高中数学-导数与恒成立、能成立问题专题
一、基础理论回顾
1、恒成立问题的转化:()a f x >恒成立?()max a f x >;()()min a f x a f x ≤?≤恒成立
2、能成立问题的转化:()a f x >能成立?()min a f x >;()()max a f x a f x ≤?≤能成立
3、恰成立问题的转化:()a f x >在M 上恰成立?()a f x >的解集为M ()()R a f x M a f x C M ?>???≤??
在上恒成立
在上恒成立
另一转化方法:若A x f D x ≥∈)(,在D 上恰成立,等价于)(x f 在D 上的最小值A x f =)(min ,若 ,D x ∈B x f ≤)(在D 上恰成立,则等价于)(x f 在D 上的最大值B x f =)(max .
4、设函数()x f 、()x g ,对任意的[]
b a x ,1∈,存在[]
d c x ,2∈,使得()()21x g x f ≥,则()()x g x f min min ≥
5、设函数()x f 、()x g ,对任意的[]
b a x ,1∈,存在[]
d c x ,2∈,使得()()21x g x f ≤,则()()x g x f max max ≤
6、设函数()x f 、()x g ,存在[]b a x ,1∈,存在[]d c x ,2∈,使得()()21x g x f ≥,则()()x g x f min max ≥
7、设函数()x f 、()x g ,存在[
]
b a x ,1∈,存在[
]
d c x ,2∈,使得()()21x g x f ≤,则()()x g x f max min ≤ 8、若不等式()()f x g x >在区间D 上恒成立,等价于在区间D 上函数()y f x =和图象在函数()y g x =图象
上方; 9、若不等式()()f x g x <在区间D 上恒成立,等价于在区间D 上函数()y f x =和图象在函数()y g x =图象
下方;
二、经典题型解析
题型一、简单型
例1、已知函数12)(2
+-=ax x x f ,x
a
x g =
)(,其中0>a ,0≠x . 1)对任意]2,1[∈x ,都有)()(x g x f >恒成立,求实数a 的取值范围;(构造新函数) 2)对任意]4,2[],2,1[21∈∈x x ,都有)()(21x g x f >恒成立,求实数a 的取值范围;(转化)
简解:(1)由12012232
++>-+-x x x a x a ax x 成立,只需满足1
2)(2
3++=x x x x ?的最小值大于a 即可.对
1
2)(23++=x x x x ?求导,0)12(12)(2
224>+++='x x x x ?,故)(x ?在]2,1[∈x 是增函数,32)1()(min ==??x ,所以a 的取值范围是3
2
0<
)(,对任意]2,21[∈a ,都有10)(≤x h 在]1,4 1 [∈x 恒成立,求实数b 的范围. 分析:思路、解决双参数问题一般是先解决一个参数,再处理另一个参数.以本题为例,实质还是通过函数求最值解决. 方法1:化归最值,10)(10)(max ≤?≤x h x h ; 方法2:变量分离,)(10x x a b +-≤或x b x a )10(2-+-≤; 方法3:变更主元(新函数),0101 )(≤-++?=b x a x a ?,]2,21[∈a 简解:方法1:对 b x x a x h ++= )(求导,2 2) )((1)(x a x a x x a x h +-=- =',(单调函数) 由此可知,)(x h 在]1,41[ 上的最大值为)4 1 (h 与)1(h 中的较大者. ?????-≤-≤??????≤++≤++??????≤≤∴a b a b b a b a h h 944 39 1011041410)1(10)41(,对于任意]2,21[∈a ,得b 的取值范围是47≤b . 例3、已知两函数2 )(x x f =,m x g x -?? ? ??=21)(,对任意[]2,01∈x ,存在[]2,12∈x ,使得()21)(x g x f ≥, 则实数m 的取值范围为 答案:4 1≥m 题型二、更换主元和换元法 例1、已知函数()ln()(x f x e a a =+为常数)是实数集R 上的奇函数,函数()()sin g x f x x λ=+是区间[]1,1-上的减函数, (Ⅰ)求a 的值;(Ⅱ)若[]2 ()11,1g x t t x λ≤++∈-在上恒成立,求t 的取值范围; (Ⅱ)分析:在不等式中出现了两个字母:λ及t ,关键在于该把哪个字母看成是一个变量,另一个作为常数。显然可将λ视作自变量,则上述问题即可转化为在(],1-∞-内关于λ的一次函数大于等于0恒成立的问题。(Ⅱ)略解: 由(Ⅰ)知:()f x x =,()sin g x x x λ∴=+,()g x Q 在[]11 -,上单调递减,()cos 0g x x λ'∴=+≤cos x λ∴≤-在[]11-,上恒成立,1 λ∴≤-,[]max ()(1)sin1g x g λ=-=--,∴只需2sin11t t λλ--≤++,2(1)sin110t t λ∴++++≥(其中1λ≤-)恒成立,由上述②结论:可令()2 (1)sin110(1f t t λλλ=++++≥≤-),则2t 101sin110t t +≤? ? --+++≥?,2 1sin10t t t ≤-? ∴?-+≥?,而2sin10t t -+≥恒成立,1t ∴≤-。 例2、已知二次函数1)(2 ++=x ax x f 对[] 2,0∈x 恒有0)(>x f ,求a 的取值范围。 解: 对[] 2,0∈x 恒有0)(>x f 即012 >++x ax 变形为)1(2 +->x ax 当0=x 时对任意的a 都满足0)(>x f 只须考虑0≠x 的情况 2 )1(x x a +-> 即21 1x x a --> 要满足题意只要保证a 比右边的最大值大就行。 现求211x x --在(]2,0∈x 上的最大值。令211≥∴=t x t 4 1)21()(22 ++-=--=t t t t g (21≥t ) 43)21()(max -==g t g 所以4 3 ->a 又1)(2 ++=x ax x f 是二次函数0≠∴a 所以43->a 且0≠a 例3、对于满足0≤a ≤4的所有实数a 求使不等式342-+>+a x ax x 都成立的x 的取值范围 答案: 1- 题型三、分离参数法(欲求某个参数的范围,就把这个参数分离出来) 此类问题可把要求的参变量分离出来,单独放在不等式的一侧,将另一侧看成新函数,于是将问题转化成新函数的最值问题:若对于x 取值范围内的任一个数都有()()f x g a ≥恒成立,则min ()()g a f x ≤;若对于x 取值范围内的任一个数都有()()f x g a ≤恒成立,则max ()()g a f x ≥. 例1、当()1,2x ∈ 时,不等式240x mx ++<恒成立,则m 的取值范围是 . 解析: 当(1,2)x ∈时,由2 40x mx ++<得24x m x +<- .∴5m ≤-. 例2、已知函数()ln()x f x e a =+(a 为常数)是实数集R 上的奇函数,函数()cos g x x x λ=-在区间 2,33ππ?? ???? 上是减函数. (Ⅰ)求a 的值与λ的范围; (Ⅱ)若对(Ⅰ)中的任意实数λ都有()1g x t λ≤-在 2,33ππ?? ???? 上恒成立,求实数t 的取值范围. (Ⅲ)若0m >,试讨论关于x 的方程 2ln 2() x x ex m f x =-+的根的个数. 解:(Ⅰ)、(Ⅲ)略 (Ⅱ)由题意知,函数()cos g x x x λ=-在区间 2,33ππ?? ??? ?上是减函数. max 1()(),332g x g ππλ∴==-()1g x t λ≤-在2,33ππ?? ???? 上恒成立11,32t πλλ?-≥- 13 2t π λ∴≤ + (1)λ≤-Q 1 ,.32 t π∴≤- 题型四、数形结合(恒成立问题与二次函数联系(零点、根的分布法)) 例1、若对任意x R ∈,不等式||x ax ≥恒成立,则实数a 的取值范围是________ 解析: 对?x R ∈,不等式||x ax ≥恒成立、则由一次函数性质及图像知11a -≤≤,即11a -≤≤。 例2、不等式)4(x x ax -≤在]3,0[∈x 内恒成立,求实数a 的取值范围。 解:画出两个凼数ax y =和)4(x x y -=在]3,0[∈x 上的图象 如图 | ax =y x y 3 3 = a 知当 3=x 时3=y , 当33≤ a ]3,0[∈ x 时总有)4(x x ax -≤所以3 3≤a 例4、已知函数36,2 (),63,2x x y f x x x +≥-?==?--<-? 若不等式()2f x x m ≥-恒成立,则实数m 的取值范围 是 . 解:在同一个平面直角坐标系中分别作出函数2y x m =-及 ()y f x =的图象,由于不等式()2f x x m ≥-恒成立,所以函数2y x m =-的图象应总在函数()y f x =的图象下方,因此,当 2x =-时,40,y m =--≤所以4,m ≥-故m 的取值范围是 [)4,.-+∞ 题型五、其它(最值)处理方法 若在区间D 上存在实数x 使不等式()f x A >成立,则等价于在区间D 上()max f x A >; 若在区间D 上存在实数x 使不等式 ()f x B <成立,则等价于在区间D 上的()min f x B <. | ax =y x y 利用不等式性质 1、存在实数x ,使得不等式2 313x x a a ++-≤-有解,则实数a 的取值范围为______。 解:设()31f x x x =++-,由()23f x a a ≤-有解,()2 min 3a a f x ?-≥, 又()()31314x x x x ++-≥+--=,∴234a a -≥,解得41a a ≥≤-或。 2、若关于x 的不等式 a x x ≥++-32恒成立,试求a 的范围 解:由题意知只须a 比32++-x x 的最小值相同或比其最小值小即可,得min )32(++-≤x x a 由 5)3(232=+--≥++-x x x x 所以 5≤a 利用分类讨论 1、已知函数422)(+-=ax x x f 在区间[-1,2] 上都不小于2,求a 的值。 解:由函数 422)(+-=ax x x f 的对称轴为x=a 所以必须考察a 与-1,2的大小,显然要进行三种分类讨论 1).当a ≥2时f(x)在[-1,2]上是减函数此时m in )(x f = f(2)=4-4a+42≤ 即a 2 3 ≥ 结合a ≥2,所以a ≥2 2).当a 1-≤ 时 f(x)在[-1,2]上是增函数,此时f(-1)=1+2a+42≤ m in )(x f = f(-1)=1+2a+42≤结合a 1-≤ 即a 2 3 -≤ 3).当-1 24222≤+-a x 即a 2≥ 或a 2-≤ 所以22<≤a 综上1,2,3满足条件的a 的范围为:a 2 3 - ≤或 a 2≥ 利用导数迂回处理 1、已知)1lg(2 1 )(+= x x f )2lg()(t x x g +=若当]1,0[∈x 时)()(x g x f ≤在[0,1]恒成立,求实数t 的取值范围 解:)()(x g x f ≤在[0,1] 上恒成立,即021≤--+t x x 在[0,1]上恒成立 即 021≤--+t x x 在[0,1]上的最大值小于或等于0 令t x x x F --+= 21)(所以 1 21412121)('++-=-+= x x x x F ,又]1,0[∈x 所以0)(' 2、已知函数 ()()21 ln 202 f x x ax x a =--≠存在单调递减区间,求a 的取值范围 解: 因为函数()f x 存在单调递减区间,所以()2 ' 12120ax x f x ax x x +-=--=-< ()0,+∞有解.即()()2 120,a x x x > - ∈+∞能成立, 设()212 u x x x =-. 由()2 21 2111u x x x x ?? =-=-- ???得, ()min 1u x =-.于是,1->a , 由题设0≠a ,所以a 的取值范围是()()+∞-,00,1Y 3、已知函数 3 ()(ln ),().3 a f x x x m g x x x =+= + (Ⅰ)当2m =-时,求()f x 的单调区间; (Ⅱ)若3 2 m =时,不等式()()g x f x ≥恒成立,求实数a 的取值范围. 解:(Ⅰ)略 (Ⅱ)当32m =时,不等式()()g x f x ≥即 33 (ln )32 a x x x x +≥+恒成立.由于0x >,∴231ln 32a x x +≥+,亦即21ln 32a x x ≥+,所以213(ln )2x a x +≥.令()h x =21 3(ln ) 2x x +,则36ln ()x h x x -'=,由()0h x '=得1x =.且当01x < <时,()0h x '>;当1x >时,()0h x '<,即()h x 在(0,1)上单调递增,在 (1,)+∞上单调递减,所以()h x 在1x =处取得极大值3 (1)2 h = ,也就是函数()h x 在定义域上的最大值.因此要使21 3(ln ) 2x a x +≥恒成立,需要32a ≥,所以a 的取值范围为3,2??+∞???? . 注:恒成立问题多与参数的取值范围问题联系在一起,是近几年高考的一个热门题型,往往与函数的单调性、极值、最值等有关。 小结:恒成立与有解的区别: ①不等式()f x M <对x I ∈时恒成立max ()f x M??<,x I ∈。即()f x 的上界小于或等于M ; ②不等式()f x M <对x I ∈时有解min ()f x M??<,x I ∈。 或()f x 的下界小于或等于M ; ③不等式()f x M >对x I ∈时恒成立min ()f x M??>,x I ∈。即()f x 的下界大于或等于M ; ④不等式()f x M >对x I ∈时有解max ()f x M ?>,x I ∈.。 或()f x 的上界大于或等于M ; 三、恒成立、能成立问题专题练习 1、已知两函数()2728f x x x c =--,()32 2440g x x x x =+-。 (1)对任意[]3,3x ∈-,都有()()f x g x ≤)成立,求实数c 的取值范围; (2)存在[]3,3x ∈-,使()()f x g x ≤成立,求实数c 的取值范围; (3)对任意[]12,3,3x x ∈-,都有()()12f x g x ≤,求实数c 的取值范围; (4)存在[]12,3,3x x ∈-,都有()()12f x g x ≤,求实数c 的取值范围; 2、设1a >,若对于任意的[,2]x a a ∈,都有2 [,]y a a ∈满足方程log log 3a a x y +=,这时a 的取值集合为 ( ) (A )2{|1}a a <≤ (B ){|}2a a ≥ (C )3|}2{a a ≤≤ (D ){2,3} 3、若任意满足05030x y x y y -≤??+-≥??-≤? 的实数,x y ,不等式222 ()()a x y x y +≤+恒成立,则实数a 的最大值是 ___ . 4、不等式2sin 4sin 10x x a -+-<有解,则a 的取值范围是 5、不等式 ax ≤在[]0,3x ∈内恒成立,求实数a 的取值范围。 6、设函数 3221 ()23(01,)3 f x x ax a x b a b R =-+-+<<∈. (Ⅰ)求函数 ()f x 的单调区间和极值; (Ⅱ)若对任意的],2,1[++∈a a x 不等式()f x a '≤成立,求a 的取值范围。 7、已知A 、B 、C 是直线λ上的三点,向量OA →,OB →,OC → 满足:()[]()0OC 1x ln OB 1f 2y OA =?++?'+-. (1)求函数y =f(x)的表达式; (2)若x >0,证明:f(x)>2x x +2; (3)若不等式() 3bm 2m x f x 2 1222 --+≤时,[]1,1x -∈及[]1,1b -∈都恒成立,求实数m 的取值范围. 8、设()x ln 2x q px x f -- =,且()2e p qe e f --=(e 为自然对数的底数) (I) 求 p 与 q 的关系; (II)若()x f 在其定义域内为单调函数,求 p 的取值范围; (III)设()x e 2x g = ,若在[]e ,1上至少存在一点0x ,使得()()00x g x f >成立, 求实数 p 的取值范围. 课后作业答案: 1、解析:(1)设()()()32 2312h x g x f x x x x c =-=--+,问题转化为[]3,3x ∈-时,()0h x ≥恒成立,故()min 0h x ≥。 令()()()2 66126120h x x x x x '=--=+-=,得1x =-或2。由导数知识,可知()h x 在[]3,1--单调递增,在[]1,2-单调 递减,在[]2,3单调递增,且()345h c -=-,()()17h x h c =-=+极大值,()()220h x h c ==-极小值,()39h c =-,∴ ()()min 345h x h c =-=-,由450c -≥,得45c ≥。 (2)据题意:存在[]3,3x ∈-,使()()f x g x ≤成立,即为:()()()0h x g x f x =-≥在[]3,3x ∈-有解,故()max 0h x ≥,由(1)知()max 70h x c =+≥,于是得7c ≥-。 (3)它与(1)问虽然都是不等式恒成立问题,但却有很大的区别,对任意[]12,3,3x x ∈-,都有()()12f x g x ≤成立,不等式的左右两端函数的自变量不同,1x ,2x 的取值在[]3,3-上具有任意性,∴要使不等式恒成立的充要条 件是:max min ()(), [3,3]f x g x ??x ?≤∈-。∵()()[]2 7228,3,3f x x c x =---∈-∴ ()()max 3147f x f c =-=-, ∵()2 6840g x x x '=+-=()()23102x x +-,∴()0g x '=在区间[]3,3-上只有一个解2x =。 ∴()()min 248g x g ==-,∴14748c -≤-,即195c ≥. (4)存在[]12,3,3x x ∈-,都有()()12f x g x ≤,等价于 ()()min 1max 2f x g x ≤,由(3)得()()min 1228f x f c ==--, ()()max 23102g x g =-=,28102130c c --≤?≥- 点评:本题的三个小题,表面形式非常相似,究其本质却大相径庭,应认真审题,深入思考,多加训练,准确使用其成立的充要条件。 2、B 。解析:由方程log log 3a a x y +=可得3 a y x =,对于任意的[,2]x a a ∈,可得2322a a a x ≤≤,依题意 得2 2222a a a a a ?≤??≥??≥? 。 3、答案:2513。解析:由不等式222 ()()a x y x y +≤+可得 2 1a x y y x ≤++,由线性规划可得312y x ≤≤。 4、解:原不等式有解()()2 2sin 4sin 1sin 231sin 1a x x x x ?>-+=---≤≤有解,而()2 min sin 232x ??--=-??,所以2a >-。 5、解:画出两个凼数 y ax =和 y =[]0,3x ∈ 上的图象如图知当3 x =时 y = ,3 a = 当3a ≤ ,[]0,3x ∈ 时总有ax ≤所以3 a ≤ 6、解:(Ⅰ)2234)(a ax x x f -+-=' (1分) 令,0)(>'x f 得)(x f 的单调递增区间为(a,3a ) 令,0)(<'x f 得)(x f 的单调递减区间为(-∞,a )和(3a ,+∞) (4分) ∴当x=a 时,)(x f 极小值=;4 33 b a +- 当x=3a 时,)(x f 极小值=b. (6分) (Ⅱ)由|)(x f '|≤a ,得-a ≤-x2+4ax -3a2≤a.①(7分) .154 . 12,44≤≤??