找分界点思想在一类导数题中的应用

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  寻找分界点是解决分类讨论问题的关键所在.对于找分界点,就是先对所需分类的参数所代表的数的分界点,都先求出来,然后逐一分类写出.笔者通过几道近几年的高考题和竞赛题为例,谈谈它的应用.
  例1(2014年新课标Ⅱ卷理21)已知函数f(x)=ex-e-x-2x.
  (1)讨论f(x)的单调性;
  (2)设g(x)=f(2x)-4bf(x),当x>0时,g(x)>0,求b的最大值.
  分析本题是一道典型的导数分类讨论题,通常的做法是先求导确定g(x)的单调性,利用g(x)的单调性求出其最小值,进而得到关于b的不等式,再解出b的取值范围,最终确定b的最大值.问题的关键是怎样确定g(x)的单调性?思路虽然清晰,但实际运算比较复杂.
  解(1)f′(x)=ex e-x-2≥0,仅当x=0时等号成立.所以f(x)在R上单调递增.(略)
  (2)g′(x)=2f′(2x)-4bf′(x)=2(ex e-x-2)(ex e-x-2b 2).
  (Ⅰ)当b≤2时,g′(x)≥0,等号仅当x=0时成立,所以g(x)在(-∞, ∞)单调递增,而g(0)=0,所以对任意x>0,g(x)>0;
  (Ⅱ)当b>2时,若x满足2  综上,b的最大值为2.
  点评本题g(x)的单调性由ex e-x-2b 2的正负确定,因此b的“分界点”可以由方程ex e-x-2b 2=0提供,又b=ex e-x 22≥2,则b的“分界点”为2,又因为ex e-x-2b 2=0即(ex)2-(2b-2)ex 1=0,ex的2个值之积等于1,所以ex=(b-1)-(b-1)2-1<1,则x<0;ex=(b-1) (b-1)2-1>1,则x>0;所以对变量x而言,0又是“分界点”.准确地找到这些“分界点”可以将分类讨论问题“一剑封喉”,讨论分界点时一般采用先小后大的原则.
  变式1(2012年全国高中数学联合竞赛湖北省预赛11)设f(x)=loga(x-2a) loga(x-3a),其中a>0且a≠1.若在区间[a 3,a 4]上f(x)≤1恒成立,求a的取值范围.
  (答案:a的取值范围(0,1))
  我们再来看今年全国卷的一道压轴题,找分界点的思想在两问中都体现出来了.
  例2(2016年高考新课标Ⅰ卷21)已知函数f(x)=(x-2)ex a(x-1)2.
  (1)讨论f(x)的单调性;
  (2)若f(x)有两个零点,求a的取值范围.
  分析(1)先求导,得f ′(x)=(x-1)(ex 2a),再根据ex=-2a>0
  ln(-2a)=1找到a的“分界点”为0,-e2,然后进行分类讨论确定f(x)的单调性;(2)借助第一问的结论,通过分类讨论函数单调性和最值的正负,确定零点个数,从而确定a的取值范围.
  解(1)f ′(x)=(x-1)ex 2a(x-1)=(x-1)(ex 2a).
  (ⅰ)设a≥0,则当x∈(-∞,1)时,f ′(x)<0;当x∈(1, ∞)时,f ′(x)>0.
  所以在(-∞,1)单调递减,在(1, ∞)单调递增.
  (ⅱ)设a<0,由f ′(x)=0得x=1或x=ln(-2a).
  ①若a=-e2,则f ′(x)=(x-1)(ex-e),所以f(x)在(-∞, ∞)单调递增.
  ②若a>-e2,则ln(-2a)<1,
  故当x∈(-∞,ln(-2a))∪(1, ∞)时,f ′(x)>0;
  当x∈(ln(-2a),1)时,f ′(x)<0,所以f(x)在(-∞,ln(-2a)),(1, ∞)单调递增,在(ln(-2a),1)单调递减.
  ③若a<-e2,则ln(-2a)>1,
  故当x∈(-∞,1)∪(ln(-2a), ∞)时,f ′(x)>0,当x∈(1,ln(-2a))时,f ′(x)<0,所以f(x)在(-∞,1),(ln(-2a), ∞)单调递增,在(1,ln(-2a))单调递减.
  (2)(ⅰ)设a>0,则由(1)知,f(x)在(-∞,1)单调递减,在(1, ∞)单调递增.又f(1)=-e,f(2)=a,取b满足b<0且b2a2(b-2) a(b-1)2=a(b3-32b)>0,所以f(x)有两个零点.
  (ⅱ)设a=0,则f(x)=(x-2)ex,所以f(x)有一个零点.
  (ⅲ)设a<0,①若a≥-e2,则由(1)知,f(x)在(1, ∞)单调递增.
  又当x≤1时,f(x)<0,故f(x)不存在两个零点;
  ②若a<-e2,则由(1)知,f(x)在(1,ln(-2a))单调递减,在(ln(-2a), ∞)单调递增.又当x≤1时,f(x)<0,故f(x)不存在两个零点.
  综上,a的取值范围为(0, ∞).
  点评在第一问中采用分界点法一次性找出分类点,然后按照先小后大的原则逐一讨论解决;第二问讨论中嵌套讨论,这里有两个讨论的标准,第一个是函数单调性的分界点,第二个是最值正负的分界点,这时宜采用先整体后局部的原则,有些问题仅靠一次分类是不够的, 需要进行二级分类、三级分类等等.
  变式2(2010年全国新课标文科21题)设函数f(x)=x(ex-1)-ax2.
  (1)若a=12,求f(x)的单调区间;
  (2)若当x≥0时f(x)≥0,求a的取值范围.   (答案:(1)f(x)的单调增区间为(-∞,-1),(0, ∞),减区间为(-1,0).
  (2)a的取值范围为(-∞,1]).
  找分界点思想在实践应用上,要求站在全局的高度统揽分类讨论的各种情况,再从小到大各段击破,或者先整体后局部覆盖式击破,不管采用哪种方式,都提醒我们一点,要揭示分类讨论过程中如何找分界点的.再看下面一道高考题是采用什么方法找分界点的?
  例3(2010年全国新课标Ⅰ卷理科21题)设函数f(x)=ex-x-1-ax2.
  (1) 若a=0,求f(x)的单调区间;
  (2) 若当x≥0时f(x)≥0,求a的取值范围.
  分析(1)先求导,得f ′(x)=ex-1,然后分情况讨论确定f(x)的单调区间;(2)借助第一问隐藏的结论ex≥1 x,将ex缩小为1 x后,再讨论一次函数(1-2a)x的正负,从而产生a的分界点为12,然后讨论确定f(x)的单调性和最值的正负,确定零点个数,最终确定a的取值范围.本题采用“二连环”将两问紧密联系在一起考,让很多考生“泪奔”!
  解(1)a=0时,f(x)=ex-x-1,f ′(x)=ex-1.
  当x∈(-∞,0)时,f ′(x)<0;当x∈(0, ∞)时,f ′(x)>0.
  故f(x)的单调减区间为(-∞,0],单调增区间为(0, ∞).
  (2)f ′(x)=ex-1-2ax,
  由(1)知ex≥1 x,当且仅当x=0时等号成立.
  故f ′(x)≥x-2ax=(1-2a)x,
  从而当1-2a≥0,即a≤12时,f ′(x)≥0(x≥0),而f(0)=0,
  于是当x≥0时,f(x)≥0.由ex>1 x(x≠0)可得e-x>1-x(x≠0).
  从而当a>12时,f ′(x)  故当x∈(0,ln2a)时,f ′(x)<0,而f(0)=0,
  于是当x∈(0,ln2a)时,f(x)<0.
  综合得a的取值范围为(-∞,12].
  点评本题主要考查利用导数研究函数性质、不等式恒成立问题以及参数取值范围问题,考查分类讨论、转化与化归解题思想及其相应的运算能力.对于ex≥1 x这个结论,它其实来自于课本(人教A版选修2-2第三十二页习题13B组第1题(4)).另外,本题分界点的产生,除了代换,还可以令f ′(x)=ex-1-2ax=0y=ex-1
  y=2ax二者相切时,有ex-1=2ax
  2a=exx=0
  a=12,再分段讨论求解.
  变式3(2015年全国高中数学联赛福建预赛8)已知函数f(x)=ex(x-aex)恰有两个极值点x1,x2(x1  (答案:a的取值范围为(0,12) ).
  对于含有参数的函数单调性、极值、零点问题,一般通过解方程、列方程求值域、画图像寻找参数的分界点,要注意找分界点的原则:无漏、有效、有序.要确保分界点分割的各段之间讨论无交叉,分类要完整.
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