导数应用中对含参问题的分类讨论

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  导数是解决函数单调性、最值等问题十分有利的工具,但学生在运用导数解决含参的问题时,往往会束手无措,特别是对其中的分类讨论感到无从下手。其实联想到含参的二次函数求最值中,主要有两类:动轴定区间和定轴动区间,不论哪一类,我们通常是按照轴在区间左侧、轴在区间内和轴在区间右侧分三类来讨论。类比上述方法,就可以轻松解决导数应用中对含参问题的分类讨论。举例说明如下:
  一、 动点定区间
  例1 已知函数f(x)=lnx-ax,若f(x)在[1,e]上的最小值为32,求a的值.
  分析:先假设函数f(x)的定义域为R,由f(x)=lnx-ax,得f′(x)=1x+ax2=x+ax2,由f′(x)=0,解得x=-a.令f′(x)>0,解得x>-a;令f′(x)<0,解得x<-a.所以f(x)在(-∞,-a)上是减函数,在(-a,+∞)上是增函数,若仅考虑函数的单调性,那么f(x)图像的增减情况大致为图1,则f(x)在[1,e]上的图像应为图1在[1,e]上的部分。考虑到极值点-a是动点,[1,e]是定区间,即动点定区间,联想到二次函数动轴定区间求最值的方法,将问题分为极值点在区间左侧,内部,右侧三类来讨论。
  解:由f(x)=lnx-ax,得f′(x)=1x+ax2=x+ax2,
  (1) (若极值点在区间左侧)如图11.
  当-a≤1即a≥-1时,∵ 1≤x≤e,∴ x+a≥0,即f′(x)≥0对x∈[1,e]恒成立,当且仅当x=-a时,f′(x)=0.所以f(x)在[1,e]上是增函数。当x=1时,f(x)min=f(1)=ln1-a1=-a=32,解得a=-32,不满足a≥-1,故舍去;
  (2) (若极值点在区间内)如图12.
  当1<-a<e即-e<a<-1时,当x变化时,f′(x)、f(x)的变化情况如下表:
  x=-a是f(x)在[1,e]上的唯一极小值点,也是最小值点.当x=-a时,f(x)min=f(-a)=ln(-a)-a-a=ln(-a)+1=32,解得a=-e∈(-e,-1),符合题意;
  (3)(若极值点在区间右侧)如图13.
  当-a≥e即a≤-e时,∵ 1≤x≤e,∴ x+a≤0,即f′(x)≤0对x∈[1,e]恒成立,当且仅当x=-a时,f′(x)=0.所以f(x)在[1,e]上是减函数。
  当x=e时,f(x)min=f(e)=lne-ae=1-ae=32解得a=-e2,不满足a≤-e,故舍去.
  综上所述:a的值为-e.
  二、 定点动区间
  例2 已知函数f(x)=(x2-2x)ex,求f(x)在区间[0,m](m>0)上的最小值。
  分析:先假设函数f(x)的定义域为R,由f(x)=(x2-2x)ex,得f′(x)=(2x-2)ex+(x2-2x)ex=(x2-2)ex
  由f′(x)=0,解得x=±2.
  令f′(x)>0,解得x<-2或x>2;
  令f′(x)<0,解得-2<x<2.所以f(x)在(-∞,-2),(2,+∞)上增函数,在(-2,2)上是减函数,若仅考虑函数的单调性, f(x)图像的增减情况大致为图2,则f(x)在[0,m]上的图像应为图2在[0,m]上的部分。考虑到极值点2是定点,[0,m]是动区间,即定点动区间,类比二次函数定轴动区间求最值的方法,将问题分为极值点在区间内部,右侧两类来讨论。 解:由f(x)=(x2-2x)ex,得f′(x)=(2x-2)ex+(x2-2x)ex,由f′(x)=0,解得x=2或x=-2(舍)
  (1)(若极值点在区间右侧)如图21当0<m≤2时,∵ 0≤x≤m,∴ x2≤m2≤2,∴ f′(x)=(x2-2)ex≤0
  对x∈[0,m]恒成立,当且仅当x=2时,f′(x)=0.所以f(x)在[0,m]上是减函数。当x=m时,f(x)min=f(m)=(m2-2m)em.
  
  x=2是f(x)在[0,m]上的唯一极小值点,也是最小值点.当x=2时,f(x)min=f(2)=(2-22)e2.
  综上所述:当0<m≤2时,f(x)min=f(m)=(m2-2m)em;
  当m>2时,f(x)min=f(2)=(2-22)e2.
  [0,m]是一个端点变化的动区间,对于两个端点同时变化的动区间,也可用上述方法解决分类讨论问题。如例题3。
  例3 已知函数f(x)=x3-3x2-2,若a>0,求函数y=f(x)在区间(a-1,a+1)内的极值.
  分析:由f(x)=x3-3x2-2,得f′(x)=3x2-6x=3x(x-2).由f′(x)=0,解得x=0或x=2. ∵ a>0,∴ a-1∈(-∞,-1).而0和2将区间(-1,+∞)分为三部分(如图3),所以将问题分为左端点a-1在区间(-1,0)、(0,2)、(2,+∞)等几类来讨论.
  解:由f(x)=x3-3x2-2,得f′(x)=3x2-6x=3x(x-2).由f′(x)=0,解得x=0或x=2.
  令f′(x)>0,解得x<0或x>2;
  令f′(x)<0,解得0<x<2.所以f(x)在(-∞,0),
  (2,+∞)上增函数,在(0,2)上是减函数,若仅考虑函数的单调性,则f(x)图像的增减情况大致为图3.
  ∵ a>0,∴ a-1>-1,
  (1)当-1<a-1<0即0<a<1时,a+1<2,如图31
  当x变化时,f′(x)、f(x)的变化情况如下表:
  x(a-1,0)0(0,a+1)
  f′(x)+0-
  f(x)极大值
  当x=0时,f(x)取得极大值,极大值为f(0)=-2.
  (2)当a-1=0即a=1时,a+1=2,f(x)在区间(0,2)上是减函数,f(x)无极值.如图32
  (3)当0<a-1<2即1<a<3时,a+1>2.如图33
  当x变化时,f′(x)、f(x)的变化情况如下表:
  x(a-1,2)2(2,a+1)
  f′(x)-0+
  f(x)极小值
  当x=2时,f(x)取得极小值,极小值为f(2)=-6.
  (4) 当a-1≥2即a≥3时,如图34对x∈(a-1,a+1),f′(x)>0恒成立,所以f(x)在x∈(a-1,a+1)上是增函数,f(x)无极值.
  综上所述:当0<a<1,f(x)有极大值-2;当a=1或a≥3时,f(x)无极值;当1<a<3时,f(x)有极小值-6.
  也可以将本题理解为运用动的观点,将动区间从最左边不断的向右移动,从而发现函数图象在不同的区域内增减变化情况,来进行分类讨论。
  (责任编辑:陈前进)
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