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确定恒成立不等式中参数的取值范围,常灵活应用函数与不等式的基础知识在两者间进行合理的交汇,因此此类问题属学习的重点;然而,怎样确定恒成立不等式中参数的取值范围?课文中从未论及,但它却成为近年来高考中常见的题型,因此此类问题又属学习的热点;在确定恒成立不等式中参数的取值范围时,需要在函数思想与数形结合思想指引下,灵活地进行代数变换、综合地运用所学知识,方可取得较好的解题效果,因此此类问题的求解当属学习的难点,下面对此类问题的求解策略与方法作一总结。
一、不等式解集法:
不等式在集合A中恒成立等价于集合A是不等式解集B的子集;通过求不等式的解集并研究集合的关系便可求出参数的取值范围。
例1:已知| x- | 解: 由 |x- | 故正数α的取值范围为0 二、函数最值法:
己知函数f(x)的值域为[m,n],f(x)≥a恒成立 恒成立即 ,据此,可将恒成立的不等式问题,转化成求函数的最大值或最小值问题,最值的处理常利用一次函数和二次函数的单调性来完成。
1.利用一次函数的单调性
一次函数f(x)=ax+b(a≠0),a>0时,f(x)在R上是增函数;a<0时, f(x)在R上是减函数。而“线性函数”的最值总在区间端点处取得,于是,上述问题又有如下简称,x
解 且
,且
例2:若不等式2x-1>m(x2-1)对满足-2≤m≤2的一切m成立,求实数x的取值范围。
分析:若将原问题转化为集合[-2,2]是关于m的不等式(x2-1)m<(2x-1),则可将问题转换为f(m)在[-2,2]上的最大值小于零。
解: 令f(m)=(x2-1)m-(2x-1),则f(m)<0恒成立 ,解之得 ,即x的取值范围为 。
说明:在题设不等式中选用m为主元是解题要点
例3 :己知p= (其中a为正常数),若当x在区间[1,2]内任意取值时,p的值恒为正,求b的取值范围。
解: 由己知p=
令
设函数f(u)= ,则
解得-1 当0 当 a>1时, 2.利用二次函数的单调性
设二次函数f(x)=ax2+bx+c(a>0),其图象是开口向上的抛物线,在区间[ 上f(x)是增函数,在区间(-∞,- )上f(x)是减函数,所以:f(x)>0在R上恒成立
f(x)>0在区间[m,n]上恒成立等价于①- > n且f(n)>0,或者②- < m且f(m)>0,或者③
例4:设f(x)= x2-2ax+2,当x∈[ 时,都有f(x)≥a成立,求实数a的取值范围
解: 设g(x)=f(x)-a=x2-2ax+2-a,则问题转化为:当x∈ [ 时,g(x) ≥0恒成立,
∴△≤0或
即 4a2-4(2-a)≤0或
解得-2≤a ≤1或 -3≤a ≤-1
综合得: -3≤a ≤1
例5:若不等式x2-m(4xy-y2)+4m2y2≥0对一切非负数的x,y值恒成立,试求实数m的取值范围。
解: 若y=0,则原不等式恒成立;若 y≠0则原不等式可化为 令t= ,则t ≥0且g(t)=t2-4mt+m+4m2 ≥0.
问题转化为二次函数g(t)在区间 [0,+∞] 上的最小值非负,故有 2m<0且 g(0) ≥0或2m≥0且 g(2m) ≥0 解得m的取值范围
说明:二次函数的图象与性质是中学数学中的重点内容,利用二次函数在区间上的最值来研究恒成立问题,可使原本复杂的问题变得易于解决。
例6:若对于任意x∈(0,1) ,恒有2x2+(a+1)x-a(a-1)<0,求a的取值范围。
分析:设二次函数f(x)=2x2+(a+1)x-a(a-1),其图象是开口朝上的抛物线,观察图象知,要对任意x ∈(0,1)恒有f(x)<0,则只需 且 。
解: 令f(x)= 2x2+(a+1)x-a(a-1)
∵对任意x∈(0,1)恒有f(x)<0
∴f(x) ≤0且f(1)≤0 即-a(a-1) ≤0且2+(a+1)-a(a-1)≤0
∴a ≤-1 或a≥3.
故所求a的取值范围是(-∞,-1]∪[3,
例7:设对所有实数 x,不等式 恒成立,求a的取值范围。
解:令 ,则 =3+t, =-t,
=2t,原不等式化为(3+t)x2-2tx+2t>0对于
恒成立。t =-3时,不等式不恒成立,则有 且 所以 即
说明:通过换元将复杂运算简单化了,该方法是十分常见且有效的。
三、参数分离法:
将参变元与主变元从恒不等式中分离,由在求函数最值时可避免繁冗的分类讨论,从而更好地实施“函数最值法”。
例8:若不等式 对一切正数x,y恒成立,求正数a的最小植。
解: 参数分离,a
a的最小值是3
例9:奇函数f(x)是R 上增函数,若不等式f(m.3x)+f(3x-9x-2)<0对一切实数x恒成立,求实数m的取值范围。 解: ∵ f(x)为奇函数,∴原不等式等价于:f(m.3x)+ 故所求m的取值范围为(-∞, )
说明:(1)在求解本例时,若无分离参数的求简意识,则必转化为含参二次函数在区间上最值问题,不可避免地要进行分类讨论。
(2)若多数学问题通过代数变形后可转化为形如f(x)= ax+ 型函数的最值问题,其最值的求解通常用基本不等式或函数单调性来完成。
例10:己知f(x)= 在区间(0, )内是增函数,求a的取值范围。
解: 设 0 即 恒成立
∵0 ∴ 3asinx2-6sinx2cosx1<3asinx1-6sinx1cosx2,
即a(sinx1-sinx2)>2sin(x1- x2)
而 <0
∴
即
∵0< <1
若a+2=0,即a=-2,上式成立;
若a+2>0,由 > 恒成立,得 0
∴ -2 若a+2<0,由 < 恒成立,得 0
∴ a<-2,
综上,a的取值范围是(
说明:函数f(x)在区间(0, )内是增函数,则对任意x1, x2∈(0, )不等式f(x1)G(x1,x2),求二元函数G(x1,x2)的最值,则f(a)≥G(x1,x2)max
四、数形结合
将恒成立的不等式问题,合理转化为一函数图象恒在另一函数图象的上(下)方,进而利用图形直观给出问题的巧解。
例11:若不等式3 |x+a|-2x+6>0 在R中恒成立,求实数a的取值范围。
解:尝试前述方法均较麻烦,而将原不等式变为 ,令f(x)= ,g(x)= ,作出它们的图象如右图所示,便有-a<3即a>-3,所求范围为
例12:当 时, cos2 +2msin -2m-2<0 恒成立,求m的取值范围。
解 令x= sin
由题意得x2-2mx+2m+1>0在区间[0,1]上恒成立,即x2+1>2m(x-1) 在区间[0,1]上恒成立。
令函数f(x)=x2+1(0≤x≤1), g(x)=2m(x-1),
如图f(x)的图象是抛物线弧AB,其端点为A(0,1),B(1,2);g(x)的图象是过点C(1,0),斜率为2m的直线。
g(x) 综上所述,求恒成立不等式中参数的取值范围固然有四类彼此相联的思考方法,但是,只有在函数思想的指引下,树立数形结合与参数分离的求简意识,面对具体问题材进才能取得良好的解题效果。
一、不等式解集法:
不等式在集合A中恒成立等价于集合A是不等式解集B的子集;通过求不等式的解集并研究集合的关系便可求出参数的取值范围。
例1:已知| x- | 解: 由 |x- | 故正数α的取值范围为0 二、函数最值法:
己知函数f(x)的值域为[m,n],f(x)≥a恒成立 恒成立即 ,据此,可将恒成立的不等式问题,转化成求函数的最大值或最小值问题,最值的处理常利用一次函数和二次函数的单调性来完成。
1.利用一次函数的单调性
一次函数f(x)=ax+b(a≠0),a>0时,f(x)在R上是增函数;a<0时, f(x)在R上是减函数。而“线性函数”的最值总在区间端点处取得,于是,上述问题又有如下简称,x
解 且
,且
例2:若不等式2x-1>m(x2-1)对满足-2≤m≤2的一切m成立,求实数x的取值范围。
分析:若将原问题转化为集合[-2,2]是关于m的不等式(x2-1)m<(2x-1),则可将问题转换为f(m)在[-2,2]上的最大值小于零。
解: 令f(m)=(x2-1)m-(2x-1),则f(m)<0恒成立 ,解之得 ,即x的取值范围为 。
说明:在题设不等式中选用m为主元是解题要点
例3 :己知p= (其中a为正常数),若当x在区间[1,2]内任意取值时,p的值恒为正,求b的取值范围。
解: 由己知p=
令
设函数f(u)= ,则
解得-1
设二次函数f(x)=ax2+bx+c(a>0),其图象是开口向上的抛物线,在区间[ 上f(x)是增函数,在区间(-∞,- )上f(x)是减函数,所以:f(x)>0在R上恒成立
f(x)>0在区间[m,n]上恒成立等价于①- > n且f(n)>0,或者②- < m且f(m)>0,或者③
例4:设f(x)= x2-2ax+2,当x∈[ 时,都有f(x)≥a成立,求实数a的取值范围
解: 设g(x)=f(x)-a=x2-2ax+2-a,则问题转化为:当x∈ [ 时,g(x) ≥0恒成立,
∴△≤0或
即 4a2-4(2-a)≤0或
解得-2≤a ≤1或 -3≤a ≤-1
综合得: -3≤a ≤1
例5:若不等式x2-m(4xy-y2)+4m2y2≥0对一切非负数的x,y值恒成立,试求实数m的取值范围。
解: 若y=0,则原不等式恒成立;若 y≠0则原不等式可化为 令t= ,则t ≥0且g(t)=t2-4mt+m+4m2 ≥0.
问题转化为二次函数g(t)在区间 [0,+∞] 上的最小值非负,故有 2m<0且 g(0) ≥0或2m≥0且 g(2m) ≥0 解得m的取值范围
说明:二次函数的图象与性质是中学数学中的重点内容,利用二次函数在区间上的最值来研究恒成立问题,可使原本复杂的问题变得易于解决。
例6:若对于任意x∈(0,1) ,恒有2x2+(a+1)x-a(a-1)<0,求a的取值范围。
分析:设二次函数f(x)=2x2+(a+1)x-a(a-1),其图象是开口朝上的抛物线,观察图象知,要对任意x ∈(0,1)恒有f(x)<0,则只需 且 。
解: 令f(x)= 2x2+(a+1)x-a(a-1)
∵对任意x∈(0,1)恒有f(x)<0
∴f(x) ≤0且f(1)≤0 即-a(a-1) ≤0且2+(a+1)-a(a-1)≤0
∴a ≤-1 或a≥3.
故所求a的取值范围是(-∞,-1]∪[3,
例7:设对所有实数 x,不等式 恒成立,求a的取值范围。
解:令 ,则 =3+t, =-t,
=2t,原不等式化为(3+t)x2-2tx+2t>0对于
恒成立。t =-3时,不等式不恒成立,则有 且 所以 即
说明:通过换元将复杂运算简单化了,该方法是十分常见且有效的。
三、参数分离法:
将参变元与主变元从恒不等式中分离,由在求函数最值时可避免繁冗的分类讨论,从而更好地实施“函数最值法”。
例8:若不等式 对一切正数x,y恒成立,求正数a的最小植。
解: 参数分离,a
a的最小值是3
例9:奇函数f(x)是R 上增函数,若不等式f(m.3x)+f(3x-9x-2)<0对一切实数x恒成立,求实数m的取值范围。 解: ∵ f(x)为奇函数,∴原不等式等价于:f(m.3x)+
说明:(1)在求解本例时,若无分离参数的求简意识,则必转化为含参二次函数在区间上最值问题,不可避免地要进行分类讨论。
(2)若多数学问题通过代数变形后可转化为形如f(x)= ax+ 型函数的最值问题,其最值的求解通常用基本不等式或函数单调性来完成。
例10:己知f(x)= 在区间(0, )内是增函数,求a的取值范围。
解: 设 0
∵0
即a(sinx1-sinx2)>2sin(x1- x2)
而 <0
∴
即
∵0< <1
若a+2=0,即a=-2,上式成立;
若a+2>0,由 > 恒成立,得 0
∴ -2 若a+2<0,由 < 恒成立,得 0
∴ a<-2,
综上,a的取值范围是(
说明:函数f(x)在区间(0, )内是增函数,则对任意x1, x2∈(0, )不等式f(x1)
四、数形结合
将恒成立的不等式问题,合理转化为一函数图象恒在另一函数图象的上(下)方,进而利用图形直观给出问题的巧解。
例11:若不等式3 |x+a|-2x+6>0 在R中恒成立,求实数a的取值范围。
解:尝试前述方法均较麻烦,而将原不等式变为 ,令f(x)= ,g(x)= ,作出它们的图象如右图所示,便有-a<3即a>-3,所求范围为
例12:当 时, cos2 +2msin -2m-2<0 恒成立,求m的取值范围。
解 令x= sin
由题意得x2-2mx+2m+1>0在区间[0,1]上恒成立,即x2+1>2m(x-1) 在区间[0,1]上恒成立。
令函数f(x)=x2+1(0≤x≤1), g(x)=2m(x-1),
如图f(x)的图象是抛物线弧AB,其端点为A(0,1),B(1,2);g(x)的图象是过点C(1,0),斜率为2m的直线。
g(x)