解读函数与不等式综合题

来源 :高中生学习·高三文综版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liutingkaoyanhao
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  在高考数学中,函数与不等式的综合题是函数、方程、不等式、数列等内容的有机结合. 证明不等式的方法很多,但在处理函数与不等式的综合题时,运用常规办法往往难以奏效或过程繁琐,需另辟蹊径. 本文结合实例,通过充分利用函数性质来探求这类题型的解题策略.
  等价转化后作差构造函数证明不等式
  例1 设函数[f(x),g(x)]的定义域为[R],且[f(x)]是奇函数,[g(x)]是偶函数,[f(x)+g(x)=ex],其中[e]为自然对数的底数.
  (1)求[f(x),g(x)]的解析式,并证明:当[x>0]时,[f(x)>0],[g(x)≥1];
  (2)设[a≤0,b≥1],证明:当[x>0]时,[ag(x)+(1-a)  分析 根据函数性质,不难得出(1)中[f(x)=ex-e-x2>0,g(x)=ex+e-x2>1]. 如果直接将[f(x)],[g(x)]的解析式代入(2)中的不等式,再化简变形进行证明的话,就会非常繁琐. 我们注意到[x>0],(2)所证不等式等价于[axg(x)+(1-a)x  解 (1)略
  (2)①要证[f(x)x>ag(x)+(1-a),]
  即证[f(x)>axg(x)+(1-a)x],
  构造函数[h(x)=f(x)-axg(x)-(1-a)x],
  又[f(x)=g(x),g(x)=f(x)],
  [∴h(x)=f(x)-[ag(x)+ax?g(x)]-(1-a)]
  [=g(x)-[ag(x)+a?x?f(x)]-(1-a)]
  [=(1-a)[g(x)-1]-axf(x)].
  [∵a≤0,g(x)≥1,f(x)>0,∴h(x)>0.]
  故[h(x)]在[[0,+∞)]上为增函数,从而[h(x)>h(0)=0],即[f(x)x>ag(x)+(1-a)].
  ②要证[f(x)x  构造函数[φ(x)=f(x)-bxg(x)-(1-b)x],
  [∴φ(x)=(1-b)[g(x)-1]-bxf(x)].
  又[∵b≥1,g(x)≥1,f(x)>0],
  [∴φ(x)<0],即[φ(x)]在[[0,+∞)]上为减函数.
  从而[φ(x)<φ(0)=0],即[f(x)x  故不等式得证.
  解读 本题第(1)问通过函数的奇偶性来构造方程组,从而得出函数解析式及其相关性质. 第(2)问通过结合条件等价变形,并巧妙地结合第(1)问中[f(x),g(x)]之间的关系,直接作差构造函数达到证明不等式的目的.
  利用函数的最值证明不等式
  例2 已知数列[an]的各项均为正数,[bn=n(1+1n)nan(n∈N*)],[e]为自然对数的底数. 求函数[f(x)=1+x-ex]的单调区间,并比较[(1+1n)n]与[e]的大小.
  分析 通过取[n]的特值,猜想[(1+1n)n  解 通过求导知,[f(x)=1-ex],当[x<0]时,[f(x)>0;]当[x>0]时,[f(x)<0],
  所以[f(x)]在[(-∞,0)]上增函数,在[(0,+∞)]上为减函数,[f(x)max=f(0)=0],
  故当[x>0]时,[f(x)  令[x=1n]得,[1+1n  解读 本题直接由函数的最大值得出函数不等式,再经过换元就得到数列不等式的大小.
  例3 已知函数[f(x)=ex-ln(x+m)].
  (1)设[x=0]是[f(x)]的极值点,求[m],并讨论[f(x)]的单调性;
  (2)当[m≤2]时,证明:[f(x)>0].
  分析 对于第(2)问,如果直接转化为[f(x)min>0],就必须探求[f(x)]的最小值,从而转化为对任意[m≤2]讨论[f(x)]的单调性,比较繁琐,不易采用此种思路.我们注意到,当[m≤2,x∈(-m,+∞)]时,[ln(x+m)≤ln(x+2)],通过放缩,有[f(x)=ex-ln(x+m)≥ex-ln(x+2)],所以只需证[ex-ln(x+2)>0]即可,而证明上述不等式,必须寻求当[m=2]时[f(x)]的最小值.
  解 (1)略
  (2)当[m≤2],[x∈(-m,+∞)]时,[ln(x+m)≤ln(x+2)],
  故只需证明当[m=2]时,[f(x)>0].
  当[m=2]时,函数[f(x)=ex-1x+2]在[(-2,+∞)]上单调递增.
  又[f(-1)<0,f(0)>0,]故[f(x)=0]在[(-2,+∞)]上有惟一实根[x0],且[x0∈(-1,0)].
  当[-2x0]时,[f(x)>0].
  [∴f(x)]在[x=x0]处取得最小值.
  [∴f(x)≥f(x0)=ex0-ln(x0+2)]   又[f(x0)=ex0-2x0+2=0],即[ln(x0+2)=-x0].
  [∴f(x)≥f(x0)=1x0+2+x0=(x0+1)2x0+2>0].
  综上,当[m≤2]时,[f(x)>0].
  解读 本题通过适当的放缩,转化为寻求当[m=2]时[f(x)]的最小值,利用最小值大于零从而达到证明不等式的目的. 与例2的区别在于,本题无法求出具体的最值点,而是首先验证极值点的存在性和惟一性,再说明此时极值点就是所求的最小值点,并充分利用极值点满足的方程来验证最小值大于零.
  利用函数单调性证明不等式
  例4 已知常数[a≥0],函数[f(x)=ln(1+x)+a2x2-x,][x≥0,]
  (1)讨论函数[f(x)]的单调性;
  (2)设[n∈N*],求证:[ln(n+1)  分析 要证明(2)中[ln(n+1)x-x22(x>0)],即证[ln(1+x)>][x22-x>0],此不等式恰好可以利用当[a≥1]时函数[f(x)]的单调性加以证明.
  解 (1)通过分类讨论知,
  当[a=0]时,[f(x)]在[[0,+∞)]上单调递减.
  当[0  当[a≥1]时,[f(x)]在[[0,+∞)]上单调递增.
  (2)由(1)知,[a=0]时,[f(x)]在[[0,+∞)]上减函数.
  又[f(0)=0],
  [∴f(x)=ln(1+x)-x0)].
  令[x=1n,]则[ln(1+1n)<1n(n∈N*)].
  [即ln(1+1)<1,ln(1+12)<12,ln(1+13)<13,…,ln(1+1n)<1n,]
  相加得,[ln(n+1)  由(1)知,[a=1]时,[f(x)]在[[0,+∞)]上为增函数.
  又[f(0)=0],
  [∴f(x)=ln(1+x)+x22-x>f(0)=0 (x>0)],
  即[ln(1+x)>x-x22(x>0).]
  令[x=1n],则[ln(1+1n)>1n-12n2(n∈N*).]
  [∴ln(1+1)>1-12×112],[ln(1+12)>12-12×122],
  [ln(1+13)>13-12×132,…,ln(1+1n)>1n-12×1n2]
  相加得,[ln(n+1)>k=1n1k-12(1+122+132+…+1n2)].
  [∴k=1n1k  [  [=ln(n+1)+12[1+(1-12)+(12-13)+…+(1n-1-1n)]]
  [=ln(n+1)+2n-12n].
  解读 本题第(2)问通过寻求数列不等式的通项,换元转化为函数不等式,再结合第(1)问函数的单调性的结论,从而达到证明不等式的目的.
  在解题时遇到类似的问题,我们就可以尝试以上三种策略. 先根据题设条件和欲证结论选定变量(或者换元设置新的变量,利用欲证结论与题目所涉及的函数之间的联系来选取适当的函数,或者根据欲证结论构造新的函数),然后运用导数工具,充分利用函数的最值、单调性、有界性等性质达到证明不等式的目的.
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