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函数中的任意性和存在性问题,很好地体现了函数思想与逻辑推理的紧密联系,本文通过对一个函数问题的三种变式研究,谈谈函数中有关任意性和存在性问题的转化策略,希望对同学们有所启发.
问题:已知函数f(x)=2k2x+k,x∈[0,1],函数g(x)=3x2-2(k2+k+1)x+5,x∈[-1,0].当k=6时,对任意x1∈[0,1],是否存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立?若k=2呢?
分析:记f(x)的值域为A,g(x)的值域为B,当k=6时,A=[6,78],B=[5,94],由于A?B,所以,对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立.
当k=2时,A=[2,10],B=[5,12],由于A?B,所以,对任意x1∈[0,1],不一定存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立.
变式1:对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立,求k的取值范围.
分析:由于A=[k,2k2+k],B=[5,2k2+2k+10],根据题意,只要A?B即可.也就是求满足条件k≥5,
2k
+k≤2k
+2k+10的解集,从而解得k≥5.
通过上面的分析,我们可归纳出如下结论:
结论1:设函数f(x)在[a,b]上的值域为A,g(x)在[c,d]上的值域为B,则A?B?任意x1∈[a,b]存在x2∈[c,d],使得g(x2)=f(x1)成立.
变式2:存在x1∈[0,1],x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立,求k的取值范围.
分析:要使“存在x1∈[0,1],x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立”,只要A∩B≠?即可.为此,我们先求A∩B≠?的k的取值范围.
若A∩B=?,则2k2+k<5或2k2+2k+10<k,解得<k<,所以,符合题意的k的取值范围为(-∞,]∪,+∞).
我们将上述问题再作一般性的推广,易得如下结论成立:
结论2:设函数f(x)在[a,b]上的值域为A,g(x)在[c,d]上的值域为B,则存在x1∈[a,b],x2∈[c,d],使得g(x2)=f(x1)成立?A∩B≠?.
变式3:对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)<f(x1)成立,求k的取值范围.
分析:要使“对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)<f(x1)成立”,只要g(x)min<f(x)min即可.由于A=[k,2k2+k],B=[5,2k2+2k+10],所以只要k>5即可.
若将它推广到一般情况,则有如下结论成立:
结论3:任意x1∈[a,b],存在x2∈[c,d],使得g(x2)=f(x1)成立?g(x)min<f(x)min.
进一步分析,易得下面结论:
结论4:任意x1∈[a,b],x2∈[c,d],使得g(x2)<f(x1)成立?g(x)min<f(x)min.
讲到这里,请同学们不妨解答如下两个问题:
1. 已知函数f(x)=x3-(k2-k+1)x2+5x-2,g(x)=k2x2+kx+1,其中k∈R.设函数q(x)=g(x),x≥0
f(x),x<0是否存在k,对任意给定的非零实数x1,存在惟一的非零实数x2(x2≠x1),使得q(x2)=q(x1)?若存在,求k的值;若不存在,请说明理由.
答案:k=5.
2. 已知函数f(x)=(2-a)(x-1)-2lnx,g(x)=xe1-x.若对任意给定的x0∈(0,e],在(0,e]上总存在两个不同的xi(i=1,2),使得f(xi)=g(x0)成立,求a的取值范围.
答案: a∈(-∞,2-].
同学们,我们应该明确,有关函数中的存在性与任意性问题,可把函数值的相等关系转化为函数值域之间的包含关系,把函数值之间的不等关系转化为函数最值的大小关系,并注意转化与化归、数形结合、分类讨论等数学思想方法的恰当应用.
(作者单位:浙江省绍兴县柯桥中学)
责任编校 徐国坚
问题:已知函数f(x)=2k2x+k,x∈[0,1],函数g(x)=3x2-2(k2+k+1)x+5,x∈[-1,0].当k=6时,对任意x1∈[0,1],是否存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立?若k=2呢?
分析:记f(x)的值域为A,g(x)的值域为B,当k=6时,A=[6,78],B=[5,94],由于A?B,所以,对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立.
当k=2时,A=[2,10],B=[5,12],由于A?B,所以,对任意x1∈[0,1],不一定存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立.
变式1:对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立,求k的取值范围.
分析:由于A=[k,2k2+k],B=[5,2k2+2k+10],根据题意,只要A?B即可.也就是求满足条件k≥5,
2k
+k≤2k
+2k+10的解集,从而解得k≥5.
通过上面的分析,我们可归纳出如下结论:
结论1:设函数f(x)在[a,b]上的值域为A,g(x)在[c,d]上的值域为B,则A?B?任意x1∈[a,b]存在x2∈[c,d],使得g(x2)=f(x1)成立.
变式2:存在x1∈[0,1],x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立,求k的取值范围.
分析:要使“存在x1∈[0,1],x2∈[-1,0],使得g(x2)=f(x1)成立”,只要A∩B≠?即可.为此,我们先求A∩B≠?的k的取值范围.
若A∩B=?,则2k2+k<5或2k2+2k+10<k,解得<k<,所以,符合题意的k的取值范围为(-∞,]∪,+∞).
我们将上述问题再作一般性的推广,易得如下结论成立:
结论2:设函数f(x)在[a,b]上的值域为A,g(x)在[c,d]上的值域为B,则存在x1∈[a,b],x2∈[c,d],使得g(x2)=f(x1)成立?A∩B≠?.
变式3:对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)<f(x1)成立,求k的取值范围.
分析:要使“对任意x1∈[0,1],存在x2∈[-1,0],使得g(x2)<f(x1)成立”,只要g(x)min<f(x)min即可.由于A=[k,2k2+k],B=[5,2k2+2k+10],所以只要k>5即可.
若将它推广到一般情况,则有如下结论成立:
结论3:任意x1∈[a,b],存在x2∈[c,d],使得g(x2)=f(x1)成立?g(x)min<f(x)min.
进一步分析,易得下面结论:
结论4:任意x1∈[a,b],x2∈[c,d],使得g(x2)<f(x1)成立?g(x)min<f(x)min.
讲到这里,请同学们不妨解答如下两个问题:
1. 已知函数f(x)=x3-(k2-k+1)x2+5x-2,g(x)=k2x2+kx+1,其中k∈R.设函数q(x)=g(x),x≥0
f(x),x<0是否存在k,对任意给定的非零实数x1,存在惟一的非零实数x2(x2≠x1),使得q(x2)=q(x1)?若存在,求k的值;若不存在,请说明理由.
答案:k=5.
2. 已知函数f(x)=(2-a)(x-1)-2lnx,g(x)=xe1-x.若对任意给定的x0∈(0,e],在(0,e]上总存在两个不同的xi(i=1,2),使得f(xi)=g(x0)成立,求a的取值范围.
答案: a∈(-∞,2-].
同学们,我们应该明确,有关函数中的存在性与任意性问题,可把函数值的相等关系转化为函数值域之间的包含关系,把函数值之间的不等关系转化为函数最值的大小关系,并注意转化与化归、数形结合、分类讨论等数学思想方法的恰当应用.
(作者单位:浙江省绍兴县柯桥中学)
责任编校 徐国坚