第24炼 恒成立问题——最值分析法
最值法求解恒成立问题是三种方法中最为复杂的一种,但往往会用在解决导数综合题目中的恒成立问题。此方法考研学生对所给函数的性质的了解,以及对含参问题分类讨论的基本功。是导数中的难点问题。 一、基础知识: 1、最值法的特点:
(1)构造函数时往往将参数与自变量放在不等号的一侧,整体视为一个函数,其函数含参 (2)参数往往会出现在导函数中,进而参数不同的取值会对原函数的单调性产生影响——可能经历分类讨论
2、理论基础:设()f x 的定义域为D
(1)若x D ?∈,均有()f x C ≤(其中C 为常数),则()max f x C ≤ (2)若x D ?∈,均有()f x C ≥(其中C 为常数),则()min f x C ≥ 3、技巧与方法:
(1)最值法解决恒成立问题会导致所构造的函数中有参数,进而不易分析函数的单调区间,所以在使用最值法之前可先做好以下准备工作:
① 观察函数()f x 的零点是否便于猜出(注意边界点的值) ② 缩小参数与自变量的范围:
通过代入一些特殊值能否缩小所求参数的讨论范围(便于单调性分析)
观察在定义域中是否包含一个恒成立的区间(即无论参数取何值,不等式均成立),缩小自变量的取值范围
(2)首先要明确导函数对原函数的作用:即导函数的符号决定原函数的单调性。如果所构造的函数,其导数结构比较复杂不易分析出单调性,则可把需要判断符号的式子拿出来构造一个新函数,再想办法解决其符号。
(3)在考虑函数最值时,除了依靠单调性,也可根据最值点的出处,即“只有边界点与极值点才是最值点的候选点”,所以有的讨论点就集中在“极值点”是否落在定义域内。 二、典型例题:
例1:设()2
22f x x mx =-+,当[)1,x ∈-+∞时,()f x m ≥恒成立,求m 的取值范围
思路:恒成立不等式为2
220x mx m -+-≥,只需(
)
2
min
220x mx m
-+-≥,由于左端
是关于x 的二次函数,容易分析最值点位置,故选择最值法
解:恒成立不等式为2
220x mx m -+-≥,令()222g x x mx m =-+-则对称轴为x m =
(1)当1m ≤-时,()g x 在[)1,-+∞单调递增,()()min 11220g x g m m ∴=-=++-≥ 3m ∴≥-即[]3,1m ∈--
(2)当1m >-时,()g x 在()1,m -单调递减,在(),m +∞单调递增 ()()2
2
min 22021g x g m m m m m ∴==-+-≥?-≤≤
(]1,1m ∴∈- 终上所述:[]3,1m ∈-
小炼有话说:二次函数以对称轴为分解,其单调性与最值容易分析。所以二次恒成立不等式往往可考虑利用最值法,此题中对称轴是否在区间内将决定最值的取值,故以此为分类讨论点。
思路二:从另一个角度看,本题,m x 容易进行分离,所以也可考虑参变分离法 解:()2
2
220212x mx m x m x -+-≥?+≤+
(1)1
2102x x +>?>-时,则2min
221x m x ??+≤ ?+?? (由于m 系数符号未定,故分类讨论进行参
变分离)
令21,0t x t =+>(换元时注意更新新元的取值范围)
则()
2
2212
2
29194=
2121
44t x t t t x t
t t -++-+??==+-≥ ?+??
(2)1
2102
x x +=?=-
,不等式对任意的m 均成立 (3)1
2102x x +<-,2max 221x m x ??+≥ ?+??(注意不等号变号!
!) 令21,10t x t =+-≤<,则()
2
2212
2
29194=
2321
44t x t t t x t
t t -++-+??==+-≤- ?+??
3m ∴≥-
综上所述:[]3,1m ∈- 小炼有话说:
(1)此题运用参变分离法解题并不简便,不仅要对x 分类讨论,还要处理一个分式函数的最值,所以两个方法请作一对比
(2)最后确定m 的范围时,是将各部分结果取交集,因为分类讨论是对x 进行的,m 的取值要让每一部分必须同时成立才可,所以是“且”的关系,取交集
例2:已知函数()2ln x f x a x x a =+-,对任意的[]12,0,1x x ∈,不等式
()()121f x f x a -≤-恒成立,则a 的取值范围是___________
思路:若不等式恒成立,则()()12max 1a f x f x -≥-,()1f x 与()2f x 差的最大值即为
()f x 最大值与最小值的差。所以考虑求()2ln x f x a x x a =+-在[]0,1的最大最小值,
()()'ln 2ln 1ln 2x x f x a a x a a a x =+-=-+,若1a >,则10,ln 0x a a ->>,所以
()1ln 0x
a
a ->,若01a <<,则10,ln 0x a a -<<,所以()1ln 0x a a ->。而20x ≥,
所以无论a 为何值,
()'0f x >,则()f x 在[]
0,1单调递增。
()()()()max min 10ln f x f x f f a a -=-=-,从而1ln a a a -≥-,解得a e ≥
答案:[),e +∞
例3:已知函数()()ln 10f x a x a =+>,在区间()1,e 上,()f x x >恒成立,求a 的取值范围
思路一:恒成立的不等式为ln 1a x x +>即ln 10a x x -+>,令()ln 1g x a x x =-+观察到两点特征:(1)()g x 导函数易分析单调性,(2)()10g =,对单调性会有一定要求进而限制参数a 的取值。所以考虑使用最值法求解。
解:()f x x >恒成立即不等式ln 10a x x -+>恒成立,令()ln 1g x a x x =-+ ∴只需()min 0g x >即可,()10g = ()'
1a a x g x x x -=
-=,令()'
00a x g x x a x
->?>?<(分析()g x 的单调性) 当1a ≤时 ()g x 在()1,e 单调递减,则
()()010g x g <=
(思考:为什么以1a =作为分界点讨论?因为找到()10g =,若要不等式成立,那么一定从1x =处
起()g
x 要增
(不一定在()1,e 上恒增,但起码存在一小处区间是增的),所以1a ≤时导致()g x 在1x =处开始单减,那么一定不符合条件。由此请体会零点对参数范围所起的作用) 当1a
>时,分x a =是否在()1,e 中讨论(最小值点的选取)
若1a e <<,单调性如表所示
()()1010
g a e g e ≥??∴?≥-?≥?? 1e a e ∴-≤< ((1)可以比较
()()1,g g e 的大小找到最小的临界值,再求解,但比较麻烦。由于最小值只会在
1,x x e ==处取得,所以让它们均大于0即可。(2)由于1,x x e ==并不在()1,e 中,所以求得的只
是临界值,临界值等于零也符合条件) 若a
e ≥,则()g x 在()1,e 上单调递增,()()10g x g ∴>=,符合题意
综上所述:1a e ≥-
小炼有话说:此题在1a >的情况也可不分类讨论,因为从单调区间分析来看,在()1+∞,中
x a =是极大值点,不可能是最小值,所以无论x a =是否在()1,e ,最小值(或临界值)
均只会在边界处产生,所以只需()()
10
10g a e g e ≥??∴?≥-?
≥??即可 思路二:不等式 ln 10a x x -+>中a 与x 便于分离,所以只要分离后的x 的函数易分析出单调性,那么就可考虑运用参变分离法 解:1ln 10ln x a x x a x --+>?>
,令()1ln x g x x
-=,则只需()max a g x >即可 ()()
'
1ln 1ln x x
g x x -+
=
(单调性受分子影响,但无法直接分析)
令()1
ln 1h x x x
=-+
,()10h =(()h x 求导函数,便不含ln x ,可分析单调性,且零点找到,所以方法二可继续进行) ()'
22111
()01,x h
x x e x x x
-=
-=>∈ ()h x ∴在()1,e 上单调递增 ()()10h x h ∴>= (体会零点配合单调性对确定函数符号的作用)
'
()g x ∴0>,()g x 在()1,e 上单调递增
()()1g
x g e e ∴<=- 1a e ∴≥- (()g x 无最大值,只有临界值,故可取等号)
小炼有话说:第一点是分析'()g x 时由于''()g x 形式复杂并没有对'()g x 直接求导,而是把分子拿出来分析。因为我们只关心导函数的符号,而分母符号恒正,所以要体会导函数的符号是对原函数的单调性最有价值的。第二点是体会零点与单调性合作可确定函数的符号,这也是分析()h x 的重要原因
例4: 已知()11ax
x f x e x
-+=
-,若对任意的()0,1x ∈,均有()1f x >,求a 的取值范围 思路:恒成立不等式为
111ax
x e x
-+>-,可参变分离但函数比较复杂,所以考虑利用最值法来分析。发现0x =时,左右两边刚好相等。这也为最值分析提供方向 解:令()111ax
x g x e x
-+=
--,()00g = (()g x 从0x =起应单调递增) ()()
2'
2
2
1ax ax a g x e x --+=
?- 令()'0g x >,即22202ax a ax a -+>?>-
下面分情况讨论:
0a =时,()'0g x >恒成立,()g x ∴在()0,+∞单调递增
()()()0,1,00x g x g ∴?∈>=
0a <时,2221a x a a -<
=- 2
11a
-> ()0,1x ∴∈,()'0g x >恒成立,()g x ∴在()0,+∞单调递增 ()()()0,1,00x g x g ∴?∈>=
0a >时,222
1a x a a ->
=- 2a ∴≤时,22
a x a ->恒成立,()g x ∴在()0,+∞单调递增
()()()0,1,00x g x g ∴?∈>=
2a >时,22a x x a ->
?>
()g x ∴在? ?单调减,在???单调递增
(),(0)0x g x g ?∴∈<= ?
,不符题意,舍去
综上所述:2a ≤
小炼有话说:本题导函数形式简单,所以直接对参数进行分类讨论与取舍
例5: 已知函数()2
1x
f x e x ax =---对任意的[)0,x ∈+∞,均有()0f x ≥,求实数a
的范围
思路:此题可用最值法求解,先做好准备工作,()00f =,所以函数要从0x =开始增,求导观察特点:
解:()00f = '()21x f x e ax =--(不易直接出单调性,但是发现其中()'
00f
=,且()'f x 再
求一次导,其导函数容易分析单调性。进而可解)
()'00f = ()''2x f x e a =-,令()''0f x >即2x e a >,下面进行分类讨论:
(1)当0a ≤时,()''0f x >,()'f x ∴单调递增。()()''
00f x f ∴>=
()f x ∴单调递增,()()00f x f >=,满足条件
(此处为此题最大亮点,体会三点:①单调性与零点是如何配合来确定()()'
,f x f
x 的符号的;②
每一步的目的性很强,()'
f
x 的作用就是以符号确定()f x 的单调性,所以解题时就关注()'f x 的符号。
而符号的确定同样要靠二阶导数与一阶导函数的零点配合来得到;③ ()()',f x f x 的零点是同一个,进
而引发的连锁反应)
(2)当0a >时,ln 2x a >(ln 2a 可正可负,而[)0,x ∈+∞,所以讨论 ln 2a 的符号) ① 当1ln 2002
a a ≤?<≤时,ln 2x a >恒成立,即()''
f x 恒大于零,则: ()'
f
x 单调递增。()()''00f x f ∴>=
()f x ∴单调递增,()()00f x f >=,满足条件 ② 当1
ln 202
a a >?>
,则()0,l n2x a ∈时,()''0f x <即()'f x 在()0,ln2a 单调递减,()()'
'00f x f
∴<= ()f x ∴在()0,ln2a 单调递减,()()00f x f <=,不符题意,故
舍去
综上所述:1
2
a ≤
时,()0f x ≥恒成立 小炼有话说:这道题的重要特点在于()()',f x f x 的零点是同一个,进而会引发“连锁反应”。大家在处理多次求导问题时,一定要清楚每一层导数的目的是什么,要达到目的需要什么,求出需要的要素。
例6:已知函数()ln 1f x x a x =+-,a R ∈ (1)求函数()f x 的单调区间
(2)若()ln 20x
f x x
+≥对于任意的[)1,x ∈+∞恒成立,求a 的取值范围 解:(1)()'
1a x a f x x x
+=+=()0x >
令()'
0f
x >即0x a +>
① 当0a ≥时,()'
0f x >恒成立。()f x ∴在()0,+∞单调递增
② 当0a <时,解得x a >-
(2)思路:恒成立不等式为22ln 20x a x x
+-+
≥,即222ln 2ln 0x ax x x x +-+≥ 若参变分离,分离后的函数较为复杂(也可解决)。所以考虑最值法,观察当1x =时,左边的值为0,所以对左边的函数的单调性有所制约,进而影响参数a 的取值。 解:恒成立不等式等价于2
22ln 2ln 0x ax x x x +-+≥ 设2
()22ln 2ln g x x ax x x x =+-+,()10g =
()()'1
421ln 2g x x a x x
=++-+
()'1422123g a a =+-+=+ ()0g x ≥恒成立,()10g =
()'10g ∴≥ 否则若()'10g ∴<,由于()'g x 连续
所以必存在区间()1,m 使得()'0g x <,即()g x 在()1,m 单调递减 进而()01,x m ?∈,()()010g x g <=,不符题意
(本质:()10g
=,所以要保证从1x =开始的一段小区间要单调增,进而约束导数符号)
32a ∴≥- (这是a 要满足的必要条件,最终结果应该是这一部分的子集,下面证3
2
a ≥-
均满足条件
或者寻找一个更精确的范围)
下面证任意的3
2
a ≥-
均满足条件。 构造函数2
()23ln 2ln h x x x x x x =--+(3
2
a =-
时的()g x ) 则()()()23ln 0g x h x a x x -=+≥
()()()1,,x g x h x ∴?∈+∞≥,若要()0g x ≥恒成立,只需证明()0h x ≥即可 ()10h =
()'11
()431ln 243ln 5h x x x x x x x
=-+-+
=-+- ()'10h = ()()()2''
222
4113143140x x x x h x x x x x +---=--==>成立
()'h x ∴在()1,+∞单调递增,()()''10h x h ≥= ()h x ∴在()1,+∞单调递增,()()10h x h ≥=成立
3
2a ∴≥-时,[)()1,,()0x g x h x ?∈+∞≥≥恒成立,符合题意
3
2
a ∴≥-
小炼有话说:
(1)()h x 的构造的来源:()g x 的解析式可看为以a 为自变量的一次函数()G a ,且单调递增(ln 0x x >),所以对于3,2a ??
∈-
+∞????
,无论x 为何值,()32G a G ??≥- ???,即
()()g x h x ≥,与恒成立的不等式不等号方向一致。
(2)本题核心想法是利用不等式化参数函数为常值函数(函数的放缩),进而便于对参数a 取值范围的验证。
(3)归纳一下解决此题的方法:为最值法解恒成立问题的另一个方法——构造中间函数 首先先说考虑使用这个方法的前提:
① 以参数为自变量的函数结构简单(最好单调)
② 参数缩小后的范围,其不等式与含参函数不等号方向,以及单调性保持一致(在本题中
3
2
a ≥-
,而2()22ln 2ln g x x ax x x x =+-+刚好关于a 单调递增,且要()0g x ≥。故可引入()h x 位于()g x 与0之间) 其步骤如下:
① 代入自变量的特殊值缩小参数的取值范围(有可能就得到最终结果),记为A ② 因为最终结果A 的子集,所以只需证明A 均符合条件或者寻找更小的范围
③ 如果函数是关于参数的一次函数(或单调函数),可通过代入参数的边界值(临界值)构造新函数并与原函数比较大小
④ 证明新函数介于原函数与不等式右侧值之间,进而说明A 中的所有值均满足条件,即为最后结果
例7: 已知函数()2
12ln ,2f x a x ax x a R ?
?=--+∈ ??
?
,
若在区间()1,+∞上,()0f x <恒成立,求实数a 的取值范围
思路:考虑用最值分析法,但可考虑先利用1x =缩小a 的讨论范围 解:()11202f a a =-
-≤ 12
a ∴≥- ()()()()()2
'
2111212111222a x x a x ax f x a x a x x x -----+?
?=--+==
??
? 令()'
0f
x <,即()()2110211a x a x ---<
(1)12102a a -≤?≤时,即11,22a ??∈-????
,()'
0f x <恒成立 ()f x ∴在()1,+∞单调
递减
()()10f x f ∴<≤ 满足条件
(2)12a >
时,()212ln 2f x a x ax x ?
?=--+ ???,考虑44ln 02121a a f a a ??
=> ?
--??
,不符题意,舍去
(注:这里需要对函数值进行估计,显然102a -
>,总有一个时刻,2122a x ax ?
?-- ??
?大于零,进而()0f x >,所以考虑代入特殊值来说明。对于,所以构造时只需要21202a x ax ?
?--= ???即可,解得
4121a x a =
>-,进而舍掉1
2
a >的情况) 例8:已知函数()1x ax
f x be =-,曲线()y f x =在点()()1,1f
处的切线方程为
()2
10x e y e +--=。其中 2.71828
e =为自然对数的底数
(1)求,a b 的值
(2)如果当0x ≠时,()12x
k
f x e -<恒成立,求实数k 的取值范围 解:(1)()()()
'2
11x x x
a be be ax
f x be
--=
-
()()()
()
'2
2
1111a be abe
a
f be be --∴=
=-
--,切线方程:()
()
2
2
1
11e
y x e e =-
+
--
()
()
2
2
1
11a
be e ∴-
=-
--,而()11a f be =
-且在切线中,1
1
y e =- ()()2
21111
11
a be e a be e ?
-=-?--?∴?
?=?--? 解得:11a b =??=? ()1
x x
f x e ∴=-
(2)思路:恒成立不等式为:2211x
x x k
e e
-<-,若参变分离,则分离后的函数过于复杂,不利于求得最值,所以考虑利用最值法,先变形不等式,由于21x
e
-的符号不确定(以0
x =为界),从而需进行分类讨论。当0x >时,不等式变形为:()()21210x x
k e xe k ---->,
设()()()2121x
x g x k e
xe k =----,可观察到()00g =,则若要0x >时,()0g x >,
则需()'00g ≥,进而解出0k ≤,再证明0k ≤时,()0g x >即可。将k 的范围缩至0k ≤时再证明0x <时,()0g x >即可。 解:由(1)可得恒成立的不等式为:2211x x
x k
e e
-<- 当0x >时,
()()22212111x x x x
x k
xe k e e e
-<--- ()()21210x x k e xe k ?----> 设()()()2121x x g x k e xe k =----,可得()00g =
()()()'22121x x g x k e x e =--+
若()'
00g <,则00x ?>,使得()00,x x ∈时,()'
0g x <
()g x ∴在()00,x 单调递减 则()00,x x ∈时,()()00g x g <=与恒成立不等式矛盾 ()'00g ∴<不成立 ()'00g ∴≥ ()()'02120g k ∴=--≥解得:0k ≤
下面证明0k ?≤均可使得0x >时,()0g x >
()()()()'22121211x x x x
g x k e x e e k e x ??=--+=---??
0k ≤ ()1110x x k e x e x ∴--->-->
()'0g x ∴> ()g x ∴在()0,+∞单调递增 ()()00g x g ∴>=,即不等式恒成立
当0x <时,
()()22212111x x
x x
x k xe k e e e
->--- ()()()212100x
x k e xe k g x ?----<
0k ≤ ∴同理,()()'2110x x
g x e k e x ??=--->??
()g x ∴在(),0-∞单调递增 ()()00g x g ∴<=
即0k ≤时不等式在(),0x ∈-∞ 恒成立 综上所述,0k ≤
例9: 设函数()(1)x
f x ae x =+(其中 2.71828....e =),2
()2
gx x b x =++,已知它们在
0x =处有相同的切线.