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第6讲 导数与不等式(学生版,后附教师版)
【知识梳理】
利用导数方法证明不等式f(x)>g(x)在区间D上恒成立的基本方法是构造函数h(x)=f(x)-g(x),然后根据函数的单调性或者函数的最值证明函数h(x)>0,其中一种常用方法就是找到函数h(x)在何处可以等于零,这往往就是解决问题的一个突破口.
【基础考点突破】
考点1.用导数解决与不等式有关的问题
命题点1.解不等式
【例1】设f(x)是定义在R上的奇函数,且f(2)=0,当x>0时,有<0恒成立,则不等式x2f(x)>0的解集是( )
A.(-2,0)∪(2,+∞) B.(-2,0)∪(0,2)
C.(-∞,-2)∪(2,+∞) D.(-∞,-2)∪(0,2)
变式训练1.(2015·新课标全国Ⅱ,12)设函数f′(x)是奇函数f(x)(x∈R)的导函数,f(-1)=0,当x>0时,xf′(x)-f(x)<0,则使得f(x)>0成立的x的取值范围是( )
A.(-∞,-1)∪(0,1) B.(-1,0)∪(1,+∞)
C.(-∞,-1)∪(-1,0) D.(0,1)∪(1,+∞)
变式训练2.(2015·福建,10)若定义在R上的函数f(x)满足f(0)=-1,其导函数f′(x)满足f′(x)>k>1,则下列结论中一定错误的是( )
A.f< B.f> C.f< D.f>
命题点2.证明不等式
【例2】 (2015·北京,18)已知函数f(x)=ln.
(1)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)求证:当x∈(0,1)时,f(x)>2;
(3)设实数k使得f(x)>k对x∈(0,1)恒成立,求k的最大值.
变式训练3.(2016年全国III卷高考)设函数.
(I)讨论的单调性;
(II)证明当时,;
(III)设,证明当时,.
变式训练4.证明:当x∈[0,1]时,x≤sin x≤x.
命题点3 不等式恒成立问题
【例3】 (2016·山东,20)已知f(x)=a(x-ln x)+,a∈R.
(1)讨论f(x)的单调性;(2)当a=1时,证明f(x)>f′(x)+对于任意的x∈[1,2]成立.
【归纳总结】(1)利用导数解不等式,一般可构造函数,利用已知条件确定函数单调性解不等式;
(2)证明不等式f(x)<g(x),可构造函数F(x)=f(x)-g(x),利用导数求F(x)的值域,得到F(x)<0即可;
变式训练5.已知函数f(x)=ln x-,若f(x)<x2在(1,+∞)上恒成立,求a的取值范围.
考点2.利用导数构造函数证明不等式
【例4】已知函数.
(1)若函数在上为增函数,求正数的取值范围;
(2)求证:对于大于1的任意正整数,都有.
变式训练6.已知函数,.
(1)若不等式在上恒成立,求实数的取值范围.
(2)求证:.
变式训练7.已知函数的图象在点处的切线与直线平行.
(1)求,满足的关系.
(2)若在恒成立,求 的取值范围.
(3)证明:.
变式训练8.已知函数.
(1)当时,讨论的单调性;
(2)当时,若恒成立,求满足条件的正整数的值;
(3)求证:.
【基础练习巩固】
1.若0<x1<x2<1,则( )
A B. C. D.
2.设函数f(x)=ax2+bx+c(a,b,c∈R).若x=-1为函数g(x)=f(x)ex的一个极值点,则下列图象不可能为y=f(x)的图象的是( )
3.设函数ht(x)=3tx-,若有且仅有一个正实数x0,使得h7(x0)≥ht(x0)对任意的正数t都成立,则x0等于( )
A.5 B. C. 3 D.
4.已知函数f(x)=ax3-3x+1对x∈(0,1]总有f(x)≥0成立,则实数a的取值范围是________.
5.已知函数f(x)=ax3-3x2+1,若f(x)存在唯一的零点x0,且x0>0,则a的取值范围是________.
6.已知二次函数f(x)=ax2+bx+c的导函数为f′(x),f′(x)>0,对于任意实数x,有f(x)≥0,则的最小值为________.
7.若对于任意实数x≥0,函数f(x)=ex+ax恒大于零,则实数a的取值范围是________.
8.设a为实数,函数f(x)=ex-2x+2a,x∈R.
(1)求f(x)的单调区间与极值;(2)求证:当a>ln 2-1且x>0时,ex>x2-2ax+1.
9.设函数f(x)=a2ln x-x2+ax,a>0.
(1)求f(x)的单调区间;(2)求所有的实数a,使e-1≤f(x)≤e2对x∈[1,e]恒成立.
10.设函数f(x)=aln x+x2-bx (a≠1),曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线斜率为0.
(1)求b;(2)若存在x0≥1,使得f(x0)<,求a的取值范围.
2017年高考数学基础突破——导数与积分
第6讲 导数与不等式(教师版)
【知识梳理】
利用导数方法证明不等式f(x)>g(x)在区间D上恒成立的基本方法是构造函数h(x)=f(x)-g(x),然后根据函数的单调性或者函数的最值证明函数h(x)>0,其中一种常用方法就是找到函数h(x)在何处可以等于零,这往往就是解决问题的一个突破口.
【基础考点突破】
考点1.用导数解决与不等式有关的问题
命题点1.解不等式
【例1】设f(x)是定义在R上的奇函数,且f(2)=0,当x>0时,有<0恒成立,则不等式x2f(x)>0的解集是( )
A.(-2,0)∪(2,+∞) B.(-2,0)∪(0,2)
C.(-∞,-2)∪(2,+∞) D.(-∞,-2)∪(0,2)
答案 D
解析 x>0时′<0,∴φ(x)=为减函数,又φ(2)=0,∴当且仅当0<x<2时,φ(x)>0,此时x2f(x)>0.
又f(x)为奇函数,∴h(x)=x2f(x)也为奇函数.故x2f(x)>0的解集为(-∞,-2)∪(0,2).
变式训练1.(2015·新课标全国Ⅱ,12)设函数f′(x)是奇函数f(x)(x∈R)的导函数,f(-1)=0,当x>0时,xf′(x)-f(x)<0,则使得f(x)>0成立的x的取值范围是( )
A.(-∞,-1)∪(0,1) B.(-1,0)∪(1,+∞)
C.(-∞,-1)∪(-1,0) D.(0,1)∪(1,+∞)
答案:A
解析:因为f(x)(x∈R)为奇函数,f(-1)=0,所以f(1)=-f(-1)=0.当x≠0时,令g(x)=,则g(x)为偶函数,且g(1)=g(-1)=0.则当x>0时,g′(x)=′=<0,故g(x)在(0,+∞)上为减函数,在(-∞,0)上为增函数.
所以在(0,+∞)上,当0<x<1时,g(x)>g(1)=0⇔>0⇔f(x)>0;
在(-∞,0)上,当x<-1时,g(x)<g(-1)=0⇔<0⇔f(x)>0.
综上,得使得f(x)>0成立的x的取值范围是(-∞,-1)∪(0,1),选A.
变式训练2.(2015·福建,10)若定义在R上的函数f(x)满足f(0)=-1,其导函数f′(x)满足f′(x)>k>1,则下列结论中一定错误的是( )
A.f< B.f> C.f< D.f>
答案:C
解析∵导函数f′(x)满足f′(x)>k>1,∴f′(x)-k>0,k-1>0,>0,可构造函数g(x)=f(x)-kx,可得g′(x)>0,故g(x)在R上为增函数,∵f(0)=-1,∴g(0)=-1,∴g>g(0),
∴f->-1,∴f>,∴选项C错误,故选C.
命题点2.证明不等式
【例2】 (2015·北京,18)已知函数f(x)=ln.
(1)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)求证:当x∈(0,1)时,f(x)>2;
(3)设实数k使得f(x)>k对x∈(0,1)恒成立,求k的最大值.
解析:因为f(x)=ln(1+x)-ln(1-x),所以f′(x)=+,f′(0)=2.
又因为f(0)=0,所以曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=2x.
(2)证明 令g(x)=f(x)-2,则g′(x)=f′(x)-2(1+x2)=.
因为g′(x)>0(0<x<1),所以g(x)在区间(0,1)上单调递增.
所以g(x)>g(0)=0,x∈(0,1),即当x∈(0,1)时,f(x)>2.
(3)解 由(2)知,当k≤2时,f(x)>k对x∈(0,1)恒成立.
当k>2时,令h(x)=f(x)-k,则h′(x)=f′(x)-k(1+x2)=.
所以当0<x<时,h′(x)<0,因此h(x)在区间上单调递减.
当0<x<时,h(x)<h(0)=0,即f(x)<k.
所以当k>2时,f(x)>k并非对x∈(0,1)恒成立.
综上可知,k的最大值为2.
变式训练3.(2016年全国III卷高考)设函数.
(I)讨论的单调性;
(II)证明当时,;
(III)设,证明当时,.
解:(Ⅰ)由题设,的定义域为,,令,解得.
当时,,单调递增;当时,,单调递减.
(Ⅱ)由(Ⅰ)知,在处取得最大值,最大值为.
所以当时,.
故当时,,,即.
(Ⅲ)由题设,设,则,令,解得.
当时,,单调递增;当时,,单调递减.
由(Ⅱ)知,,故,又,故当时,.
所以当时,.
变式训练4.证明:当x∈[0,1]时,x≤sin x≤x.
证明 记F(x)=sin x-x,则F′(x)=cos x-.
当x∈(0,)时,F′(x)>0,F(x)在[0,]上是增函数;当x∈(,1)时,F′(x)<0,F(x)在[,1]上是减函数.
又F(0)=0,F(1)>0,所以当x∈[0,1]时,F(x)≥0,即sin x≥x.
记H(x)=sin x-x,则当x∈(0,1)时,H′(x)=cos x-1<0,所以H(x)在[0,1]上是减函数,
则H(x)≤H(0)=0,即sin x≤x.
综上,x≤sin x≤x,x∈[0,1].
命题点3 不等式恒成立问题
【例3】 (2016·山东,20)已知f(x)=a(x-ln x)+,a∈R.
(1)讨论f(x)的单调性;(2)当a=1时,证明f(x)>f′(x)+对于任意的x∈[1,2]成立.
解析:f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=a--+=.
当a≤0时,x∈(0,1)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,x∈(1,+∞)时,f′(x)<0,f(x)单调递减.
当a>0时,f′(x)=.
①0<a<2时,>1,
当x∈(0,1)或x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增,当x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减.
②a=2时,=1,在x∈(0,+∞)内,f′(x)≥0,f(x)单调递增.
③a>2时,0<<1,当x∈或x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,当x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减.
综上所述,当a≤0时,f(x)在(0,1)内单调递增,在(1,+∞)内单调递减;
当0<a<2时,f(x)在(0,1)内单调递增,在内单调递减,在内单调递增;
当a=2时,f(x)在(0,+∞)内单调递增;
当a>2时,f(x)在内单调递增,在内单调递减,在(1,+∞)内单调递增.
(2)证明 由(1)知,a=1时,
f(x)-f′(x)=x-ln x+-=x-ln x++--1,x∈[1,2].
设g(x)=x-ln x,h(x)=+--1,x∈[1,2],则f(x)-f′(x)=g(x)+h(x).由g′(x)=≥0,可得g(x)≥g(1)=1,当且仅当x=1时取得等号.又h′(x)=.
设φ(x)=-3x2-2x+6,则φ(x)在x∈[1,2]单调递减.
因为φ(1)=1,φ(2)=-10,所以∃x0∈(1,2),使得x∈(1,x0)时,φ(x)>0,x∈(x0,2)时,φ(x)<0.
所以h(x)在(1,x0)内单调递增,在(x0,2)内单调递减.
由h(1)=1,h(2)=,可得h(x)≥h(2)=,当且仅当x=2时取得等号.
所以f(x)-f′(x)>g(1)+h(2)=.即f(x)>f′(x)+对于任意的x∈[1,2]成立.
【归纳总结】 (1)利用导数解不等式,一般可构造函数,利用已知条件确定函数单调性解不等式;
(2)证明不等式f(x)<g(x),可构造函数F(x)=f(x)-g(x),利用导数求F(x)的值域,得到F(x)<0即可;
(3)利用导数研究不等式恒成立问题,首先要构造函数,利用导数研究函数的单调性,求出最值,进而得出相应的含参不等式,从而求出参数的取值范围;也可分离变量,构造函数,直接把问题转化为函数的最值问题.
变式训练5.已知函数f(x)=ln x-,若f(x)<x2在(1,+∞)上恒成立,求a的取值范围.
解 ∵f(x)<x2,∴ln x-<x2,又x>0,∴a>xln x-x3,令g(x)=xln x-x3,则h(x)=g′(x)=1+ln x-3x2,
h′(x)=-6x=,
∵当x∈(1,+∞)时,h′(x)<0,∴h(x)在(1,+∞)上是减函数,∴h(x)<h(1)=-2<0,即g′(x)<0.
∴g(x)在(1,+∞)上也是减函数,∴g(x)<g(1)=-1,
∴当a≥-1时,f(x)<x2在(1,+∞)上恒成立.
考点2.利用导数构造函数证明不等式
【例4】已知函数.
(1)若函数在上为增函数,求正数的取值范围;
(2)求证:对于大于1的任意正整数,都有.
解析:(1)在上为增函数,所以对恒成立,即,对恒成立,即,对恒成立,所以.
(2)将不等式左边看成数列的前项和,则,
时,,待证式即为.
故问题成立的充分必要条件是时,,
当,,由(1)知,在上为增函数,此时,即(当且仅当取等号),令,则,
变式训练6.已知函数,.
(1)若不等式在上恒成立,求实数的取值范围.
(2)求证:.
解:(1)由得,又,则,令,则,当时,,递增;当,,递减;故,所以.
(2)由(1)知,,所以,
所以 ,
而
故.
评注:由第(1)问知恒成立时的最小值是, 我们取这个临界值便恰好得出第(2)问所需的不等关系.
变式训练7.已知函数的图象在点处的切线与直线平行.
(1)求,满足的关系.
(2)若在恒成立,求 的取值范围.
(3)证明:.
解:(1),根据题意,即;
(2)由(1)知,
令,,则,
①若,则,当时,,在递减,此时,不恒成立,舍去.
②当,则,当时, ,在递增,此时,即恒成立,符合题意.
(3)由(2)知,当时,,即,取,得.
取,,得,
即,即.
上式中,令,再将个不等式相加得:
.
评注 第(3)问是本题的核心,成功解答的关键是构造出不等关系,再进行恰当换元和赋值,这个不等式的得出是在第(2)问结论的基础上取的临界值 1 得到的,值得体会.
变式训练8.已知函数.
(1)当时,讨论的单调性;
(2)当时,若恒成立,求满足条件的正整数的值;
(3)求证:.
解:(1),
令,当时,为常函数,不具有单调性;
当时,,故在上单调递增.
(2)当时,,,,
设,则,由在上单调递增可知:当时,,;当时,,.所以当时,.
因为,所以,即,所以.因为,所以,所以,故正整数的取值为1、2或3.
(3)由(2)知,当时,恒成立,即,即,则.令,得
,
则(不放缩),
,,…,
以上n个式子相加得:
所以,
即
点评 本题第(2)问关键是构造不等式,不等式的得出是基于第(2)问时能取的最大值是3, 3依然是不等关系中的一个临界值.
【基础练习巩固】
1.若0<x1<x2<1,则( )
A B. C. D.
答案 C
解析 设f(x)=,则f′(x)==,当0<x<1时,f′(x)<0,∴f(x)=在(0,1)上为减函数,由0<x1<x2<1知,f(x1)>f(x2),即,∴.
2.设函数f(x)=ax2+bx+c(a,b,c∈R).若x=-1为函数g(x)=f(x)ex的一个极值点,则下列图象不可能为y=f(x)的图象的是( )
答案 D
解析 设h(x)=f(x)ex,则h′(x)=(2ax+b)ex+(ax2+bx+c)ex=(ax2+2ax+bx+b+c)ex.
由x=-1为函数f(x)ex的一个极值点. ∴c-a=0,∴c=a.∴f(x)=ax2+bx+a.
若方程ax2+bx+a=0有两根x1,x2,则x1x2==1,D中图象一定不满足条件.
3.设函数ht(x)=3tx-,若有且仅有一个正实数x0,使得h7(x0)≥ht(x0)对任意的正数t都成立,则x0等于( )
A.5 B. C. 3 D.
答案 D
解析 ∵h7(x0)≥ht(x0)对任意的正数t都成立,∴h7(x0)≥ht(x0)max,记g(t)=ht(x0)=3tx0-,
则g′(t)=3x0-,令g′(t)=0,得t=x,易得ht(x0)max=g(x)=x,∴21x0-14≥x,将选项代入检验可知选D.
4.已知函数f(x)=ax3-3x+1对x∈(0,1]总有f(x)≥0成立,则实数a的取值范围是________.
答案 [4,+∞)
解析 当x∈(0,1]时不等式ax3-3x+1≥0可化为a≥,设g(x)=,x∈(0,1],
g′(x)==-.
g′(x)与g(x)随x的变化情况如下表:
x
(0,)
(,1)
g′(x)
+
0
-
g(x)
↗
极大值4
↘
因此g(x)的最大值为4,则实数a的取值范围是[4,+∞).
5.已知函数f(x)=ax3-3x2+1,若f(x)存在唯一的零点x0,且x0>0,则a的取值范围是________.
答案 (-∞,-2)
解析 a=0时,不符合题意,a≠0时,f′(x)=3ax2-6x,令f′(x)=0,得x=0或x=,
若a>0,则由图象知f(x)有负数零点,不符合题意.
则a<0,由图象f(0)=1>0知,此时必有0<f<1,即0<a×-3×+1<1,化简得a2>4,又a<0,所以a<-2.
6.已知二次函数f(x)=ax2+bx+c的导函数为f′(x),f′(x)>0,对于任意实数x,有f(x)≥0,则的最小值为________.
答案 2
解析 ∵f′(x)=2ax+b,∴f′(0)=b>0.
由题意知,∴ac≥,∴c>0,∴=≥≥=2,当且仅当a=c时“=”成立.
7.若对于任意实数x≥0,函数f(x)=ex+ax恒大于零,则实数a的取值范围是________.
答案 (-e,+∞)
解析 ∵当x≥0时,f(x)=ex+ax>0恒成立.
∴若x=0,a为任意实数,f(x)=ex+ax>0恒成立.
若x>0,f(x)=ex+ax>0恒成立,即当x>0时,a>-恒成立.设Q(x)=-.
Q′(x)=-=.
当x∈(0,1)时,Q′(x)>0,则Q(x)在(0,1)上单调递增,当x∈(1,+∞)时,Q′(x)<0,则Q(x)在(1,+∞)上单调递减.
∴当x=1时,Q(x)取得最大值.Q(x)max=Q(1)=-e,∴要使x≥0时,f(x)>0恒成立,a的取值范围为(-e,+∞).
8.设a为实数,函数f(x)=ex-2x+2a,x∈R.
(1)求f(x)的单调区间与极值;
(2)求证:当a>ln 2-1且x>0时,ex>x2-2ax+1.
解:(1)由f(x)=ex-2x+2a,x∈R,知f′(x)=ex-2,x∈R.
令f′(x)=0,得x=ln 2.
于是当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,ln 2)
ln 2
(ln 2,+∞)
f′(x)
-
0
+
f(x)
↘
2-2ln 2+2a
↗
故f(x)的单调递减区间是(-∞,ln 2),单调递增区间是(ln 2,+∞),
f(x)在x=ln 2处取得极小值,极小值为f(ln 2)=eln 2-2ln 2+2a=2-2ln 2+2a.
(2)证明 设g(x)=ex-x2+2ax-1,x∈R,于是g′(x)=ex-2x+2a,x∈R.
由(1)知当a>ln 2-1时,g′(x)取最小值为g′(ln 2)=2(1-ln 2+a)>0.
于是对任意x∈R,都有g′(x)>0,所以g(x)在R内单调递增.
于是当a>ln 2-1时,对任意x∈(0,+∞),都有g(x)>g(0).
而g(0)=0,从而对任意x∈(0,+∞),都有g(x)>0.
即ex-x2+2ax-1>0,故当a>ln 2-1且x>0时,ex>x2-2ax+1.
9.设函数f(x)=a2ln x-x2+ax,a>0.
(1)求f(x)的单调区间;
(2)求所有的实数a,使e-1≤f(x)≤e2对x∈[1,e]恒成立.
解 (1)因为f(x)=a2ln x-x2+ax,其中x>0,所以f′(x)=-2x+a=-.
由于a>0,所以f(x)的增区间为(0,a),减区间为(a,+∞).
(2)由题意得f(1)=a-1≥e-1,即a≥e.
由(1)知f(x)在[1,e]内单调递增,要使e-1≤f(x)≤e2对x∈[1,e]恒成立.
只要 解得a=e.
10.设函数f(x)=aln x+x2-bx (a≠1),曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线斜率为0.
(1)求b;
(2)若存在x0≥1,使得f(x0)<,求a的取值范围.
解 (1)f′(x)=+(1-a)x-b,由题设知f′(1)=0,解得b=1.
(2)f(x)的定义域为(0,+∞),由(1)知,f(x)=aln x+x2-x,f′(x)=+(1-a)x-1=(x-1).
①若a≤,则≤1,故当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)在(1,+∞)上单调递增,所以,存在x0≥1,使得f(x0)<的充要条件为f(1)<,即-1<,解得--1<a<-1.
②若<a<1,则>1,故当x∈时,f′(x)<0;
当x∈时,f′(x)>0,f(x)在上单调递减,在上单调递增.
所以,存在x0≥1,使得f(x0)<的充要条件为f<.
而f=aln++>,所以不合题意.
③若a>1,则f(1)=-1=<.
综上,a的取值范围是(--1,-1)∪(1,+∞).
1.在困惑中反思—— 一个简单问题引发的思考
以上几道试题无论是背景、设问、还是解法都极其相似, 我们不难发现: 解题时我们要学会反思, 明晰命题人的设问意图,要善于挖掘题目结论中隐含的条件, 关注参数取值范围的临界值,当合理构造出不等关系时, 解题就能在“ 山穷水尽”的瓶颈处走向“柳暗花明”!
沁园春·雪 <毛泽东>
北国风光,千里冰封,万里雪飘。
望长城内外,惟余莽莽;
大河上下,顿失滔滔。
山舞银蛇,原驰蜡象,
欲与天公试比高。
须晴日,看红装素裹,分外妖娆。
江山如此多娇,引无数英雄竞折腰。
惜秦皇汉武,略输文采;
唐宗宋祖,稍逊风骚。
一代天骄,成吉思汗,
只识弯弓射大雕。
俱往矣,数风流人物,还看今朝。
薄雾浓云愁永昼, 瑞脑消金兽。 佳节又重阳, 玉枕纱厨, 半夜凉初透。
东篱把酒黄昏后, 有暗香盈袖。 莫道不消魂, 帘卷西风, 人比黄花瘦。
薄雾浓云愁永昼, 瑞脑消金兽。 佳节又重阳, 玉枕纱厨, 半夜凉初透。
东篱把酒黄昏后, 有暗香盈袖。 莫道不消魂, 帘卷西风, 人比黄花瘦。
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