利用导数解决恒成立问题的若干方法

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  2013年高考数学新课标卷Ⅰ第21题:已知函数
  f (x)=x2+ax+b,g(x)=ex(cx+d),若曲线
  y=f (x)
  和曲线y=g(x)都过点P(0,2),且在点P处有相同的切线y=4x+2.
  (Ⅰ)求a,b,c,d的值;
  (Ⅱ)若x≥-2时,f (x)≤kg(x),求k的取值范围.
  第(Ⅰ)问解得a=4,b=2,c=2,d=2.主要借助导数的几何意义及切线方程求参数的值.
  第(Ⅱ)问很容易看出是导数中的一类常规题型:恒成立问题.并且解决方案用到了我们解决恒成立问题常用的三种方法.
  方法1:构造函数,分类讨论.
  由(Ⅰ)可知f (x)=x2+4x+2,g(x)=2ex(x+1),
  设函数F(x)=kg(x)-f (x)=2kex(x+1)-x2-4x-2,则
  F′(x)=2kex(x+2)-2x-4=2(x+2)(kex-1)
  由题设可得F(0)≥0,即
  k≥1,令F′(x)=0,得
  x1=-lnk,x2=-2.
  (ⅰ)若
  1≤k≤e2,则-2  x∈(-2,x1)时,F′(x)<0;当
  x∈(x1,+∞)时,
  F′(x)>0.即
  F(x)在(-2,x1)上单调递减,在
  (x1,+∞)上单调递增.故
  F(x)在
  [-2,+∞)上的最小值为
  F(x1).而
  F(x1)=2x1+2-x21-4x1-2
  =-x1(x1+2)≥0.
  故当
  x≥2时,
  F(x)≥0,即f (x)≤kg(x).
  (ⅱ)若k=e2,则
  F′(x)=2e2(x+2)(ex-e-2),从而当
  x>-2时,
  F′(x)>0,即
  F(x)在(-2,+∞)上单调递增.而
  F(-2)=0,故当
  x≥-2时,
  F(x)≥0,即
  f (x)≤kg(x).
  (ⅲ)若k>e2,则
  F(-2)=-2ke-2+2=-2e-2(k-e2)<0 ,从而当
  x≥-2时,
  f (x)≤kg(x)不可能成立.
  方法2:分离参数后,构造函数.
  若x≥-2时,
  f (x)≤kg(x),即x2+4x+2≤kex(2x+2)(1)
  (ⅰ)当x=-1时,-1≤k
  ·0,即-1≤0恒成立,
  (ⅱ)当x>-1时,(1)式等价与
  x2+4x+2ex(2x+2)≤k
  恒成立.
  令F(x)=x2+4x+2ex(2x+2),
  则
  F′(x)=
  (2x+4)(2x+2)ex-(2x+4)(x2+4x+2)ex
  e2x(2x+2)2
  整理将F′(x)=-2x(x+2)2e2x(2x+2)2.
  当x∈(-1,0)时,F′(x)>0,F(x)单调递增,当
  x∈(0,+∞)时,F′(x)<0,F(x)单调递减.
  所以F(x)的最大值为F(0)=1,所以k≥1.
  (ⅲ)当-2  x2+4x+2ex(2x+2)≥k
  恒成立.同样构造函数F(x).
  由(ⅱ)可知x∈(-2,-1)时
  F′(x)>0,F(x)单调递增.所以F(x)的最小值为
  F(-2)=e2,所以k≤e2.
  综上所述,1≤k≤e2.
  方法3:适当变形,数形结合.
  若x≥-2时,
  f (x)≤kg(x),即
  x2+4x+2
  ex≤2k(x+1)
  (1)
  令F(x)=x2+4x+2ex
  ,G(x)=2k(x+1).
  若当x≥2时(1)恒成立,则
  F(x)的图象恒在G(x)图象及其的下方.
  又F′(x)=
  -x2-2x+2ex,令
  F′(x)=0,得
  x1=3-1,x2=-
  3-1 (舍去)
  则当x∈(-2,3-1)时,F′(x)>0,F(x)单调递增,当
  x∈(3-1,+∞)时F′(x)<0,F(x)单调递减.且
  F(-2)=-2e2,F(3
  -1)=
  23+2e
  3-1
  ,F(-1)=-e,F(0)=2.
  图1
  由罗比塔法则可知 limx→∞
  x2+4x+2ex
  =limx→+∞
  2x+4exx→+∞
  2ex=0.
  当x→+∞,F(x)→0.
  F(x)的图象如图1所示.
  函数G(x)的图象为恒过点
  (-1,0)的直线,由图可知:当且仅当直线过点
  (-2,-2e2),并由此顺时针绕点
  (-1,0)旋转到与F(x)的图象相切时,都符合题意.直线过点
  (-2,-2e2)时斜率
  2k=2e2,k=e2,直线与
  F(x)的图象相切时,设切点为
  (x,x2+4x+2ex),
  则有
  x2+4x+2ex
  x-(-1)=
  -x2-2+2ex,解得x=0或-2(由此可知
  G(x)过点
  (-2,-2e2)时也与F(x)相切).则切点为(0,2)时直线的斜率2k=2,
  即k=1,综上所述
  1≤k≤e2.
  这道关于导数的高考试题完全立足于基础知识与常规方法,重在考查学生是否能够克服畏难情绪,灵活利用基本方法,解决恒成立问题.通过这样一个常规题型深入考查学生的运算能力,综合解决问题的能力及分类讨论与数形结合的思想.解决恒成立问题的三种方法要结合具体题目灵活运用.
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