例说函数图像中“不可或缺”的渐近线

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  我们知道,函数图像的渐近线有水平渐近线、竖直渐近线、斜渐近线,甚至还有渐近曲线,我们也可以从极限的角度来寻找这些渐近线。可是,什么函数题型有渐近线,渐近线又有哪些类型?通过部分典型例题简单归结如下:
  一、函数值的影响
  2016年苏州一模卷第20题在2015年全国卷第12题的基础上进行了改编,通过比较发现,投机取巧已经解决不了这道题,必须深挖函数隐藏的性质,还原真实的函数图像。
  例1(2016年苏州一模第20题)已知函数f(x)=ex(2x-1)-ax+a(a∈R),e为自然对数的底数。
  (1)当a=1时,求函数f(x)的单调区间;
  (2)①若存在实数x,满足f(x)<0,求实数a的取值范围;
  ②若有且只有唯一整数x0,满足f(x0)<0,求实数a的取值范围。
  解析:(1)当a=1时,f(x)=ex(2x-1)-x+1,f′(x)=ex(2x+1)-1。
  由于f′(0)=0,
  当x∈(0,+∞)时,ex>1,2x+1>1,所以f′(x)>0;
  当x∈(-∞,0)时,0  导数f′(x)的图像如图1所示,
  所以f(x)在区间(-∞,0)上单调递减,
  在區间(0,+∞)上单调递增。
  反思:解题中,对于f′(x)=ex(2x+1)-1=0的根,学生只能找到x=0,其余未知。因此,取g(x)=f′(x)=ex(2x+1)-1,有g′(x)=f″(x)=ex(2x+3),令g′(x)=0,得x=-32,g(x)在-∞,-32上单调递减,在-32,+∞上单调递增。仅从单调性上还是难以确定g(x)=f′(x)的正负,因此陷入困境。
  如果结合函数的单调性和已知区间上函数值的正负,辅助极限思想,我们就可以很快确定函数图像的渐近线,规避错误,打开后续解题思路。
  二、函数定义域的影响
  (2)①由f(x)<0得ex(2x-1)  当x=1时,不等式显然不成立;
  当x>1时,a>ex(2x-1)x-1;当x<1时,a  记g(x)=ex(2x-1)x-1,g′(x)=ex(2x+1)(x-1)-ex(2x-1)(x-1)2=ex(2x2-3x)(x-1)2,
  所以g(x)在区间(-∞,0)和32,+∞上为增函数,在(0,1)和1,32上为减函数,
  函数g(x)的图像如图2所示。
  所以当x>1时,a>g32=4e32;
  当x<1时,a  综上所述,所有a的取值范围为(-∞,1)∪(4e32,+∞)。
  ②由①结合例1易得。(略)
  反思:本题没有设置障碍,在参变分离时自然要讨论x>1和x<1,所以学生也可以通过分类讨论完成。反思本题,对于函数g(x)=ex(2x-1)x-1而言,作出整个函数图像既要考虑单调性,也要注意隐藏的定义域所产生的渐近线x=1。
  三、定义域与函数值的双重影响
  例2设a∈R,函数f(x)=lnx-ax。
  (1)讨论函数的单调区间和极值;
  (2)若f(x)有两个零点,求实数a的取值范围。
  解法1:(1)函数f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=1x-a。
  当a≤0时,f′(x)>0,f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值;
  当a>0时,f(x)在0,1a上单调递增,在1a,+∞上单调递减,f(x)有极大值f1a=ln1a-1=-lna-1。
  (2)解法1:由(1)的单调性、极值知:当a≤0时,没有两个零点,舍去;当a>0时,极大值f1a=-lna-1>0,得lna<-1,所以0  解法2:由题意知f(x)=lnx-ax=0在(0,+∞)上有两解,参变分离得a=lnxx在(0,+∞)上有两解,令g(x)=lnxx,则g′(x)=1-lnxx2,g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减。由limx→0+lnxx=-∞,limx→+∞lnxx=0,可得g(x)图像,如图3。
  故0  反思:解法2易错,错解为a<1e,错误原因是只考虑单调性作出草图而忽略了两条渐近线的存在。
  四、图像位置关系的影响
  例3作出y=x+1x和y=x-1x的函数图像。
  解析:这是我们较熟悉的对勾函数,但作图时我们应该关注它有两条渐近线,除了熟知的x=0外,还有y=x也是它的渐近线。当x→+∞时,x+1x→+∞且x+1x>x恒成立;当x→-∞时结论类似。所以函数y=x+1x的图像如图4所示。
  如图5,函数y=x-1x也很特殊,我们平时关注较多的是它的单调性,因为y′=1+1x2>0,所以函数在(-∞,0),(0,+∞)上是增函数,其实它的图像也有两条渐近线分别是x=0和y=x。注:由于斜渐近线涉及极限思想和洛必达法则,高中阶段不作要求,此处不展开。
  五、去伪存真,提升能力
  例4作出y=xlnx的函数图像。
  解析:y′=lnx+1,令y′=0,x=1e,则函数在0,1e上递减,在1e,+∞上递增。通过几何画板作图,结合极限思想,函数y=xlnx的图像没有渐近线。如图6所示。
  反思:题型有模式,但思考决不能钻进套路。我们在归纳的同时,也不能以偏概全,要学会去伪存真,提升数学思维能力。
  练习:(2016年新课标全国卷Ⅰ第21题)已知函数f(x)=(x-2)ex+a(x-1)2有两个零点。
  (1)求实数a的取值范围;
  (2)设x1,x2是f(x)的两个零点,证明:x1+x2<2。
  函数图像中“不可或缺”的渐近线让我们加深了对函数的理解,也让我们获得了思考的乐趣。
  作者单位:江苏省如皋市搬经中学
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