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一题一惑 一探一获--利用曲线的公切线研究函数不等式

2021-11-07 来源:意榕旅游网
2017年第7期中学教研(数学)• 21 •

— 题一惑

一探一获

利用曲线的公切线研究函数不等式

(单县第一中学山东单县2743〇〇)

•卫小国

摘要:将函数不等式的求参与证明问题,利用分离函数的方法,转化为两条曲线的公切线进行解答.文章给出一种

新的解题思路,在减少运算的同时,培养学生数形结合与转化化归思想的灵活运用.

关键词:不等式;公切线;数形结合

中图分类号:0123. 1 文献标识码:A

文章编号:1003 -6407(2017)07-21-03

含参函数不等式问题,因其是考查学生问题转 化能力、数学运算能力和创新解题意识的好载体, 而成为各地考试命题的热点.笔者结合一次教学中 学生对所提供解法的释疑,提出一种利用曲线的公 切线解函数不等式的方法,与大家共研.

例1

故 0 < a < 21.

评注解法1从导数的应用入手,结合函数的

单调性、极值与最值,研究函数的性态,掌控解题的 关键(函数的最小值决定零点的个数),整个解题 过程自然[1 ];解法2借助辅助函数()的零点,是 典型的数形结合思想,相比解法1似乎更巧妙,但 本质上与解法1异曲同工.2 —解有惑

有学生也获得正确的结论,但是给出了不同的 解答,过程如下:

设幺(% ) = a%2,A ( % )=

In %,可知两个函数图像只有1

已知函数/(%) = a%2 - In %(其中a >0)

有两个不同的零点,求a的取值范围.

学生在课堂上提供了两种解法,解题切入点不 同,但都属于常规方法.

1 一题多解

解法1

求得导函数

%

%

m 2 1 2a%1 -1

j \\%)= 2% -—=------,

进一步可知/(%)在(0,H(l1%,+ ^ )上单调递增,从

0

1

2e解法2

)上单调递减,在而

<

0,解得

个公共点.设该公共点为(%。,

7〇),则满足

■ a% = In %0,<

1

2a%0 =—,

%0

图1

由方程a2 - In % = 0,得a = 导函数《'(()二1 ~~可

%

•令

从而%0 =ve,a=4,结合图像(如图1所示),可得 函数/(%) =a%2 -In %(其中a >0)有两个不同的零

《(()

%

《(()在

点时,需满足0 该生的解题思路源于“函数/(%)= a% -In % (其中a >0)有且只有1个零点”问题,可转化为构 造两个简单函数,再利用数形结合进行解答,具体 为:求解函数/(%) =a% - In %(其中a >0)有且只

(0,e)上单调递增,在(ve,+ ^)上单调递减,从 而

^rnax(() =g(槡e) =2e,

*收文日期:217~02-25 ;修订日期:2217-03-26

作者简介:卫小国(179 -)男,湖北武汉人,中学一级教师.研究方向:数学教育.

• 22 •中学教研(数学)2017年第7期

有1个零点时,可转化为直线y = ^与曲线y = In % 相切来研究,即根据导数的几何意义,易得切点为(e,1),公切线为y =

e

第2)小题.笔者以前两道高考试题为例,简单阐述 不共点同侧与共点同侧这两类题型的解法.

例 2 已知函数/(%) = e% - ln(( + rn),当 2 时,证明:/(%) >0.

(2013年全国数学高考新课标卷n理科试题

如图2,公切线即是与y =

In %有一个交点的直线y = a%.

深究后发现,学生提供的解法可解释为以公切 线为分隔线进行分类讨论.因为当a =4时,尽(()=a%2与\"(%) = In %存在过公共点(‘,^1)的公切线是y =

另外如图3,两条曲线除

公切点外,无其他公共点,并且其中=2%2的 图像恒在公切线yz^%-\"1的上方,同时M%)=

bn的图像恒在公切线图像yz^%-\"1的下方.由

图3可知:当a减小时,尽(%) = a2与\"(%) = In %的图像有两个交点,即当0 0)有两个零点.

笔者针对这种“公切线分隔法”,提炼出一般 解题思路为:证明或求解/(%) <^(%)或/(%)>

g()时,寻求到曲线y =/(%),, =《(%)的公切线,

且使得两条曲线分别处于公切线两侧,就可以将原 问题转化为两个简单的不等式问题[2].

3 —探有获

笔者运用“公切线分隔法”研究近几年数学高 考试题中的类似问题,发现此类问题可进一步分为 “公切线共切点”和“不共切点”两种情况,或者曲 线分别处于切线同侧和异侧两种位置关系.近几年 考查此类问题的高考题有:013年全国数学高考 新课标卷n理科第21题、2014年辽宁省数学高考 理科第1题、2014年全国数学高考新课标卷I理 科第1题、2015年山东省数学高考理科第21题

第21题)

分析当m<2时,

/(%) =e% -ln((+m) >e% -ln((+2), 只需证

e% - ln((+2) >0•

易知y = e%与y = ln(% +2)的图像没有公共点,如 图4,结合函数不等式知%

+ 1(其中y = e%与

y = % + 1仅相切于点(0,1),且除公共点外,前者在

后者的上方).另外,函数不等式% + 1>ln(% +2) 类似的几何特征为:=ln(% +2)与y=% + 1仅相 切于点(-1,0),此外前者在后者的下方.即y = e% 与y = ln(%+2)分别处于公切线y=%+ 1的两侧, 由图4知/(%) >0显然成立•

例 3 已知函数/(%) = a%3 - 3%2 + 1,若/(%)

存在唯一的零点% 0,且%。>0,则a的取值范围为

(

)

A. (2,+^) B.(1,+^)C.(-^,-2)

D.(-^,-1)

(2014年全国数学高考新课标卷I理科试题

第11题)

分析/(%)>0等价于a%3 >3%2-1,构造两 个常规函数g\"(%) = a3和\"(%) = 3%2 - 1,显然仅 当a < 0时,存在唯一的%。> 0使得a; > 3%0 - 1. 如图5,根据三次与二次函数图像的变化趋势,可 猜想:在y轴的左侧存在某种临界状态,即两条曲 线存在共点的切线,且除公共点外(% )的图像恒 在\"(()图像的上方.

{

3 a% 1 = 6% 1 ,3 2 得

a% 1 = 3% 1 - 1

2017年第7期中学教研(数学)• 23 •

^=-1, a = - 2,

进而求得公切线为6%+y+4=0.当a = -2时,

F(x) =g(x) -h(x) = -—% —->0^ +1 =

(1 -2%)(:\\; + 1)2,

的位置关系为:g(()的图像恒在h(()的上方.由图

6知a<1也满足,故ae [0,1].

将复杂的不等式问题简化为函数的大小问题, 水到渠成地运用数形结合思想,将其化归为曲线位 置关系的研究.解题过程简洁,运算难度降低,解法 略显简捷,以特殊化解决问题,展示了较高的创新 意识和辨析能力.

有兴趣的读者,可继续研究下面两道高考试 题:

即当% <0时,F(幻>0,当且仅当% = - 1时,

F(() =0.如图5,显然,要使得有唯一的〜>0满

足 a%〇 - 3%〇 + 1 = 0,必须 a < - 2.

评注将不等式转化、设计成两个函数的不等

关系;辅以简图分析,直观呈现对应曲线间的位置, 为数形结合解决不等式问题提供依据.选取特殊情 形(曲线的相切)为突破,巧妙获取参数的范围,并 推理论证,使得该不等式求参问题获得合理解决. 从以上试题的解答中,可见关键是将不等式拆分为 两个常规的基本函数的不等关系.从函数图像上易 于发现两者位置上的关系,进而确定化归的可能与 类型;辅以数形分析,会使得解答相对简捷[3].4

解后有疑

以上例题中在切点附近,其中一条曲线始终在 另一曲线的上方,而2015年山东省数学高考理科 第21题的第2)小题却略有不同.

例 4 设函数/(%) =ln(% +1) +a(%2

,其

中 a e R.

1略.

2)若对任意% >0,/(%) >0成立,求a的取值

范围.

(2015年山东省数学高考理科试题第21题) 分析令g(%) = l(> +

1),h(() = - a(:\\;2-—;),如图 6,当a>0时才有

ln(( + 1) + a((2--;) >0.

易知g(>)与h(>)相交于点 (0,0),由 g'(0) =1,h'(0)=

a知g(()与h(>)存在共点的

图6

公切线,此时a = 1且公切线为y + % = 0.

当a = 1时,

F(() =g(() -h(() =ln(( + 1) +^2-求导得 F'(()

-1

2x2+1

+ 2^+1

当% >0时,F(() >0,则F(()在(0, +^)上单调 递增,即F(() >F(0) =0恒成立.

综上所述,当a = 1时,在y轴的右侧两条曲线

例5 当% e [ - 2,1]时,不等式a3 -2 +

4+3>0恒成立,则实数a的取值范围是(

A. [ _5,_3] B. [ _6,_|]

C. [ _6, _2]

D. [ _4, _3]

(2014年辽宁省数学高考理科试题第11题)例6

已知函数=a3 _2

2 +1(其中% e

R,a>0),若在区间[-士,士]上,/() >0恒成

立,求a的取值范围.

(2010年天津市数学高考文科试题第20题) 反思导数解不等式问题的基本方法是构造 函数模型,如何构造、怎样运算、何时分类讨论都是 难点.通过此类题可以考查学生的综合数学素养, 因此参考答案更多的是构造函数解决,利用导数与 单调性知识求最值.若考生熟练掌握常见曲线的几 何特征,则能“以形助数,以数解形”,运用直观的 方式呈现不等关系,从而在模式化的解法基础之 上,又提供了一种新的思路.如此是试题的巧解还 是解答的巧合,亦或是命题人的有心,值得品味!

参考文献

[1] 霍福策,曹军.转化与化归在不等式恒成立 中的应用[J].数学教学研究.2014(1) :45-

48.

[2] 李金兴,许兴铭.函数与导数专题[J].中学 教研(数学),2017(2) :3-38.

[3] 陈晓明.问题到底出在哪儿呢——

对一道导

数试题解法的探究[J].数学教学,2017 (1):

12-13.