高中數學,知道這兩不等式壓軸題迎刃而解,極值在不等式中的運用

2020-12-11 玉w頭說教育

原題

原題:已知函數f(x)=xe^x-a(x+lnx)。

⑴若a=0,求函數f(x)在x=1處的切線方程;

⑵討論f(x)極值點的個數;

⑶若x0是函數f(x)的一個極值點,且f(x0)>0,證明:f(x0)>2[x0-(x0)^3].

圖一

這道題是作為一個壓軸題出現的,其實壓軸題並沒有我們想像的那樣難。

仔細觀察我們會發現,這道題的前兩問還是比較簡單的,主要是第三問的問題,其實第三問如果知道這兩個常見的不等式,也是比較簡單的。

在第三問中給出x0是函數f(x)的一個極值點,則函數f(x)的一次導數在該x0點處是等於0,經過導數的求得,我們會發現要想證明f(x0)>2[x0-(x0)^3]成立,實際就是要證明x0e^(x0)(1-x0-lnx0)>2[x0-(x0)^3]成立即可。

看到「x0e^(x0)(1-x0-lnx0)>2[x0-(x0)^3]」不等式,熟悉常見不等式的同學會立馬發現這裡的e^x0>x0+1,lnx0<x0-1,將這裡不等式代入立馬就做出題來了。

但是不知道這兩個不等式的同學,一看這個「x0e^(x0)(1-x0-lnx0)>2[x0-(x0)^3]」不等式就找不到頭了,更不知道該從何證起。

下面我們就來講解該題的具體的解題過程。

第一問

第一問給出a=0,求該函數f(x)在x=1處的切線方程。

這道題只需要將a代入,對函數求導,求出該導數在x=1處的斜率,再根據該函數在x=1處的點求出函數在x=1處的切線方程。

因為a=0,所以函數f(x)=xe^x。

對函數f(x)求導,得到一次導數f'(x)=(1+x)e^x,則函數f(x)在x=1處的斜率為k=f'(1)=2e。

將x=1代入到函數f(x)=xe^x中,則有f(1)=e,所以該函數在x=1處的切線過點(1,e)。

根據點斜式,則該切線方程為y-e=2e(x-1),整理得到2ex-y-e=0.

第二問

第二問是討論函數f(x)極值點的個數。

要想求出該函數f(x)的極值點個數,實際就是求函數f(x)導數等於0時解的個數。

因為函數f(x)=xe^x-a(x+lnx),所以該函數的一次導數為f'(x)=(1+x)e^x-a(1+1/x)=(1+x)e^x-a(x+1)/x=(x+1)(e^x-a/x)

令 一次導數為f'(x)=0,則(x+1)(e^x-a/x)=0,因為x>0,所以只能是e^x-a/x=0.

所以上述要求函數f(x)極值點的個數,就轉化成了求方程e^x-a/x=0解的個數。

求方程e^x-a/x=0解的個數可以根據圖像來解決,即函數y=e^x和函數y=a/x有交點的個數。

當a=0時,e^x=0,因為e^x>0恆成立,所以此時方程e^x-a/x=0無解,即此時函數f(x)沒有極值點。

當a>0時,函數y=e^x和函數y=a/x的圖形如圖二所示:

圖二

因為x>0,且函數y=e^x是底數大於1的指數函數,在x>0上是單點遞增的,函數y=a/x是單點遞減的,所以函數y=e^x和函數y=a/x只有一個交點。

所以此時函數f(x)存在一個極值點。

當a<0時,函數y=e^x和函數y=a/x的圖形如圖三所示:

圖三

因為x>0,而函數y=a/x在x>0部分的函數值均校友0,函數y=e^x在x>0部分均大於0,所以該函數在x>0上是沒有交點的,所以函數y=e^x和函數y=a/x沒有交點。

所以此時函數f(x)沒有極值點。

第三問

第三問就是要證明不等式f(x0)>2[x0-(x0)^3]成立。

要想這證明該不等式成立,需要知道兩個常用的不等式:e^x>x+1和lnx<x-1.

證明的詳細過程可見高中數學證不等式恆成立需知這些「媒介」不等式,不容小覷的內容

因為x0是函數f(x)的一個極值點,所以一次導數f'(x0)=0。

因為一次導數f'(x)=(x+1)(e^x-a/x),且x>0,所以e^x0-a/x0=0,即x0·e^(x0)=a——這個關係比較重要。

第一步,得出f(x0)>0的用意。

因為f(x0)>0,所以f(x0)=x0·e^(x0)-a(x0+lnx0)=x0·e^(x0)-x0·e^(x0)·(x0+lnx0)=x0·e^(x0)(1-x0-lnx0)>0.

因為x0·e^(x0)>0恆成立,所以只需(1-x0-lnx0)>0即可。

設g(x)=1-x-lnx,則一次導數g'(x)=-1-1/x,因為x>0,所以一次導數g'(x)<0恆成立,即g(x)是單調遞減函數,又因為g(1)=0,所以要想(1-x0-lnx0)>0,需要滿足0<x0<1。

所以這裡給出f(x0)>0,實際是給出了x0的一個範圍,這裡給出x0的範圍就是為了滿足不等式e^x>x+1和lnx<x-1成立,其實該不等式在x>0上就是成立的。

第二步,借用不等式e^x>x+1和lnx<x-1.

因為f(x)=xe^x-a(x+lnx),且x0·e^(x0)=a,所以f(x0)=x0·e^(x0)(1-x0-lnx0)。

因為e^x>x+1和lnx<x-1,所以e^x0>x0+1,-lnx0>-x0+1,所以f(x0)=x0·e^(x0)(1-x0-lnx0)>x0(x0+1)(1-x0-x0+1)=x0(x0+1)(2-2x0)=2x0[1-(x0)^2]=2[x0-(x0)^3]。

所以就證明出f(x0)>2[x0-(x0)^3]。

總結

上述就是函數、不等式以及極值點相結合的題型,雖然看起來繁瑣,但是實際思路還是比較簡單的。

上述的題中的很多步驟也都固定的模式,學會它可以用在將來的解題之中,就像給出x0是函數f(x)的極值點,就要知道f(x0)=0,即x0·e^(x0)=a或者e^x0=a/x0這樣的關係,在解題中都是有很大用處的。

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