第4讲 导数的综合应用
利用导数研究函数的零点(方程的根)(综合型)
[典型例题]
命题角度一 根据函数零点求参数范围
(2018·高考全国卷Ⅱ)已知函数f (x )=e x -ax 2
. (1)若a =1,证明:当x ≥0时,f (x )≥1; (2)若f (x )在(0,+∞)只有一个零点,求a .
【解】 (1)证明:当a =1时,f (x )≥1等价于(x 2
+1)e -x
-1≤0.
设函数g (x )=(x 2
+1)e -x
-1,则g ′(x )=-(x 2
-2x +1)e -x
=-(x -1)2e -x
.
当x ≠1时,g ′(x )<0,所以g (x )在(0,+∞)单调递减.而g (0)=0,故当x ≥0时,
g (x )≤0,即f (x )≥1.
(2)设函数h (x )=1-ax 2e -x
.
f (x )在(0,+∞)只有一个零点当且仅当h (x )在(0,+∞)只有一个零点.
(ⅰ)当a ≤0时,h (x )>0,h (x )没有零点;
(ⅱ)当a >0时,h ′(x )=ax (x -2)e -x
.当x ∈(0,2)时,h ′(x )<0;当x ∈(2,+∞)时,h ′(x )>0.
所以h (x )在(0,2)单调递减,在(2,+∞)单调递增. 故h (2)=1-4a
e 2是h (x )在[0,+∞)的最小值.
①若h (2)>0,即a <e
2
4,h (x )在(0,+∞)没有零点;
②若h (2)=0,即a =e
24
,h (x )在(0,+∞)只有一个零点;
③若h (2)<0,即a >e
24,由于h (0)=1,所以h (x )在(0,2)有一个零点.
由(1)知,当x >0时,e x >x 2
,所以
h (4a )=1-16a 3
e 4a =1-16a 3
(e 2a )2>1-16a 3
(2a )4=1-1
a
>0.
故h (x )在(2,4a )有一个零点.因此h (x )在(0,+∞)有两个零点. 综上,f (x )在(0,+∞)只有一个零点时,a =e
2
4
.
根据函数零点个数确定参数取值范围的核心思想是“数形结合”,即通过函数图象的交点个数确定参数满足的条件,把问题转化为使用计算方法研究参数满足的代数条件上,解决问题的步骤是“先形后数”.
命题角度二 根据参数确定函数的零点个数
已知函数f (x )=
a ln x +b
x
(a ,b ∈R ,a ≠0)的图象在点(1,f (1))处的切线斜率为-a .
(1)求f (x )的单调区间; (2)讨论方程f (x )=1根的个数.
【解】 (1)函数f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=a -b -a ln x
x 2
,由f ′(1)=a -b =-a ,得b =2a ,所以f (x )=
a (ln x +2)x ,f ′(x )=-a (ln x +1)
x 2
.
当a >0时,由f ′(x )>0,得0
e .
当a <0时,由f ′(x )>0,得x >1e ;由f ′(x )<0,得0 e . 综上,当a >0时,f (x )的单调递增区间为? ????0,1e ,单调递减区间为? ?? ??1e ,+∞;当a <0 时,f (x )的单调递增区间为? ????1e ,+∞,单调递减区间为? ?? ??0,1e . (2)f (x )=1,即方程 a ln x +2a x =1,即方程1a =ln x +2x ,构造函数h (x )=ln x +2 x , 则h ′(x )=-1+ln x x 2 ,令h ′(x )=0,得x =1e ,且在? ????0,1e 上h ′(x )>0,在? ?? ??1e ,+∞上h ′(x )<0,即h (x )在? ????0,1e 上单调递增,在? ????1e ,+∞上单调递减,所以h (x )max =h ? ?? ??1e =e. 在? ?? ??1e ,+∞上,h (x )单调递减且h (x )=ln x +2x >0,当x 无限增大时,h (x )无限接近0; 在? ?? ??0,1e 上,h (x )单调递增且当x 无限接近0时,ln x +2负无限大,故h (x )负无限大. 故当0<1a e 时,方程 f (x )=1只有 一个实根,当a <0时,方程f (x )=1只有一个实根. 综上可知,当a >1e 时,方程f (x )=1有两个实根;当a <0或a =1 e 时,方程 f (x )=1有一 个实根;当0 e 时,方程f (x )=1无实根. (1)根据参数确定函数零点的个数,基本思想也是“数形结合”,即通过研究函数的性质(单调性、极值、函数值的极限位置等),大致勾画出函数图象,然后通过函数性质得出其与 x 轴交点的个数,或者两个函数图象交点的个数,基本步骤是“先数后形”. (2)判断函数在某区间[a ,b ]((a ,b ))内的零点的个数时,主要思路为:一是由 f (a )f (b )<0及零点存在性定理,说明在此区间上至少有一个零点;二是求导,判断函数在 区间(a ,b )上的单调性,若函数在该区间上单调递增或递减,则说明至多只有一个零点;若函数在区间[a ,b ]((a ,b ))上不单调,则要求其最大值或最小值,借用图象法等,判断零点个数. 命题角度三 函数零点性质的探索与证明 已知函数f (x )=(x -2)e x +a (x -1)2 有两个零点. (1)求a 的取值范围; (2)设x 1,x 2是f (x )的两个零点,证明:x 1+x 2<2. 【解】 (1)f ′(x )=(x -1)e x +2a (x -1)=(x -1)(e x +2a ). (ⅰ)设a =0,则f (x )=(x -2)e x ,f (x )只有一个零点. (ⅱ)设a >0,则当x ∈(-∞,1)时,f ′(x )<0;当x ∈(1,+∞)时,f ′(x )>0.所以f (x )在(-∞,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增. 又f (1)=-e ,f (2)=a ,取b 满足b <0且b 2 (b -2)+a (b -1)2 = a ? ?? ??b 2-3 2b >0, 故f (x )存在两个零点. (ⅲ)设a <0,由f ′(x )=0得x =1或x =ln(-2a ). 若a ≥-e 2,则ln(-2a )≤1,故当x ∈(1,+∞)时,f ′(x )>0,因此f (x )在(1,+∞) 上单调递增.又当x ≤1时,f (x )<0,所以f (x )不存在两个零点. 若a <-e 2,则ln(-2a )>1.故当x ∈(1,ln(-2a ))时,f ′(x )<0;当x ∈(ln(-2a ),+ ∞)时,f ′(x )>0.因此f (x )在(1,ln(-2a ))上单调递减,在(ln(-2a ),+∞)上单调递增.又当x ≤1时,f (x )<0,所以f (x )不存在两个零点. 综上,a 的取值范围为(0,+∞). (2)证明:不妨设x 1 f (x )在(-∞,1)上单调递减,所以x 1+x 2<2等价于f (x 1)>f (2-x 2), 即f (2-x 2)<0. 由于f (2-x 2)=-x 2e 2-x 2 +a (x 2-1)2,而f (x 2)=(x 2-2)e x 2+a (x 2-1)2 =0, 所以f (2-x 2)=-x 2e 2-x 2 -(x 2-2)e x 2. 设g (x )=-x e 2-x -(x -2)e x , 则g ′(x )=(x -1)(e 2-x -e x ). 所以当x >1时,g ′(x )<0,而g (1)=0,故当x >1时,g (x )<0, 从而g (x 2)=f (2-x 2)<0,故x 1+x 2<2. 函数可变零点(函数中含有参数)性质的研究,要抓住函数在不同零点处的函数值均为零,建立不同零点之间的关系,把多元问题转化为一元问题,再使用一元函数的方法进行研究. [对点训练] 已知函数f (x )=ln x -12 ax 2 (a ∈R ). (1)若f (x )在点(2,f (2))处的切线与直线2x +y +2=0垂直,求实数a 的值; (2)求函数f (x )的单调区间; (3)讨论函数f (x )在区间[1,e 2 ]上的零点个数. 解:(1)f (x )=ln x -12 ax 2 的定义域为(0,+∞), f ′(x )=1x -ax =1-ax 2 x ,则f ′(2)=1-4a 2.因为直线2x +y +2=0的斜率为-2,所以 (-2)×1-4a 2 =-1, 解得a =0. (2)由(1)知f ′(x )=1-ax 2 x ,x ∈(0,+∞), 当a ≤0时,f ′(x )>0,所以f (x )在(0,+∞)上单调递增; 当a >0时,由? ????f ′(x )>0,x >0,得0 a a ,由f ′(x )<0得x >a a ,所以f (x )在? ? ???0,a a 上单调递增,在? ?? ?? a a ,+∞上单调递减. 综上所述:当a ≤0时,f (x )的单调递增区间为(0,+∞); 当a >0时,f (x )的单调递增区间为? ? ???0,a a ,单调递减区间为? ?? ??a a ,+∞. (3)由(2)可知, (ⅰ)当a <0时,f (x )在[1,e 2 ]上单调递增, 而f (1)=-12 a >0,故f (x )在[1,e 2 ]上没有零点; (ⅱ)当a =0时,f (x )在[1,e 2]上单调递增,而f (1)=-12a =0,故f (x )在[1,e 2 ]上有 一个零点; (ⅲ)当a >0时,①若 a a ≤1,即a ≥1时,f (x )在[1,e 2 ]上单调递减,因为f (1)=-12 a <0,所以f (x )在[1,e 2 ]上没有零点. ②若1< a a ≤e 2,即1e 4≤a <1时,f (x )在??????1,a a 上单调递增,在???? ?? a a ,e 2上单调递减,而f (1)=-12a <0,f ? ?? ??a a =-12ln a -12,f (e 2 )=2-12a e 4, 若f ? ?? ??a a =-12ln a -12<0,即a >1e 时,f (x )在[1,e 2 ]上没有零点; 若f ? ?? ??a a =-12ln a -12=0,即a =1e 时,f (x )在[1,e 2 ]上有一个零点; 若f ? ?? ??a a =-12ln a -12>0,即a <1e 时,由f (e 2 )=2-12a e 4>0得a <4e 4,此时,f (x )在[1,e 2 ]上有一个零点; 由f (e 2)=2-12a e 4≤0得a ≥4e 4,此时,f (x )在[1,e 2 ]上有两个零点; ③若 a a ≥e 2,即0 a <0,f (e 2 )=2-12 a e 4>0,所以f (x )在[1,e 2 ]上有一个零点. 综上所述:当a <0或a >1e 时,f (x )在[1,e 2 ]上没有零点;当0≤a <4e 4或a =1e 时,f (x )在 [1,e 2]上有一个零点;当4e 4≤a <1e 时,f (x )在[1,e 2 ]上有两个零点. 利用导数证明不等式(综合型) [典型例题] 命题角度一 单变量不等式的证明 已知函数f (x )=a e x -b ln x ,曲线y =f (x )在点(1,f (1))处的切线方程为y = ? ?? ??1e -1x +1. (1)求a ,b ; (2)证明:f (x )>0. 【解】 (1)函数f (x )的定义域为(0,+∞). f ′(x )=a e x -b x ,由题意得f (1)=1e ,f ′(1)=1 e -1, 所以?????a e =1 e ,a e -b =1e -1,解得?????a =1e 2 , b =1. (2)证明:由(1)知f (x )=1e 2·e x -ln x . 因为f ′(x )=e x -2 -1 x 在(0,+∞)上单调递增,又f ′(1)<0,f ′(2)>0,所以f ′(x ) =0在(0,+∞)上有唯一实根x 0,且x 0∈(1,2). 当x ∈(0,x 0)时,f ′(x )<0,当x ∈(x 0,+∞)时,f ′(x )>0, 从而当x =x 0时,f (x )取极小值,也是最小值. 由f ′(x 0)=0,得e x 0-2 =1x 0 ,则x 0-2=-ln x 0. 故f (x )≥f (x 0)=e x 0-2 -ln x 0=1x 0+x 0-2>2 1 x 0 ·x 0-2=0,所以f (x )>0. 利用导数证明单变量的不等式的常见形式是f (x )>g (x ).证明技巧:先将不等式 f (x )> g (x )移项,即构造函数 h (x )=f (x )-g (x ),转化为证不等式h (x )>0,再次转化为证明h (x )min >0,因此,只需在所给的区间内,判断h ′(x )的符号,从而判断其单调性,并求出函 数h (x )的最小值,即可得证. 命题角度二 双变量不等式的证明 已知函数f (x )=ln x -12 ax 2 +x ,a ∈R . (1)当a =0时,求函数f (x )的图象在(1,f (1))处的切线方程; (2)若a =-2,正实数x 1,x 2满足f (x 1)+f (x 2)+x 1x 2=0,证明:x 1+x 2≥ 5-1 2 . 【解】 (1)当a =0时,f (x )=ln x +x ,则f (1)=1,所以切点为(1,1), 又f ′(x )=1 x +1,则切线斜率k =f ′(1)=2, 故切线方程为y -1=2(x -1),即2x -y -1=0. (2)证明:当a =-2时,f (x )=ln x +x 2 +x ,x >0. 由f (x 1)+f (x 2)+x 1x 2=0, 得ln x 1+x 2 1+x 1+ln x 2+x 2 2+x 2+x 1x 2=0, 从而(x 1+x 2)2+(x 1+x 2)=x 1x 2-ln(x 1x 2), 令t =x 1x 2,则由φ(t )=t -ln t ,得φ′(t )=1-1t =t -1 t , 易知φ(t )在区间(0,1)上单调递减,在区间(1,+∞)上单调递增, 所以φ(t )≥φ(1)=1,所以(x 1+x 2)2 +(x 1+x 2)≥1, 因为x 1>0,x 2>0,所以x 1+x 2≥ 5-1 2 成立. 破解含双参不等式证明题的三个关键点 (1)转化,即由已知条件入手,寻找双参所满足的关系式,并把含双参的不等式转化为含单参的不等式. (2)巧构造函数,再借用导数,判断函数的单调性,从而求其最值. (3)回归双参的不等式的证明,把所求的最值应用到双参不等式,即可证得结果. [对点训练] (2018·高考全国卷Ⅰ)已知函数f (x )=1 x -x +a ln x . (1)讨论f (x )的单调性; (2)若f (x )存在两个极值点x 1,x 2,证明: f (x 1)-f (x 2) x 1-x 2 <a -2. 解:(1)f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=-1 x 2-1+a x =-x 2-ax +1 x 2 . (i)若a ≤2,则f ′(x )≤0,当且仅当a =2,x =1时f ′(x )=0,所以f (x )在(0,+∞)单调递减. (ii)若a >2,令f ′(x )=0得,x = a -a 2-4 2 或x = a +a 2-4 2 . 当x ∈? ????0,a -a 2-42∪? ?? ?? a +a 2-42,+∞时,f ′(x )<0; 当x ∈? ????a -a 2-42,a +a 2-42时,f ′(x )>0.所以f (x )在? ???? 0,a -a 2-42, ? ????a +a 2-42,+∞单调递减,在? ?? ?? a -a 2-42,a +a 2-42单调递增. (2)由(1)知,f (x )存在两个极值点时,当且仅当a >2. 由于f (x )的两个极值点x 1,x 2满足x 2 -ax +1=0,所以x 1x 2=1,不妨设x 1 f (x 1)-f (x 2)x 1-x 2=-1x 1x 2-1+a ln x 1-ln x 2x 1-x 2=-2+a ln x 1-ln x 2x 1-x 2=-2+a -2ln x 2 1 x 2 -x 2, 所以 f (x 1)-f (x 2)x 1-x 2 x 2 -x 2+2ln x 2<0. 设函数g (x )=1 x -x +2ln x ,由(1)知,g (x )在(0,+∞)单调递减,又g (1)=0,从而当x ∈(1,+∞)时,g (x )<0. 所以1x 2-x 2+2ln x 2<0,即f (x 1)-f (x 2)x 1-x 2 恒成立与有解问题(综合型) [典型例题] 命题角度一 恒成立问题 (2018·南昌模拟)已知函数f (x )=ln(ax )+bx 在点(1,f (1))处的切线是y =0. (1)求函数f (x )的极值; (2)若 mx 2 e x ≥ f (x )+1-e e x (m <0)恒成立,求实数m 的取值范围(e 为自然对数的底数). 【解】 (1)因为f (x )=ln(ax )+bx ,所以f ′(x )=a ax +b =1 x +b , 因为f (x )在点(1,f (1))处的切线是y =0,所以f ′(1)=1+b =0,且f (1)=ln a +b =0, 解得a =e ,b =-1,故f (x )=ln x -x +1. 所以f ′(x )=1x -1=1-x x ,所以f (x )在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减. 所以f (x )的极大值为f (1)=0,无极小值. (2)由(1)知f (x )=ln x -x +1, mx 2 e x ≥f (x )+1-e e x (m <0)恒成立, 即mx e x ≥ln x +1x -2+1 e (m <0) 恒成立. 设g (x )=mx e x (x >0),h (x )=ln x +1x +1e -2,则g ′(x )=m (1-x )e x ,h ′(x )=-ln x x 2. 因为m <0,所以当0 e ; h (x )在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,h (x )max =h (1)=1e -1. 所以g (x ),h (x )均在x =1处取得最值,所以要使g (x )≥h (x )恒成立, 只需g (x )min ≥h (x )max ,即m e ≥1 e -1,解得m ≥1-e. 又m <0,所以实数m 的取值范围是[1-e ,0). 求解含参不等式恒成立问题的方法 (1)求解含参不等式恒成立问题的关键是过好双关:第一关是转化关,即通过分离参数法,先转化为f (a )≥g (x )(或f (a )≤g (x ))对?x ∈D 恒成立,再转化为f (a )≥g (x )max (或 f (a )≤ g (x )min );第二关是求最值关,即求函数g (x )在区间D 上的最大值(或最小值)问题. [提醒] 用分离参数法解含参不等式恒成立问题是指在能够判断出参数的系数的正负的情况下,可以根据不等式的性质将参数分离出来,得到一个一端是参数,另一端是变量表达式的不等式,只要研究变量表达式的最值就可以解决问题. (2)有些含参不等式恒成立问题,在分离参数时会遇到讨论的麻烦,或者即使分离出参数,但参数的最值却难以求出,这时常利用导数法,借助导数,分析函数的单调性,通过对函数单调性的分析确定函数值的变化情况,找到参数满足的不等式,往往能取得意想不到的效果. 命题角度二 能成立问题 已知函数f (x )=3ln x -12x 2 +x ,g (x )=3x +a . (1)若f (x )与g (x )的图象相切,求a 的值; (2)若?x 0>0,使f (x 0)>g (x 0)成立,求参数a 的取值范围. 【解】 (1)由题意得,f ′(x )=3x -x +1,设切点为(x 0,f (x 0)),则k =f ′(x 0)=3 x 0 - x 0+1=3,解得x 0=1或x 0=-3(舍),所以切点为? ?? ?? 1,12 ,代入g (x )=3x +a ,得a =-52 . (2)设h (x )=3ln x -12x 2 -2x .?x 0>0,使f (x 0)>g (x 0)成立, 等价于?x >0,使h (x )=3ln x -12x 2 -2x >a 成立, 等价于a 因为h ′(x )=3x -x -2=-x 2 -2x +3x =-(x -1)(x +3) x , 令?????h ′(x )>0,x >0,得0 ????h ′(x )<0,x >0,得x >1. 所以函数h (x )=3ln x -12 x 2-2x 在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,所以 h (x )max =h (1)=-5 2,即a <-52 , 因此参数a 的取值范围为? ????-∞,-52. 求解含参不等式能成立问题的关键是过好“三关” 第一关是求导关,对于复合函数求导,注意由外向内层导,一直导到不能导;第二关是转化关,即通过分离参数法,先转化为存在x ∈D ,使f (a )≥g (x )或(f (a )≤g (x ))成立,再转化为f (a )≥g (x )min (或f (a )≤g (x )max );第三关是求最值关,即求函数g (x )在区间D 上的最小值(或最大值)问题.不等式能成立求参数的取值范围还可以直接利用图象法,通过数形结合使问题获解. [提醒] 不等式在某区间上能成立与不等式在某区间上恒成立问题是既有联系又有区别的两种情况,解题时应特别注意,两者都可以转化为最值问题,但f (a )≥g (x )(或 f (a )≤ g (x ))对存在x ∈D 能成立等价于f (a )≥g (x )min (或f (a )≤g (x )max ),f (a )≥g (x )(或f (a )≤g (x ))对任意x ∈D 都成立等价于f (a )≥g (x )max (或f (a )≤g (x )min ),应注意区分,不 要搞混. [对点训练] 1.设函数f (x )=e x +a +x ,g (x )=ln(x +3)-4e -x -a ,其中e 为自然对数的底数,若存 在实数x 0,使得f (x 0)-g (x 0)=2成立,则实数a 的值为( ) A .-2+ln 2 B .1+ln 2 C .-1-ln 2 D .2+ln 2 解析:选D.由已知得f (x )-g (x )=e x +a +x -ln(x +3)+4e -x -a , 设h (x )=e x +a +4e -x -a ,u (x )=x -ln(x +3), 所以h (x )=e x +a +4e -x -a ≥2e x +a ·4e -x -a =4,当且仅当e x +a =2时等号成立. u ′(x )=1-1 x +3 (x >-3),令u ′(x )>0,得x >-2; 令u ′(x )<0,得-3 若存在实数x 0,使得f (x 0)-g (x 0)=2成立,则当x =-2时,e x +a =2成立,所以e -2+a =2,解得a =2+ln 2.故选D. 2.设函数f (x )=ax 2 -a -ln x ,其中a ∈R . (1)讨论f (x )的单调性; (2)确定a 的所有可能取值,使得f (x )>1x -e 1-x 在区间(1,+∞)内恒成立(e =2.718… 为自然对数的底数). 解:(1)f ′(x )=2ax -1x =2ax 2 -1 x (x >0). 当a ≤0时,f ′(x )<0,f (x )在(0,+∞)内单调递减. 当a >0时,由f ′(x )=0,有x = 12a . 此时,当x ∈? ???? 0,12a 时,f ′(x )<0,f (x )单调递减; 当x ∈? ?? ?? 12a ,+∞时,f ′(x )>0,f (x )单调递增. (2)令g (x )=1x -1e x -1,s (x )=e x -1 -x . 则s ′(x )=e x -1 -1. 而当x >1时,s ′(x )>0, 所以s (x )在区间(1,+∞)内单调递增. 又由s (1)=0,有s (x )>0, 从而当x >1时,g (x )>0. 当a ≤0,x >1时,f (x )=a (x 2 -1)-ln x <0. 故当f (x )>g (x )在区间(1,+∞)内恒成立时,必有a >0. 当0 2a >1.