与 矛盾,故 。再由 、 在 上递减且当 趋于 时 趋于 ,第二个零点 。
【答案】证毕:。
例 6(单项选择题)
已知函数 ,方程 有两个不相等的正实根 ,则该方程等价于( )
A. B. C. D.
●解析 ,,方程即 ,化简得 。
【答案】B
变式训练
变 4(填空题)
接例 4:则 = ________(用 表示)。
●解析 由结论 2.1,。
【答案】
变 5(填空题)
接例 5 与条件 :设 ( ),则 = ________(用 表示)。
●解析 时 ,两零点满足 ,相减(结论 2.2):
。
令 ,则 ,代入:,解出
。
【答案】( )。
变 6(单项选择题)
接例 6: 有两个不相等的正实根时, 的取值范围是( )
A. B. C. D.
●解析 等价于 ( )。记 ,由例 1, 在 上递增、 上递减,峰值为 ;当 从右侧趋近于 时 趋于 ,当 趋于 时 趋于 。由结论 1.3,两个正根分居峰点 两侧,等价于 。
【答案】A
单元三 韦达定理转化
3.1 识别特征
, 是 的两根且 的分子为二次多项式(如 、 ),目标为 、 与给定不等式的比较。
3.2 结论与推导
结论 3.1(韦达关系的读出) , 是二次方程 ( )的两根时,,,不必解出根。
推导:韦达定理;两根存在的前提由判别式与定义域另行保证。
结论 3.2(成组替换) ;( , )。 展开后,把 、、 成组替换,得到参数的一元函数,再对参数求导解不等式。
推导:恒等式展开;对数运算法则。
结论 3.3(换元后的韦达) 方程含 结构时,令 换元,化为 的二次方程,韦达关系移交给 ,;需转回 时取对数,如 。
推导: 是一一对应,,取对数即得。
3.3 方法决策表
步骤
内容
① 读出韦达关系
由二次方程读出 与 (用参数表示)
② 整体代入
展开后成组替换(结论 3.2)
③ 化参数函数
代入后得到参数的一元函数,对参数求导解不等式
④ 含 时
先换元 再用韦达(结论 3.3)
例题精讲
例 7(解答题)
已知函数 ( )有两个不同的极值点 ,。证明:,并用 表示 与 。
●解析 。, 是 的两根,需 且两根为正:两根之积为 、之和为 ,故 。
由结论 3.1 读出韦达关系:,。
【答案】证毕;,。
例 8(单项选择题)
已知 ( )有两个极值点 ,,则 与 分别为( )
A., B., C., D.,
●解析 ,极值点满足 。由结论 3.1:,。
【答案】A
例 9(解答题)
接例 8 与变 9:证明 ,其中 。
●解析 。
由 得 ,又 ,代入第三项:
。
于是含 的两项合并为 。故
。
记 :,得 。
【答案】证毕(见解析)。
例 10(填空题)
设方程 的两个根为 ,,则 = ________。
●解析 ,方程即 。按结论 3.3 换元:设 ,则 ,两根 ,即 ,取对数得 。
【答案】
变式训练
变 7(解答题)
接例 7:把 用 表示。
●解析 按结论 3.2 展开:
。
代入 ,:。
【答案】。
变 8(解答题)
接例 7 与变 7:若 ,求 的取值范围。
●解析 条件即 ,整理得
。
记 ( ),。 时 , 单调递增;。故 的解为 。
【答案】
变 9(单项选择题)
接例 8:若 ,则 的取值范围是( )
A. B. C. D.
●解析 即 ;又 ,故 。取交集得 。
【答案】A
变 10(解答题)
接例 9:求 在 上的最大值。
●解析 ( ,结论 4.2 的同型函数)。
在 上单调递增,最大值 。
【答案】。
变 11(解答题)
接例 10:求 。
●解析 由 得 ,故 。又 满足 ,两根为 ;由 知 , 一正一负,不妨取 ,则 ,故 ,
,,故 。
【答案】。
单元四 对数平均不等式与绝对值差
4.1 识别特征
目标含 ( , 的对数平均的反倒数)与 、 的比较;或目标为 与 的比较。
4.2 结论与推导
结论 4.1(对数平均不等式) , 且 时,。证明用比值代换:令 ,两侧分别化为 与 的单边证明。
推导:,两个不等式两边同除以 后即得上两式,求导证明见本讲例题。
结论 4.2(单边函数的定号) ( ):, 单调递增,故 ( 时取等)。这类”对数减有理式”的函数,导数通分后常可因式分解出 。
推导:直接求导、通分、因式分解。
结论 4.3(绝对值差与单调性) 在区间 上单调递增时, 对一切 成立 在 上单调递增( 单调递减时,相应条件为 在 上单调递减)。
推导:不妨设 ,递增时 、,故条件即 ,这正是 单调递增。
4.3 方法决策表
工具
内容
对数平均不等式
(结论 4.1,可直接引用其结论)
单边证明的构造
证 ( ):移项求导,通分后因式分解定号(结论 4.2)
绝对值差
不妨设 去掉绝对值,化为 (或 )的单调性(结论 4.3)
对数平均不等式在双零点问题中常与”两零点差值关系”配合使用:先由 化出 与 的关系,再代入不等式。
例题精讲
例 11(解答题)
证明:对任意 且 ,。
●解析 不妨设 。按结论 4.1 作比值代换,记 ,则
,。
目标不等式两边同除 ,等价于 ,即 ( )。
记 ( ),,由结论 4.2,
( )。
在 上单调递增,故 ,即 成立。代回即得原不等式。
【答案】证毕(见解析)。
例 12(解答题)
已知函数 ( )。证明:对任意 ,,。
●解析 (均值不等式 , 时取等; ),故 在 上单调递增。
由结论 4.3,只需证 单调递增:
,
故 单调递增。不妨设 ,则 ,即 ,而 保证左边去掉绝对值无误。
【答案】证毕(见解析)。
例 13(解答题)
已知函数 ( )有两个零点 ,( )。证明:。
●解析 由 得 ,,即 。零点只能为正( 时 ,等式无解),故 。记 ,: 时 递减、 时递增, 为最小值。 与 的图象有两个交点,必分居 两侧(同一单调段内至多一个交点),故 (且 )。
由 , 相除得 ,取对数
。
代入对数平均不等式(例 11 已证,取 , ):。
左端为 ,故 ,即 。
【答案】证毕(见解析)。
变式训练
变 12(单项选择题)
接例 11 的方法, 与 ( )的大小关系为( )
A. B. C. D.不能确定
●解析 令 ,结论等价于 ,即 ( )。记 ,,
( )。
递减,,即 成立,故 ,代回得 。
【答案】A
变 13(单项选择题)
接例 12 的函数, 在 上单调递增的充要条件是( )
A. B. C. D.
●解析 。 时导数恒非负, 单调递增; 时在 处导数为 , 不单调递增。故充要条件为 。
【答案】A
变 14(解答题)
接例 13:证明 。
●解析 记 (结论 2.2 的比值代换)。由例 13:,且 给出 ,故 ,即 ,。于是
。
要证 ,即证 ,即 ( )——这正是变 12 已证的不等式。代回即得 。
【答案】证毕(引用变 12 的不等式 )。
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函数与导数之双变量与对数平均
高三数学专题复习 · 专题第四讲
0 题型概说
本讲研究的问题:压轴解答中出现 ,( )两个动点,条件给出 、 与 同时成立、双零点等对称关系,待证或待求的目标含 、、、 这类对称结构。处理手段有三:对称化构造——把结论转化为同一个一元差函数的符号问题;比值代换——令 把双变量一元化;韦达定理转化——当 , 是二次方程的两根时,用 与 整体代入。
识别信号总览:
条件与目标的特征
方法指向
单元
( ),证 、 的范围
对称化构造一元差函数
单元一
可化为 , 的显式关系
比值代换
单元二
, 是 (二次型)的两根
用韦达定理整体代入
单元三
目标含 或
对数平均不等式;单调性去绝对值
单元四
单元一 对称化构造
1.1 识别特征
条件为 ( ),且 在定义域内先增后减(或先减后增),有一个峰(谷)点 ;目标为证明 大于(小于)某常数 ,或 与某数比较。
1.2 结论与推导
结论 1.1(对称化构造的原理) 在峰点 两侧分别单调,( )。要证 ( 与 落在同一单调区间内),由 在该侧单调,等价转化为 (递减侧)或 (递增侧);再用 归结为一元差函数在 所在区间上的符号问题。
推导:单调函数保序——在同一单调区间内,(递增)或 (递减)。
结论 1.2(差函数的选取) 证 取 ,构造 ;证 取 ,构造 。 的选取原则:使 与 落在同一单调区间内,且 可与 直接作差。
推导:目标不等式的等价变形——;。
结论 1.3(等值点的分布) 在 上递增、在 上递减时,( )必有 :两点落在同一单调区间内时函数值必不相等。
推导:单调区间内函数一一对应,函数值相等的两点必分居峰(谷)点两侧。
1.3 方法决策表
步骤
内容
① 定位
不妨设 ,由 与两侧单调性确定 , 所在的单调区间(结论 1.3)
② 转化
把结论改写为 (或 ),由单调性转化为函数值的比较(结论 1.1)
③ 构造
利用 ,化为一元差函数 在 所在区间上的符号问题(符号方向由单调侧决定,见结论 1.2)
④ 定号
对 求导,判定 的单调性,与端点值比较得符号
差函数的形态由目标的常数 决定(结论 1.2)。
例题精讲
例 1(单项选择题)
已知函数 ( ),则 的极大值为( )
A. B. C. D.
●解析 。令 得 : 时 , 递增; 时 , 递减。故极大值 ,无极小值。
例 2(解答题)
已知函数 ( )。若存在两个不相等的正实数 , 使 ,证明:。
●解析 由结论 1.3,不妨设 , 在 上递增、 上递减,且 。
要证 ,即证 。由 且 (因 ), 在 上单调递减,由结论 1.1,只需证
,即 。
构造 ,。求导:
。
时 且 ,故 , 在 上单调递增,从而
,即 对 成立。
取 ,得 ,即 。由 在 上单调递减,且 、,得 ,即 。
例 3(解答题)
已知函数 ( )。若存在 ,,,使得 ,求 的最大值。
●解析 。( )要求 在 内先减后增:,且极小值点 落在 内,得 。
由结论 1.3,不妨设 : 在递减段上, 在递增段上。比较 与 :若 ,则 同在递减段上,;若 ,则 与 同在递增段上, 给出 。两种情形均有 ,即
,化简得 。
记 ( ),求导得 (分子两项均为负,分母为正),故 单调递减, 的最大值 。当 ,, 时验证:,,成立。故 的最大值为 。
变式训练
变 1(单项选择题)
接例 1:若存在两个不相等的正实数 , 使 ,则 , 满足( )
A. B. C. D.
变 2(单项选择题)
接例 2 的函数与条件,则 与 的大小关系为( )
A. B. C. D.不能确定
变 3(单项选择题)
接例 3: 时,满足 ( )的 的极值点位置为( )
A. 与 之间 B. C. D.
单元二 比值代换
2.1 识别特征
(双零点)或类似条件,经整理可解出 与 用同一参数表示的显式关系;目标式含 或 型齐次结构。
2.2 结论与推导
结论 2.1(典型关系的代换公式) ( ),令 :由 得 ,又 ,联立解出
, , , 。
推导:两个关系式联立,消去 即得。
结论 2.2(一般双零点的比值代换) 相减得到 型关系时,令 ,即 ,代入解出 (用 表示),双变量问题化为一元问题。
推导:,,代入整理即得。
结论 2.3(齐次结构一元化) 目标式中的 、、、 全部换成 的表达式后,按一元函数处理:求导定单调,结合 的范围求目标的最值或范围。
推导:代换后只含一个变量 ,余下为一元函数的常规研究。
2.3 方法决策表
步骤
内容
① 建立关系
由 或 整理出含 , 的等式
② 设比值
令 ,代入 ,解出 (用 表示)
③ 一元化
目标式中的 ,,, 全部换成 的表达式
④ 求导定界
对 的一元函数求导,确定单调区间与最值; 的范围由 , 的位置给出
( )是典型关系,代换公式见结论 2.1。
例题精讲
例 4(单项选择题)
已知 ( ),令 ( ),则 等于( )
A. B. C. D.
●解析 按结论 2.1:,故 ;又 ,代入得 ,解出 (相应 )。
例 5(解答题)
已知函数 ( )有两个零点 ,( )。证明:。
●解析 。
当 时 , 在 上递减,至多一个零点,不符。
当 时, 在 上递增、 上递减,极大值 。两个零点要求极大值大于零,且当 从右侧趋近于 时 趋于 、当 趋于 时 趋于 ,由结论 1.3,两零点分居极大值点两侧,。
先证 :反设 。由 且 在 上递增,得 ,与 矛盾,故 。再由 、 在 上递减且当 趋于 时 趋于 ,第二个零点 。
例 6(单项选择题)
已知函数 ,方程 有两个不相等的正实根 ,则该方程等价于( )
A. B. C. D.
●解析 ,,方程即 ,化简得 。
变式训练
变 4(填空题)
接例 4:则 = ________(用 表示)。
变 5(填空题)
接例 5 与条件 :设 ( ),则 = ________(用 表示)。
变 6(单项选择题)
接例 6: 有两个不相等的正实根时, 的取值范围是( )
A. B. C. D.
单元三 韦达定理转化
3.1 识别特征
, 是 的两根且 的分子为二次多项式(如 、 ),目标为 、 与给定不等式的比较。
3.2 结论与推导
结论 3.1(韦达关系的读出) , 是二次方程 ( )的两根时,,,不必解出根。
推导:韦达定理;两根存在的前提由判别式与定义域另行保证。
结论 3.2(成组替换) ;( , )。 展开后,把 、、 成组替换,得到参数的一元函数,再对参数求导解不等式。
推导:恒等式展开;对数运算法则。
结论 3.3(换元后的韦达) 方程含 结构时,令 换元,化为 的二次方程,韦达关系移交给 ,;需转回 时取对数,如 。
推导: 是一一对应,,取对数即得。
3.3 方法决策表
步骤
内容
① 读出韦达关系
由二次方程读出 与 (用参数表示)
② 整体代入
展开后成组替换(结论 3.2)
③ 化参数函数
代入后得到参数的一元函数,对参数求导解不等式
④ 含 时
先换元 再用韦达(结论 3.3)
例题精讲
例 7(解答题)
已知函数 ( )有两个不同的极值点 ,。证明:,并用 表示 与 。
●解析 。, 是 的两根,需 且两根为正:两根之积为 、之和为 ,故 。
由结论 3.1 读出韦达关系:,。
例 8(单项选择题)
已知 ( )有两个极值点 ,,则 与 分别为( )
A., B., C., D.,
●解析 ,极值点满足 。由结论 3.1:,。
例 9(解答题)
接例 8 与变 9:证明 ,其中 。
●解析 。
由 得 ,又 ,代入第三项:
。
于是含 的两项合并为 。故
。
记 :,得 。
例 10(填空题)
设方程 的两个根为 ,,则 = ________。
●解析 ,方程即 。按结论 3.3 换元:设 ,则 ,两根 ,即 ,取对数得 。
变式训练
变 7(解答题)
接例 7:把 用 表示。
变 8(解答题)
接例 7 与变 7:若 ,求 的取值范围。
变 9(单项选择题)
接例 8:若 ,则 的取值范围是( )
A. B. C. D.
变 10(解答题)
接例 9:求 在 上的最大值。
变 11(解答题)
接例 10:求 。
单元四 对数平均不等式与绝对值差
4.1 识别特征
目标含 ( , 的对数平均的反倒数)与 、 的比较;或目标为 与 的比较。
4.2 结论与推导
结论 4.1(对数平均不等式) , 且 时,。证明用比值代换:令 ,两侧分别化为 与 的单边证明。
推导:,两个不等式两边同除以 后即得上两式,求导证明见本讲例题。
结论 4.2(单边函数的定号) ( ):, 单调递增,故 ( 时取等)。这类”对数减有理式”的函数,导数通分后常可因式分解出 。
推导:直接求导、通分、因式分解。
结论 4.3(绝对值差与单调性) 在区间 上单调递增时, 对一切 成立 在 上单调递增( 单调递减时,相应条件为 在 上单调递减)。
推导:不妨设 ,递增时 、,故条件即 ,这正是 单调递增。
4.3 方法决策表
工具
内容
对数平均不等式
(结论 4.1,可直接引用其结论)
单边证明的构造
证 ( ):移项求导,通分后因式分解定号(结论 4.2)
绝对值差
不妨设 去掉绝对值,化为 (或 )的单调性(结论 4.3)
对数平均不等式在双零点问题中常与”两零点差值关系”配合使用:先由 化出 与 的关系,再代入不等式。
例题精讲
例 11(解答题)
证明:对任意 且 ,。
●解析 不妨设 。按结论 4.1 作比值代换,记 ,则
,。
目标不等式两边同除 ,等价于 ,即 ( )。
记 ( ),,由结论 4.2,
( )。
在 上单调递增,故 ,即 成立。代回即得原不等式。
例 12(解答题)
已知函数 ( )。证明:对任意 ,,。
●解析 (均值不等式 , 时取等; ),故 在 上单调递增。
由结论 4.3,只需证 单调递增:
,
故 单调递增。不妨设 ,则 ,即 ,而 保证左边去掉绝对值无误。
例 13(解答题)
已知函数 ( )有两个零点 ,( )。证明:。
●解析 由 得 ,,即 。零点只能为正( 时 ,等式无解),故 。记 ,: 时 递减、 时递增, 为最小值。 与 的图象有两个交点,必分居 两侧(同一单调段内至多一个交点),故 (且 )。
由 , 相除得 ,取对数
。
代入对数平均不等式(例 11 已证,取 , ):。
左端为 ,故 ,即 。
变式训练
变 12(单项选择题)
接例 11 的方法, 与 ( )的大小关系为( )
A. B. C. D.不能确定
变 13(单项选择题)
接例 12 的函数, 在 上单调递增的充要条件是( )
A. B. C. D.
变 14(解答题)
接例 13:证明 。
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