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【摘要】 本文以导数中的两道常见问题为例,探索增根以及少根产生的原因.在解题过程中,如果使用了已知条件的充分不必要条件,则可能导致题目少根,如果使用了已知条件的必要不充分条件,则可能导致题目产生增根.
已知含参函数在某区间的单调性,求参数取值范围的问题中,我们多利用导函数的符号来解决.学生们很困惑,如果利用导数大于零,可能因为缺少端点值导致错误,如果利用导数大于等于零,则可能因为多了端点值而导致错误.为什么有时产生了增根,有时又少根,就其根本还是产生增根或少根的原因是什么.先看一道例题.
例1 (1)已知函数f(x)=-x3 ax2-x-1在 R 上是减函数,求实数a的取值范围.
(2) 函数f(x)= ax 1 x 2 在区间(-2, ∞)上是增函数,求实数a的取值范围.
错解 (1)f′(x)=-3x2 2ax-1,
∵f(x)在R上是减函数,
∴f′(x)<0在R上恒成立,
即Δ=4a2-12<0
解得- 3 (2)f′(x)= 2a-1 (x 2)2 .
∵y=f(x)在区间(-2, ∞)上递增,
∴f′(x)= 2a-1 (x 2)2 ≥0(x∈(-2, ∞)).
∴2a-1≥0,即a∈ 1 2 , ∞ .
错因分析 在函数连续的前提下,若函数y=f(x)的导数满足f′(x)>0(x∈D),则函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,但是函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,不能得到f′(x)>0(x∈D),因为即便x0∈D,f′(x)=0,只要在x=x0左右导函数符号一致,仍然有函数y=f(x)在区间D上 是单调增函数.即函数y=f(x)的导数满足f′(x)>0(x∈D),是函数y=f(x)在区间D上是 单调增函数的充分不必要条件.在解题过程中,使用了已知条件的充分不必要条件,可能导致题目少根.由前面分析可知,若函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,则函数y=f(x)的导数满足f′(x)≥0(x∈D),但是由f′(x)≥0(x∈D),也不能得到函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,因为当函数y=f(x)(x∈D)是常函数时,满足f′(x)≥0(x∈D),但是函数y=f(x)不是区间D上的单调增函数.即函数y=f(x)的导数满足f′(x)≥0(x∈D),是函数y=f(x)在区间D上是单调增函数的必要不充分条件,在解题过程中,使用了已知条件的必要不充分条件,可能导致题目增根.
事实上,对于(1),当a= 3 时,f′(x)=- 3 x-1 2,则:当x∈ -∞, 3 3 时,f′(x)<0; 当x∈ 3 3 , ∞ 时,f′(x)<0.而函数f(x)在x= 3 3 处连续,因此f(x)在R上是减函数.同理可知当a=- 3 时,f(x)在R上是减函数,所以a的取值范围为[- 3 , 3 ].对于(2),当a= 1 2 时,f(x)= 1 2 x 1 x 2 = 1 2 ,是常函数,即y=f(x)在区间(-2, ∞)上不是单调增函数,故a的取值范围为( 1 2 , ∞).
总之,在区间(a,b)上,f′(x)>0f(x)为增函数f′(x)≥0,这三者之间不存在充要关系,因此不能认为使f′(x)≥0或f′(x)>0恒成立的参数范围为最终答案,需要对“等号”具体分析.
例2 已知函数f(x)=x3 ax2 bx a2在x=1处取极值10,求a,b值.
错解 f′(x)=3x2 2ax b,
由题意 f(1)=10f′(1)=0 ,即 1 a b a2=103 2a b=0 .
解得 a=-3b=3 或 a=4b=-11 .
错因分析 在x=1处取极值可以得到f′(1)=0,但是,当f′(1)=0时,如果在x=1左右两侧导函数符号相反,则说明函数y=f(x)在x=1处取极值,如果在x=1左右两侧导函数符号相同,则说明函数y=f(x)不能在x=1处取极值.即f′ x0 =0是可导函数y=f(x)在x=x0处有极值的必要条件而非充分条件.解题过程中,用了已知条件的必要不充分条件使得本题产生了增根c=3.
事实上,当a=-3时,f′(x)=3x2-6x 3=3(x-1)2≥0,故不存在极值,经检验只有a=4,b=-11符合题意.
总之,可导函数在极值点处导数为零,在极值点两侧导数符号相反,即函数在x=a处取极值f′(a)=0,但是反之不成立.需要利用f′(a)=0求出参数的值之后,再将参数值代入原函数,检验原条件是否成立,即函数是否在x=a处取极值.
已知含参函数在某区间的单调性,求参数取值范围的问题中,我们多利用导函数的符号来解决.学生们很困惑,如果利用导数大于零,可能因为缺少端点值导致错误,如果利用导数大于等于零,则可能因为多了端点值而导致错误.为什么有时产生了增根,有时又少根,就其根本还是产生增根或少根的原因是什么.先看一道例题.
例1 (1)已知函数f(x)=-x3 ax2-x-1在 R 上是减函数,求实数a的取值范围.
(2) 函数f(x)= ax 1 x 2 在区间(-2, ∞)上是增函数,求实数a的取值范围.
错解 (1)f′(x)=-3x2 2ax-1,
∵f(x)在R上是减函数,
∴f′(x)<0在R上恒成立,
即Δ=4a2-12<0
解得- 3 (2)f′(x)= 2a-1 (x 2)2 .
∵y=f(x)在区间(-2, ∞)上递增,
∴f′(x)= 2a-1 (x 2)2 ≥0(x∈(-2, ∞)).
∴2a-1≥0,即a∈ 1 2 , ∞ .
错因分析 在函数连续的前提下,若函数y=f(x)的导数满足f′(x)>0(x∈D),则函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,但是函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,不能得到f′(x)>0(x∈D),因为即便x0∈D,f′(x)=0,只要在x=x0左右导函数符号一致,仍然有函数y=f(x)在区间D上 是单调增函数.即函数y=f(x)的导数满足f′(x)>0(x∈D),是函数y=f(x)在区间D上是 单调增函数的充分不必要条件.在解题过程中,使用了已知条件的充分不必要条件,可能导致题目少根.由前面分析可知,若函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,则函数y=f(x)的导数满足f′(x)≥0(x∈D),但是由f′(x)≥0(x∈D),也不能得到函数y=f(x)在区间D上是单调增函数,因为当函数y=f(x)(x∈D)是常函数时,满足f′(x)≥0(x∈D),但是函数y=f(x)不是区间D上的单调增函数.即函数y=f(x)的导数满足f′(x)≥0(x∈D),是函数y=f(x)在区间D上是单调增函数的必要不充分条件,在解题过程中,使用了已知条件的必要不充分条件,可能导致题目增根.
事实上,对于(1),当a= 3 时,f′(x)=- 3 x-1 2,则:当x∈ -∞, 3 3 时,f′(x)<0; 当x∈ 3 3 , ∞ 时,f′(x)<0.而函数f(x)在x= 3 3 处连续,因此f(x)在R上是减函数.同理可知当a=- 3 时,f(x)在R上是减函数,所以a的取值范围为[- 3 , 3 ].对于(2),当a= 1 2 时,f(x)= 1 2 x 1 x 2 = 1 2 ,是常函数,即y=f(x)在区间(-2, ∞)上不是单调增函数,故a的取值范围为( 1 2 , ∞).
总之,在区间(a,b)上,f′(x)>0f(x)为增函数f′(x)≥0,这三者之间不存在充要关系,因此不能认为使f′(x)≥0或f′(x)>0恒成立的参数范围为最终答案,需要对“等号”具体分析.
例2 已知函数f(x)=x3 ax2 bx a2在x=1处取极值10,求a,b值.
错解 f′(x)=3x2 2ax b,
由题意 f(1)=10f′(1)=0 ,即 1 a b a2=103 2a b=0 .
解得 a=-3b=3 或 a=4b=-11 .
错因分析 在x=1处取极值可以得到f′(1)=0,但是,当f′(1)=0时,如果在x=1左右两侧导函数符号相反,则说明函数y=f(x)在x=1处取极值,如果在x=1左右两侧导函数符号相同,则说明函数y=f(x)不能在x=1处取极值.即f′ x0 =0是可导函数y=f(x)在x=x0处有极值的必要条件而非充分条件.解题过程中,用了已知条件的必要不充分条件使得本题产生了增根c=3.
事实上,当a=-3时,f′(x)=3x2-6x 3=3(x-1)2≥0,故不存在极值,经检验只有a=4,b=-11符合题意.
总之,可导函数在极值点处导数为零,在极值点两侧导数符号相反,即函数在x=a处取极值f′(a)=0,但是反之不成立.需要利用f′(a)=0求出参数的值之后,再将参数值代入原函数,检验原条件是否成立,即函数是否在x=a处取极值.