證明f(x)=m兩實根有x2-x1≤1/2+m-me/(1-e)成立,這類題入手點須知

2020-12-11 玉w頭說教育

原題

原題:已知函數f(x)=(x+b)[e^(2x)-a](b>0)的圖像在點(-1/2,f(-1/2))處的切線方程為(e-1)x+ey+(e-1)/2=0.

⑴求a,b;

⑵函數f(x)的圖像與x軸負半軸的交點為P,且在點P處的切線方程為y=h(x),函數F(x)=f(x)-h(x),x∈R,求F(x)的最小值;

⑶關於x的方程f(x)=m的兩個實數根x1,x2,且x1<x2,證明:x2-x1≤(1+2m)/2-me/(1-e)。

圖一

這道題難度最大的就是第三問,前兩問我們可能還知道該如何入手去解決,但是第三問卻讓很多同學摸不著頭緒,不知道求解的方向。

其實第三問是需要我們去構建函數的,但是在構建函數前,還是先要解決前兩問的問題,因為要想解決第三問的問題,是離不開前兩問問題的結論的,也就是說,前兩問問題的求解過程都可以屬於求解第三問的內容。

求解第一問

第一問是要求a,b的值。

要想求解a,b的值,我們只需要根據函數f(x)上的切點即在該函數f(x)上,也在該函數f(x)在該點的切線上,從而列出方程求解出a,b的值。

因為函數f(x)在點(-1/2,f(-1/2))處的切線方程為(e-1)x+ey+(e-1)/2=0,所以點(-1/2,f(-1/2))即在切線方程(e-1)x+ey+(e-1)/2=0上,也在函數f(x)=(x+b)[e^(2x)-a](b>0)上。

所以將點(-1/2,f(-1/2))代入切線方程(e-1)x+ey+(e-1)/2=0得到f(-1/2)=0。

所以將點(-1/2,f(-1/2))代入f(x)=(x+b)[e^(2x)-a](b>0),得到f(-1/2)=(b-1/2)(1/e-a)=0,即b=1/2或者a=1/e。

注意:這裡還需要驗證b=1/2或者a=1/e是否都成立,因為這裡給出的b>0,當a=1/e時,是否也能夠滿足b>0成立。

驗證b=1/2或者a=1/e是否都成立。

因為f'(x)=e^(2x)(2x+2b+1)-a,所以f'(-1/2)=2b/e-a。

又因為f'(-1/2)恰好是切線方程(e-1)x+ey+(e-1)/2=0的斜率,即K=-(e-1)/e=-1+1/e。

所以有2b/e-a=-1+1/e。

若a=1/e,則b=(2-e)/e<0(舍),所以b=1/2,a=1.

求解第二問

第二問是求解函數F(x)的最小值。

要想求解函數F(x)的最小值,就要先得出函數F(x)的解析式,然後對函數F(x)進行求導來判斷該函數F(x)的單調性,再根據該函數的單調性求出該函數的最小值。

第一步,求出F(x)的解析式。

從第一問中我們已經得到a和b的值,所以就可以得出關於函數f(x)的解析式,即f(x)=(x+1/2)(e^(2x)-1),所以只需要求出函數h(x)的解析式即可得出函數F(x)的解析式了。

因為函數h(x)是函數f(x)上點P處的切線方程,所以只需要求出點P的坐標就可以得出h(x)的解析式。

因為點P是函數f(x)的圖像與x軸負半軸的交點,令f(x)=0,解得到x=-1/2或者x=0,所以點P的坐標為(-1/2,0)。

所以該函數h(x)的解析式為h(x)=f'(-1/2)(x+1/2),整理得到h(x)=(1-e)/e·(x+1/2)。

所以函數F(x)的解析式為F(x)=f(x)-h(x)=(x+1/2)(e^(2x)-1)-(1-e)/e·(x+1/2),整理得到F(x)=(x+1/2)(e^2x-1/e)。

第二步,求出函數F(x)的單調性。

因為函數F(x)的一次導數為F'(x)=(2e^(2x))·(x+1)-1/e,且F'(-1/2)=0.

所以有

當x<-1時,F'(x)<0恆成立;

當-1<x<1/2時,因為y=x+1和y=e^(2x)都是增函數,則有x+1∈(0,1/2),e^(2x)∈(1/e^2,1/e),所以2(x+1)e^(2x) ∈(0,1/e),所以 2(x+1)e^(2x)-1/e∈(-1/e,0),所以 F'(x)<0;

當x>-1/2時,因為y=x+1和y=e^(2x)都是增函數,則有x+1∈(1/2,+∞),e^(2x)∈(1/e,+∞),所以2(x+1)e^(2x) ∈(1/e,+∞),2(x+1)e^(2x)-1/e∈(0,+∞),所以 F'(x)>0。

所以函數F(x)在(-∞,-1/2)上是單調遞減,在(-1/2,+∞)上是單調遞增的。

第三步,求出函數F(x)的最小值。

所以當x=-1/2時,函數F(x)取最小值,即F(x)min=F(-1/2)=0.

所以函數F(x)的最小值為0.

圖二

求證第三問

第三問是給出方程f(x)=m的兩個實數根x1,x2,以及兩個實數根的大小關係x1<x2,證明:x2-x1≤(1+2m)/2-me/(1-e)。

該問證明的是一個不等式的形式,而給出的方程f(x)=m卻是一個等式,所以要想證明x2-x1≤(1+2m)/2-me/(1-e)需要建立關於函數f(x)的不等式。

要想建立關於函數f(x)的不等式,就要找到關於函數f(x)有關的不等式。

而第二問的結論是解出函數F(x)是一個最小值,且最小值為0,所以就有F(x)=f(x)-h(x)≥0,即f(x)≥h(x)。

建立好不等式後,就要根據函數h(x)和函數f(x)的函數值相等以及函數h(x)的單調性得出這兩個函數自變量的關係。

具體做法:

設h(z1)=m,又因為函數h(x)=(1-e)/e·(x+1/2),則z1=-1/2+me/(1-e)。

又因為f(x1)=m,所以有h(z1)=m=f(x1),又根據不等式f(x)≥h(x),所以h(z1)=m=f(x1)≥h(x1),即h(z1)≥h(x1)。

又因為函數h(x)=(1-e)/e·(x+1/2)是個減函數,所以有z1≤x1,即x1≥-1/2+me/(1-e),即-x1≤1/2-me/(1-e)。

因為我們要證明的是x2-x1(1+2m)/2-me/(1-e)=m+1/2-me/(1-e),所以只需要證明x2≤m即可。

因為x2和m都是屬於自變量的範疇,所以我們還要建立函數t(x),根據函數值f(x2)和t(m)的大小關係以及函數t(x)的單調性得出x2和m的關係。

設曲線y=f(x)在點(0,0)處的切線方程為y=t(x),則t(x)=x。

第一步,得出f(x)和t(x)的大小關係。

令T(x)=f(x)-t(x)=(x+1/2)(e^(2x)-1)-x,因為T(x)的一次導數為T'(x)=2(x+1)e^(2x)-2,令T'(x)=2(x+1)e^(2x)-2=0,解得到x=0.

當x≤0時,2(x+1)≤2,e^(2x)≤1,所以T'(x)=2(x+1)e^(2x)-2≤0;

當x>0時,2(x+1)>2,e^(2x)>1,所以T'(x)=2(x+1)e^(2x)-2>0.

所以函數T(x)在(-∞,0]上是單調遞減的,在(0,+∞)上單調遞增的。

所以當x=0時,函數T(x)取最小值為T(0)=0,所以T(x)=f(x)-t(x)≥0恆成立,即f(x)≥t(x)。

第二步,得出x2和m的大小關係。

設t(z2)=m,因為t(x)=x,所以z2=m。

因為t(z2)=m=f(x2),又因為f(x)≥t(x)恆成立,所以有t(z2)=m=f(x2)≥t(x2),即t(z2)≥t(x2),又因為函數y=t(x)為增函數,所以z2≥x2,又因為z2=m,所以x2≤m。

綜上所述,x2-x1=m+1/2-me/(1-e),即x2-x1≤(1+2m)/2-me/(1-e)。

圖三

總結

對於求證關於自變量的不等式關係時,需要建立自變量相對應的函數之間的不等式關係。

而第二問的結論變相的給出的關於函數f(x)和函數h(x)的不等關於後,得出了相應的自變量的關係,這種模式也是對後面構建函數f(x)和t(x)大小關係的一種提示,即根據相同的方法又得出函數f(x)和t(x)自變量的大小關係,最終證明結論。

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