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在“有解”或“恒成立”背景下求变量的取值范围,一直是同学们学习的难点,同时也是考试命题时的热点.试题大多涉及到函数的值域、函数的性质等知识点,全面考查对概念的理解和思维的灵活性,能体现同学们分析问题和解决问题的综合能力.解决此类问题的关键是要联系函数的图象和性质,灵活应用数学思想方法去分析和转化问题.
一、单变量型“存在性”与“任意性”问题
例1设函数f(x)=x2,g(x)=x ax(a∈R),若存在x0∈[1,3],使得f(x0)=g(x0)成立,则实数a的取值范围为.
解析:(分离参数法)设h(x)=f(x)-g(x)=x2-x-ax,则原题可转化为:x0∈[1,3],使得h(x0)=0,即h(x)=0在[1,3]上有解.h(x)=x2-x-ax=x3-x2-ax=0,则x3-x2-a=0在[1,3]上有解,分离参数得:x3-x2=a,则a的取值范围即为函数y=x3-x2在[1,3]上的值域,易得实数a的取值范围为[0,18].
例2设函数f(x)=x3,g(x)=-x2 x-29a,若对x0∈[-1,a3](a>0),有不等式f(x0)>g(x0)恒成立,则实数a的取值范围为.
解析:(最值法)设h(x)=f(x)-g(x)=x3 x2-x 29a,则原题可转化为:h(x)>0在[-1,a3]上恒成立,即h(x)min>0,问题转化为求函数h(x)在区间[-1,a3]上的最小值.
∵h′(x)=3x2 2x-1=(3x-1)(x 1),则h(x)在(-∞,-1)和(13, ∞)上单调递增,在[-1,13]上单调递减,又x0∈[-1,a3](a>0),则
①当00,解得:a∈(-3 212,1];
②当a>1时,h(x)在[-1,13]上单调递减,在[13,a3]上单调递增,则h(x)min=h(13)=-527 29a>0a>56,即a∈(1, ∞).
综上,实数a的取值范围为:a∈(-3 212, ∞).
方法归纳:一般地,函数y=f(x)在闭区间上有以下结论:(其中M为常数)
(1)f(x)>M恒成立f(x)min>M;f(x) (2)f(x)>M有解f(x)max>M;f(x) 二、双变量型“存在性”与“任意性”问题
例3设函数f(x)=ax sinx cosx,若函数f(x)的图象上存在不同的两点A,B,使得曲线y=f(x)在点A,B处的切线互相垂直,则实数a的取值范围为.
解析:f′(x)=a cosx-sinx=-2sin(x-π4) a,设A(x1,y1),B(x2,y2),由题意得:x1,x2(x1≠x2),使得f′(x1)·f′(x2)=-1f′(x1)=-1f′(x2),则问题转化为:函数f′(x1)的值域与函数-1f′(x2)的值域有交集即可.因为f′(x)的值域为[a-2,a 2],故
①当a 2<0,即a<-2时,f′(x1)∈[-2 a,2 a],-1f′(x2)∈[-1a-2,-1a 2],则f′(x1)<0,但-1f′(x2)>0,故无交集;
②当a-2>0,即a>2时,同理可得无交集;
③当a-2<0a 2>0,即-2 f′(x1)∈[-2 a,2 a],-1f′(x2)∈(-∞,-1a 2]∪[-1a-2, ∞),则有a-2≤-1a 2或a 2≥-1a-2,解得:a∈[-1,1].
④当a=±2时,不符合题意.
综上,实数a的取值范围为[-1,1].
例4设a>1,若对于任意的x∈[a,2a],都有y∈[a,a2]满足方程logax logay=3,则实数a的取值范围为.
解析:由logax logay=3得:logax=3-logay,设f(x)=logax,g(y)=3-logay,因为x∈[a,2a],y∈[a,a2],则f(x)∈[1,1 loga2],g(y)∈[1,2],由题意得:[1,1 loga2][1,2],则1 loga2≤2a∈(1,2].
例5已知f(x)=x2,g(x)=(12)x-m,若对任意x1∈[-1,3],总存在x2∈[0,2],使得f(x1)≥g(x2)成立,则实数m的取值范围是.
解析:对任意x1∈[-1,3],总存在x2∈[0,2],使得f(x1)≥g(x2)成立f(x1)min≥g(x2)min,
因为函数f(x)=x2在[-1,0]上单调递减,在[0,3]上单调递增,则f(x1)min=f(0)=0,又因为函数g(x)=(12)x-m在[0,2]上单调递减,则g(x2)min=g(2)=14-m,故0≥14-mm≥14.
方法归纳:类型1:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)min≥f(x2)min”;
类型2:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)min≥f(x2)max”;
类型3:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)max≥f(x2)min”;
类型4:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)max≥f(x2)max”.
三、多变量型“存在性”与“任意性”问题
例6已知a>0,-2a 分析:这是一个看起来不像函数但本质上是函数的问题,函数化是关键,注意题设与结论都是齐次式,而且注意到结论的分母是a,因此选ba作为整体变量.
解析:由a b c=0,得b2-3aca2=b2 3a(a b)a2=b2 3a2 3aba2=(ba)2 3(ba) 3
=[(ba) 32]2 34,再由a>0,-2a 方法归纳:由等量代换把c消去,变成关于a,b的函数,而a,b两变量之间只有不等关系,通过变量集中,可以看成关于ba的函数.函数是高中数学的基础,大部分数学问题都有函数的影子,因此常说高中数学中,函数是一条主线,我们应学会用函数思想看问题.
例7函数f(x)=3x a与函数g(x)=3x 2a在区间(b,c)上都有零点,则a2 2ab 2ac 4bcb2-2bc c2的最小值为.
解析:由单调递增的一次函数f(x)与g(x)在区间(b,c)上都有零点,得:3b a<0(1)3c a>0(2)3b 2a<0(3)3c 2a>0(4),
故:(1) (3)得:6b 3a<0a 2b<0;(2) (4)得:6c 3a>0a 2c>0.
又因为a2 2ab 2ac 4bcb2-2bc c2=a(a 2b) 2c(a 2b)(b-c)2
=4×(a 2b)(a 2c)[(a 2b)-(a 2c)]2
=4×(a 2b)(a 2c)(a 2b)2 (a 2c)2-2(a 2b)(a 2c)
=4×1a 2ba 2c a 2ca 2b-2,
由a 2b<0,a 2c>0得:a 2ba 2c a 2ca 2b≤-2,故a 2ba 2c a 2ca 2b-2≤-4,即
1a 2ba 2c a 2ca 2b-2≥-14,故a2 2ab 2ac 4bcb2-2bc c2的最小值为-1.
(作者:丁称兴,江苏省溧水高级中学)
一、单变量型“存在性”与“任意性”问题
例1设函数f(x)=x2,g(x)=x ax(a∈R),若存在x0∈[1,3],使得f(x0)=g(x0)成立,则实数a的取值范围为.
解析:(分离参数法)设h(x)=f(x)-g(x)=x2-x-ax,则原题可转化为:x0∈[1,3],使得h(x0)=0,即h(x)=0在[1,3]上有解.h(x)=x2-x-ax=x3-x2-ax=0,则x3-x2-a=0在[1,3]上有解,分离参数得:x3-x2=a,则a的取值范围即为函数y=x3-x2在[1,3]上的值域,易得实数a的取值范围为[0,18].
例2设函数f(x)=x3,g(x)=-x2 x-29a,若对x0∈[-1,a3](a>0),有不等式f(x0)>g(x0)恒成立,则实数a的取值范围为.
解析:(最值法)设h(x)=f(x)-g(x)=x3 x2-x 29a,则原题可转化为:h(x)>0在[-1,a3]上恒成立,即h(x)min>0,问题转化为求函数h(x)在区间[-1,a3]上的最小值.
∵h′(x)=3x2 2x-1=(3x-1)(x 1),则h(x)在(-∞,-1)和(13, ∞)上单调递增,在[-1,13]上单调递减,又x0∈[-1,a3](a>0),则
①当00,解得:a∈(-3 212,1];
②当a>1时,h(x)在[-1,13]上单调递减,在[13,a3]上单调递增,则h(x)min=h(13)=-527 29a>0a>56,即a∈(1, ∞).
综上,实数a的取值范围为:a∈(-3 212, ∞).
方法归纳:一般地,函数y=f(x)在闭区间上有以下结论:(其中M为常数)
(1)f(x)>M恒成立f(x)min>M;f(x)
例3设函数f(x)=ax sinx cosx,若函数f(x)的图象上存在不同的两点A,B,使得曲线y=f(x)在点A,B处的切线互相垂直,则实数a的取值范围为.
解析:f′(x)=a cosx-sinx=-2sin(x-π4) a,设A(x1,y1),B(x2,y2),由题意得:x1,x2(x1≠x2),使得f′(x1)·f′(x2)=-1f′(x1)=-1f′(x2),则问题转化为:函数f′(x1)的值域与函数-1f′(x2)的值域有交集即可.因为f′(x)的值域为[a-2,a 2],故
①当a 2<0,即a<-2时,f′(x1)∈[-2 a,2 a],-1f′(x2)∈[-1a-2,-1a 2],则f′(x1)<0,但-1f′(x2)>0,故无交集;
②当a-2>0,即a>2时,同理可得无交集;
③当a-2<0a 2>0,即-2 f′(x1)∈[-2 a,2 a],-1f′(x2)∈(-∞,-1a 2]∪[-1a-2, ∞),则有a-2≤-1a 2或a 2≥-1a-2,解得:a∈[-1,1].
④当a=±2时,不符合题意.
综上,实数a的取值范围为[-1,1].
例4设a>1,若对于任意的x∈[a,2a],都有y∈[a,a2]满足方程logax logay=3,则实数a的取值范围为.
解析:由logax logay=3得:logax=3-logay,设f(x)=logax,g(y)=3-logay,因为x∈[a,2a],y∈[a,a2],则f(x)∈[1,1 loga2],g(y)∈[1,2],由题意得:[1,1 loga2][1,2],则1 loga2≤2a∈(1,2].
例5已知f(x)=x2,g(x)=(12)x-m,若对任意x1∈[-1,3],总存在x2∈[0,2],使得f(x1)≥g(x2)成立,则实数m的取值范围是.
解析:对任意x1∈[-1,3],总存在x2∈[0,2],使得f(x1)≥g(x2)成立f(x1)min≥g(x2)min,
因为函数f(x)=x2在[-1,0]上单调递减,在[0,3]上单调递增,则f(x1)min=f(0)=0,又因为函数g(x)=(12)x-m在[0,2]上单调递减,则g(x2)min=g(2)=14-m,故0≥14-mm≥14.
方法归纳:类型1:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)min≥f(x2)min”;
类型2:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)min≥f(x2)max”;
类型3:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)max≥f(x2)min”;
类型4:“x1∈(a,b),x2∈(c,d),使得f(x1)≥f(x2)恒成立”等价于“x1∈(a,b),x2∈(c,d)时,f(x1)max≥f(x2)max”.
三、多变量型“存在性”与“任意性”问题
例6已知a>0,-2a 分析:这是一个看起来不像函数但本质上是函数的问题,函数化是关键,注意题设与结论都是齐次式,而且注意到结论的分母是a,因此选ba作为整体变量.
解析:由a b c=0,得b2-3aca2=b2 3a(a b)a2=b2 3a2 3aba2=(ba)2 3(ba) 3
=[(ba) 32]2 34,再由a>0,-2a 方法归纳:由等量代换把c消去,变成关于a,b的函数,而a,b两变量之间只有不等关系,通过变量集中,可以看成关于ba的函数.函数是高中数学的基础,大部分数学问题都有函数的影子,因此常说高中数学中,函数是一条主线,我们应学会用函数思想看问题.
例7函数f(x)=3x a与函数g(x)=3x 2a在区间(b,c)上都有零点,则a2 2ab 2ac 4bcb2-2bc c2的最小值为.
解析:由单调递增的一次函数f(x)与g(x)在区间(b,c)上都有零点,得:3b a<0(1)3c a>0(2)3b 2a<0(3)3c 2a>0(4),
故:(1) (3)得:6b 3a<0a 2b<0;(2) (4)得:6c 3a>0a 2c>0.
又因为a2 2ab 2ac 4bcb2-2bc c2=a(a 2b) 2c(a 2b)(b-c)2
=4×(a 2b)(a 2c)[(a 2b)-(a 2c)]2
=4×(a 2b)(a 2c)(a 2b)2 (a 2c)2-2(a 2b)(a 2c)
=4×1a 2ba 2c a 2ca 2b-2,
由a 2b<0,a 2c>0得:a 2ba 2c a 2ca 2b≤-2,故a 2ba 2c a 2ca 2b-2≤-4,即
1a 2ba 2c a 2ca 2b-2≥-14,故a2 2ab 2ac 4bcb2-2bc c2的最小值为-1.
(作者:丁称兴,江苏省溧水高级中学)