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- 2021-06-16 发布
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第5节 导数与不等式
考试要求 1.能利用导数证明简单的不等式;2.已知不等式恒(能)成立,会求参数的取值范围.
知 识 梳 理
1.证明不等式时,可构造函数,将问题转化为函数的极值或最值问题.
2.求解不等式恒成立或有解问题,可以考虑将参数分离出来,将参数范围问题转化为研究新函数值域的问题.
3.不等式能成立看作不等式有解问题.
[常用结论与易错提醒]
与不等式有关的结论
(1)对任意x,f(x)>g(x)⇔f(x)-g(x)>0⇔[f(x)-g(x)]min>0.
(2)对任意x1,x2,f(x1)>g(x2)⇔f(x)min>g(x)max.
(3)存在x1,x2,f(x1)>g(x2)⇔f(x)max>g(x)min.
(4)对任意x,存在x0,f(x)>g(x0)⇔f(x)min>g(x)min.
(5)f(x)≥a或f(x)≤a对x∈D恒成立⇔f(x)min≥a或f(x)max≤a.
(6)若存在x∈D,使f(x)≥a或f(x)≤a⇔f(x)max≥a或f(x)min≤a.
(7)对任意的x1∈D1,总存在x2∈D2,使f(x1)=g(x2)⇔A⊆B(其中集合A为f(x1)的值域,集合B为f(x2)的值域).
(8)当参数不易分离时,应注意分类讨论或数形结合思想的应用.
诊 断 自 测
1.已知函数f(x)=x2ex,当x∈[-1,1]时,不等式f(x)0,f(x)递增,f(-1)=
,f(1)=e,
∴f(x)最大=f(1)=e,由题意得m>e.
答案 D
2.设函数f(x)=ex(2x-1)-ax+a,其中a<1,若存在唯一整数x0使得f(x0)<0,则a的取值范围是( )
A. B.
C. D.
解析 设g(x)=ex(2x-1),h(x)=ax-a,由题意知存在唯一的整数x0,使g(x0)在直线h(x)=ax-a的下方,因为g′(x)=ex(2x+1),∴当x<-时,g′(x)<0,当x>-时,g′(x)>0,∴当x=时,[g(x)]min=-2e,g(0)=-1,g(1)=e>1,直线h(x)=ax-a恒过(1,0)且斜率为a,故-a>g(0)=-1,且g(-1)=-3e-1≥-a-a,解得≤a<1.
答案 D
3.已知函数f(x)=(b∈R),若存在x∈使得f(x)+xf′(x)>0,则实数b的取值范围是( )
A. B.
C.(-∞,3) D.(-∞,)
解析 f′(x)=.
f(x)+xf′(x)=+[1+2x(x-b)-ln x-(x-b)2]
=,
∵存在x∈,使得f(x)+xf′(x)>0,
∴1+2x(x-b)>0,∴b0,即0),
则h′(x)=-,
令h′(x)=0,得x=1或x=-(舍去),
当x∈(0,1)时,h′(x)>0,h(x)递增,
当x∈(1,+∞)时,h′(x)<0,h(x)递减,
∴h(x)最大=h(x)极大=h(1)=-2,
由题意得a≥-2.
答案 [-2,+∞)
5.当x∈[-2,1]时,不等式ax3-x2+4x+3≥0恒成立,则实数a的取值范围是________.
解析 当x=0时,ax3-x2+4x+3≥0变为3≥0恒成立,即a∈R,
当x∈(0,1]时,ax3≥x2-4x-3,a≥,
∴a≥,设φ(x)=,
φ′(x)=
=-=->0,
∴φ(x)在(0,1]上递增,φ(x)max=φ(1)=-6.∴a≥-6.
当x∈[-2,0)时,a≤,
∴a≤.
仍设φ(x)=,φ′(x)=-,
当x∈[-2,-1)时,φ′(x)<0,
当x∈(-1,0)时,φ′(x)>0.
∴当x=-1时,φ(x)有极小值,即为最小值.
而φ(x)min=φ(-1)==-2,∴a≤-2.
综上知-6≤a≤-2.
答案 [-6,-2]
考点一 利用导数证明不等式
【例1】 (2020·北京西城区练习)已知函数f(x)=+,曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线x+2y-3=0.
(1)求a,b的值;
(2)若k≤0,求证:对于任意x∈(1,+∞),f(x)>+.
(1)解 f′(x)=-
由于直线x+2y-3=0的斜率为-,且过点(1,1),
故即解得a=1,b=1.
(2)证明 由(1)知f(x)=+,
所以f(x)-=.
考虑函数h(x)=2ln x+(x>1),
则h′(x)==<0.
而h(1)=0,故当x∈(1,+∞)时,h(x)<0,
所以×h(x)>0,即f(x)>+.
规律方法 (1)利用参数a的范围放缩不等式是关键;
(2)不等式有等号时,可利用函数的最值证明不等式,否则可利用函数的单调性求函数的值域.
【训练1】 已知函数f(x)=xln x-2x.
(1)求f(x)的单调区间、极值;
(2)若x>y>0,试确定f(x)-f(y)与xln y-yln x的大小关系,并给以证明.
解 (1)f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=ln x+1-2=ln x-1,
令f′(x)=0得x=e.
将x,f′(x),f(x)变化情况列下表:
x
(0,e)
e
(e,+∞)
f′(x)
-
0
+
f(x)
↘
极小值
↗
可得(0,e)是f(x)的递减区间,(e,+∞)是f(x)的递增区间,f(x)在x=e处有极小值-e,无极大值.
(2)f(x)-f(y)>xln y-yln x.证明如下:
[f(x)-f(y)]-(xln y-yln x)
=xln x-2x-yln y+2y-xln y+yln x
=xln +yln-2(x-y)
=y[ln+ln-2(-1)]. (*)
设t=>1,Q(t)=tln t+ln t-2(t-1)(t>1),
则Q′(t)=ln t+1+-2=lnt+-1(t>1).
设M(t)=ln t+-1(t>1),则M′(t)=-=>0(t>1).∴M(t)在(1,+∞)上是递增函数.
∴M(t)>M(1)=0,即Q′(t)>0.∴Q(t)在(1,+∞)上是递增函数.
∴Q(t)>Q(1)=0.又y>0,∴(*)>0,
∴f(x)-f(y)>xln y-yln x.
考点二 根据不等式恒成立求参数的范围 多维探究
角度1 单变量任意型
【例2-1】 (2019·浙江卷)已知实数a≠0,设函数f(x)=aln x+,x>0.
(1)当a=-时,求函数f(x)的单调区间;
(2)对任意x∈均有f(x)≤,求a的取值范围.注:e=2.718 28…为自然对数的底数.
解 (1)当a=-时,f(x)=-ln x+,x>0.
f′(x)=-+=,
令f′(x)>0得x>3,令f′(x)<0得00,
故q(x)在上单调递增,
所以q(x)≤q.
由①得q=-p<-p(1)=0.
所以q(x)<0.
因此,g(t)≥g=->0.
由①②知对任意x∈,t∈[2,+∞),
g(t)≥0,即对任意x∈,均有f(x)≤.
综上所述,所求a的取值范围是.
角度2 双变量任意型
【例2-2】 已知函数f(x)=+x-1,g(x)=ln x+(e为自然对数的底数).
(1)证明:f(x)≥g(x);
(2)若对于任意的x1,x2∈[1,a](a>1),总有|f(x1)-g(x2)|≤-+1,求a的最大值.
(1)证明 令F(x)=f(x)-g(x)
=+x-ln x-1-,
∴F′(x)=+1-=(x-1).
∵x>0,∴ex>x+1,
∴F(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,
∴F(x)min=F(1)=0,∴f(x)≥g(x).
(2)解 ∵x∈[1,a],f′(x)=+1>0,g′(x)=>0,
∴f(x),g(x)均在[1,a]上单调递增.
∵f(x)≥g(x),F(x)=f(x)-g(x)在[1,+∞)上单调递增,
∴f(x)与g(x)的图象在[1,a]上距离随x增大而增大,
∴|f(x1)-g(x2)|max=f(a)-g(1)≤-+1,∴+a≤+2,
设G(a)=+a(a>1),G′(a)=+1=,
∵当a>1时,ea>a+1,
∴当a>1时,G′(a)>0,G(a)在[1,+∞)上单调递增,
∴a≤2,∴a的最大值为2.
角度3 双变量任意存在型
【例2-3】 已知函数f(x)=2ln -.
(1)求f(x)的单调区间;
(2)若g(x)=ln x-ax,若对任意x1∈(1,+∞),存在x2∈(0,+∞),使得f(x1)≥g(x2)成立,求实数a的取值范围.
解 (1)因为f(x)=2ln -,x∈(0,+∞),
所以f′(x)=-=
=,
当2时,f′(x)>0,
所以f(x)的单调递减区间是,单调递增区间是,(2,+∞).
(2)由(1)知,f(x)在(1,2)上单调递减,在(2,+∞)上单调递增,
所以当x>1时,f(x)≥f(2)=0,
又g(x)=ln x-ax,
所以对任意x1∈(1,+∞),存在x2∈(0,+∞),使得f(x1)≥g(x2)成立⇔存在x2∈(0,+∞),使得g(x2)≤0成立⇔函数y=ln x与直线y=ax的图象在(0,+∞)上有交点⇔方程a=在(0,+∞)上有解.
设h(x)=,则h′(x)=,
当x∈(0,e)时,h′(x)>0,h(x)单调递增,
当x∈(e,+∞)时,h′(x)<0,h(x)单调递减,
又h(e)=,x→0时,h(x)→-∞,
所以在(0,+∞)上,h(x)的值域是,
所以实数a的取值范围是.
规律方法 (1)单变量任意型,常用分离参数法,不易分离参数或分离参数后函数太复杂时,应直接讨论参数;
(2)双变量任意型、任意存在型注意等价转化为最值问题解决.
【训练2】 (1)(角度1)已知函数f(x)=(x2-x+1)·e-x.
当x∈[0,2]时,f(x)≥-x2+2x+m恒成立,求m的取值范围.
(2)(角度2)(2020·浙江新高考仿真卷一)已知函数f(x)=+1(m≠0),g(x)=x2eax(a∈R).
①求函数f(x)的单调区间;
②当m>0时,若对任意x1,x2∈[0,2],f(x1)≥g(x2)恒成立,求a的取值范围.
(3)(角度3)(2020·金华一中月考)已知函数f(x)=x2-(a+2)x+aln x.设f(x)在点x=x0处的切线方程为y=m(x).
①若函数f(x)存在唯一极值点,求实数a的取值范围;
②当a=4时,是否存在x0,使得>0对任意的x∈{x|x>0,且x≠x0}恒成立?若存在,试求出x0的值;若不存在,请说明理由.
解 (1)∵f(x)≥-x2+2x+m在x∈[0,2]时恒成立,
∴m≤f(x)+x2-2x=(x2-x+1)·e-x+x2-2x,
令g(x)=(x2-x+1)·e-x+x2-2x,
则g′(x)=-(x-2)(x-1)e-x+2(x-1),
当x∈[0,1)时,g′(x)=<0,
当x∈(1,2]时,g′(x)=>0,
∴g(x)在[0,1)上单调递减,在(1,2]上单调递增,
∴g(x)min=g(1)=-1,
∴m的取值范围为.
(2)①函数f(x)的定义域为R,
f′(x)==.
(ⅰ)当m>0时,当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,-1)
(-1,1)
(1,+∞)
f′(x)
-
+
-
f(x)
所以函数f(x)的单调递增区间是(-1,1),单调递减区间是(-∞,-1],[1,+∞).
(ⅱ)当m<0时,当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,-1)
(-1,1)
(1,+∞)
f′(x)
+
-
+
f(x)
所以函数f(x)的单调递增区间是(-∞,-1],[1,+∞),单调递减区间是(-1,1).
②依题意,“当m>0时,对于任意x1,x2∈[0,2],f(x1)≥g(x2)恒成立”等价于“当m>0时,对于任意x∈[0,2],f(x)min≥g(x)max成立”.
当m>0时,由①知函数f(x)在[0,1]上单调递增,在[1,2]上单调递减,
因为f(0)=1,f(2)=+1>1,所以函数f(x)的最小值为f(0)=1,
所以应满足g(x)max≤1.
因为g(x)=x2eax,所以g′(x)=(ax2+2x)eax.
a.当a≥0时,由任意的x∈[0,2],g′(x)=(ax2+2x)eax≥0,
故函数g(x)=x2eax单调递增,g(x)max=g(2)=4e2a≥4,
显然不满足g(x)max≤1,故a≥0不成立.
b.当a<0时,令g′(x)=0得x1=0,x2=-.
(ⅰ)当-≥2,即-1≤a<0时,
在[0,2]上g′(x)≥0,所以函数g(x)在[0,2]上单调递增,
所以函数g(x)max=g(2)=4e2a.
由4e2a≤1得a≤-ln2,所以-1≤a≤-ln 2.
(ⅱ)当0<-<2,即a<-1时,
在上g′(x)≥0,在上g′(x)<0,
所以函数g(x)在上单调递增,在上单调递减,所以g(x)max=g=.由≤1得a≤-,所以a<-1.
综上所述,a的取值范围是(-∞,-ln 2].
(3)①f′(x)=,x>0,
当a≤0时,
f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,
所以x=1是f(x)的唯一极值点;
当a>0,a≠2时,
f′(x)=0在(0,+∞)上有两个不等的实根1和,
从而f(x)有两个极值点,不符合题意;
当a=2时,f′(x)≥0,即f(x)在(0,+∞)上单调递增,
f(x)无极值点,不符合题意.
所以实数a的取值范围是{a|a≤0}.
②当a=4时,f(x)=x2-6x+4ln x,f′(x)=2x-6+,
则函数y=f(x)在其图象上一点P(x0,f(x0))处的切线方程为y=m(x)=(x-x0)+x-6x0+4ln x0.
设φ(x)=f(x)-m(x)=x2-6x+4ln x-(x-x0)-(x-6x0+4ln x0),
则φ(x0)=0.
φ′(x)=2x+-6-
=2(x-x0)
=(x-x0),
若x0<,φ(x)在上单调递减,
所以当x∈时,φ(x)<φ(x0)=0,
此时<0;若x0>,φ(x)在上单调递减,
所以当x∈时,φ(x)>φ(x0)=0,
此时<0;
若x0=,φ′(x)=(x-)2≥0,
所以φ(x)在(0,+∞)上单调递增,
当x>x0时,φ(x)>φ(x0)=0,
当0<x<x0时,φ(x)<φ(x0)=0,
故>0.
综上,存在满足题设的实数x0,且x0=.
考点三 不等式能成立
【例3】 设x=3是函数f(x)=(x2+ax+b)e3-x(x∈R)的一个极值点.
(1)求a与b之间的关系式,并求当a=2时,函数f(x)的单调区间;
(2)设a>0,g(x)=ex.若存在x1,x2∈[0,4]使得|f(x1)-g(x2)|<1成立,求实数a的取值范围.
解 (1)f′(x)=-[x2+(a-2)x+b-a]e3-x,
由题意知f′(3)=0,即-[9+3(a-2)+b-a]=0,
解得b=-2a-3.
当a=2时,b=-7,
故由f′(x)=-(x2-9)e3-x>0得-30得-a-10,所以a∈.
规律方法 “恒成立”与“存在性”问题的求解是“互补”关系,即f(x)≥g(a)对于x∈D恒成立,应求f(x)的最小值;若存在x∈D,使得f(x)≥g(a)成立,应求f(x)的最大值.在具体问题中究竟是求最大值还是最小值,可以先联想“恒成立”是求最大值还是最小值,这样也就可以解决相应的“存在性”问题是求最大值还是最小值.特别需要关注等号是否成立问题,以免细节出错.
【训练3】 已知函数f(x)=ex(3x-2),g(x)=a(x-2),其中a,x∈R.
(1)若对任意x∈R,有f(x)≥g(x)恒成立,求a的取值范围;
(2)若存在唯一的整数x0,使得f(x0)存在唯一的整数x0成立,
因为F=9e最小,且F(3)=7e3,F(4)=5e4,所以当a>5e4时,至少有两个整数成立,
当a≤7e3时,没有整数成立,所以a∈(7e3,5e4].
综上,a的取值范围是∪(7e3,5e4].
导数与不等式
【例题】 (满分15分)(2018·浙江卷)已知函数f(x)=-ln x.
(1)若f(x)在x=x1,x2(x1≠x2)处导数相等,证明:f(x1)+f(x2)>8-8ln 2;
(2)若a≤3-4ln 2,证明:对于任意k>0,直线y=kx+a与曲线y=f(x)有唯一公共点.
审题路线图
(1)
(2)—
——
满分解答
证明 (1)函数f(x)的导函数f′(x)=-,2分
由f′(x1)=f′(x2)得-=-,
因为x1≠x2,所以+=.
由基本不等式得=+≥2,
因为x1≠x2,所以x1x2>256.
由题意得f(x1)+f(x2)=-ln x1+-ln x2
=-ln(x1x2).4分
设g(x)=-ln x,则g′(x)=(-4),
所以x>0时,g′(x)、g(x)的变化情况如下表:
x
(0,16)
16
(16,+∞)
g′(x)
-
0
+
g(x)
2-4ln 2
所以g(x)在[256,+∞)上单调递增,故g(x1x2)>g(256)=8-8ln 2,
即f(x1)+f(x2)>8-8ln 2.7分
(2)令m=e-(|a|+k),n=+1,则
f(m)-km-a>|a|+k-k-a≥0,
f(n)-kn-a0,直线y=kx+a与曲线y=f(x)有唯一公共点.15分
[构建模板]
……求导数f′(x)
……由条件f′(x1)=f′(x2)变形利用基本不等式,求出x1x2范围,化简f(x1)+f(x2)
……构造函数g(x),利用导数证不等式
……证明f(x)=kx+a解的存在性
……由f(x)=kx+a变形构造函数h(x),利用导数证明h(x)单调性,得出f(x)=kx+a至多一个实根
……反思回顾,查看关键点、易错点和解题规范.
【训练】 已知函数f(x)=ln x+(e-a)x-2b,其中a,b∈R,e为自然对数的底数.
(1)若a=e-2b,当f(x)≥0有唯一解时,求b的值;
(2)若不等式f(x)≤0 对x∈(0,+∞)恒成立,求的最小值.
解 (1)当a=e-2b时,f(x)=ln x+2bx-2b,其定义域为(0,+∞),f′(x)=+2b=.
①若b≥0,则f′(x)>0,f(x)在(0,+∞)上单调递增,且f(1)=0,
所以当x≥1时,都有f(x)≥0,不符合题意;
②若b<0,
当-<1,即b<-时,f(x)在(-,1)上单调递减,且f(1)=0,因此在该区间上都有f(x)≥0,不符合题意;
当-=1,即b=-时,f(x)在(0,1)上递增,在(1,+∞)上递减,
所以f(x)max=f(1)=0,
所以f(x)≥0有唯一解x=1,符合题意;
当->1,即-e,f′(x)=+e-a(x>0),
因此当x=时,f(x)取到极大值,也为最大值.
根据题意有f=ln-2b-1≤0,于是≥.
设g(a)=,则g′(a)=,
当a∈(e,e+1]时,(a-e)ln(a-e)≤0,
当a∈(e+1,+∞)时,(a-e)ln(a-e)单调递增,且(a-e)ln(a-e)>0,
所以方程(a-e)ln(a-e)-e=0有唯一零点a=2e,
所以g(a)在(e,2e)上单调递减,在(2e,+∞)上单调递增,
所以g(a)≥g(2e)=-.
综上所述,的最小值为-,当a=2e,b=-1时取得.
基础巩固题组
1.(2018·全国Ⅲ卷)已知函数f(x)=.
(1)求曲线y=f(x)在点(0,-1)处的切线方程;
(2)证明:当a≥1时,f(x)+e≥0.
(1)解 f′(x)=,f′(0)=2.
因此曲线y=f(x)在(0,-1)处的切线方程是2x-y-1=0.
(2)证明 当a≥1时,f(x)+e≥(x2+x-1+ex+1)e-x.
令g(x)=x2+x-1+ex+1,则g′(x)=2x+1+ex+1.
当x<-1时,g′(x)<0,g(x)单调递减;当x>-1时,
g′(x)>0,g(x)单调递增;所以g(x)≥g(-1)=0.
因此f(x)+e≥0.
2.已知函数f(x)=xln x.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)设k为正常数,若对定义域内的任意实数x都有f(x)+f(k-x)>k成立,求实数k的取值范围.
解 (1)f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=ln x+1,
解f′(x)>0,得x>;解f′(x)<0,得00,得k,解得k>2e.
故所求实数k的取值范围为(2e,+∞).
3.已知函数f(x)=x-(a+1)ln x-(a∈R且a0,
∴ 函数f(x)在[1,+∞)上单调递增.
(2)|f(x)|=|xln x+2|≤|xln x|+|2|
令g(x)=xln x,则g′(x)=1+ln x.
令g′(x)≥0可得x≥e-1.
∴g(x)在(0,e-1)上单调递减,在(e-1,+∞)上单调递增.
∵00得02;由f′(x)<0得
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