導數(shù)是研究函數(shù)性質的一種重要工具??捎脕砬蠛瘮?shù)的單調區(qū)間、最大(?。┲?、函數(shù)的值域,等等。在處理與不等式有關的綜合性問題時往往需要利用函數(shù)的性質,因此,可以利用導數(shù)作為工具得出函數(shù)性質解決問題。
一、利用導數(shù)證明不等式
?。ㄒ唬├脤?shù)得出函數(shù)單調性來證明不等式。
函數(shù)在某個區(qū)間上的導數(shù)值大于(或小于)0時,則該函數(shù)在該區(qū)間上單調遞增(或遞減)。因而在證明不等式時,根據(jù)不等式的特點,有時可以先構造函數(shù),用導數(shù)證明該函數(shù)的單調性,然后用函數(shù)單調性達到證明不等式的目的。即把證明不等式轉化為證明函數(shù)的單調性。具體有如下幾種形式:
1.直接構造函數(shù),然后用導數(shù)證明該函數(shù)的增減性,來證明不等式成立。
例1:求證:當x≥0時,1+2x-e≤0.
證明:設f(x)=1+2x-e,f(0)=0
∵f′(x)=2-2e=2(1-e)
∴當x≥0時f′(x)≤0
即f(x)在[0,+∞)上是減函數(shù)
當x≥0時,f(x)≤f(0)=0
當x≥0時,1+2x-e≤0.
2.把不等式變形后再構造函數(shù),然后利用導數(shù)證明該函數(shù)的單調性,達到證明不等式的目的。
例2:已知:a,b∈R,b>a>e,求證:a>b.(e為自然對數(shù)的底)
證:要證a>b只需證lna>lnb,即證:blna-alnb>0.
設f(x)=xlna-alnx(x>a>e),則f′(x)=lna-.
∵a>e,x>a,∴l(xiāng)na>1,<1,∴f′(x)>0,因而f(x)在(e,+∞)上遞增.
∵b>a,∴f(b)>f(a),故blna-alnb>alna-alna=0,即blna>alnb.
所以a>b成立.
?。ㄗ⒁?,此題若以a為自變量構造函數(shù)f(x)=blnx-xlnb(e<x<b),則f′(x)=lnb,f′(x)>0時x<時;f′(x)<0時x>,故f(x)在區(qū)間(e,b)上的增減性要由e與的大小而定,當然由題可以推測e>.
故f(x)在區(qū)間(e,b)上遞減,但要證明e>則需另費周折.因此,本題還是選擇以a為自變量來構造函數(shù)比較好.由本例可知用函數(shù)單調性證明不等式時,如何選擇自變量來構造函數(shù)是比較重要的.)
(二)利用導數(shù)求出函數(shù)的最值(或值域)后,再證明不等式。
導數(shù)的另一個作用是求函數(shù)的最值。因而在證明不等式時,根據(jù)不等式的特點,有時可以構造函數(shù),用導數(shù)求出該函數(shù)的最值;由當該函數(shù)取最大(或最?。┲禃r不等式都成立,可得該不等式恒成立。從而把證明不等式問題轉化為函數(shù)求最值問題。
例3:求證:n∈N,n≥3時,2>2n+1.
證明:要證原式,即需證:2-2n-1>0,n≥3時成立.
設f(x)=2-2x-1(x≥3),則f′(x)=22-2(x≥3),
∵x≥3,∴f′(x)≥2ln3-2>0,
∴f(x)在[3,+∞)上是增函數(shù),
∴f(x)的最小值為f(3)=2-2×3-1=1>0.
所以,n∈N,n≥3時,f(n)≥f(3)>0,即n≥3時,2-2n-1>0成立.
例4:f(x)=x-x,x,x∈[-1,1]時,求證:|f(x)-f(x)|≤.
證明:∵f′(x)=x-1,x∈[-1,1]時,f′(x)≤0,
∴f(x)在[-1,1]上遞減.故f(x)在[-1,1]上的最大值為f(-1)=,最小值為f(1)=-,即f(x)在[-1,1]上的值域為[-,];
所以x,x∈[-1,1]時,|f(x)|≤,|f(x)|≤,
即有|f(x)-f(x)|≤|f(x)|+|f(x)|≤+=.
二、利用導數(shù)解決不等式恒成立問題
不等式恒成立問題,一般都會涉及到求參數(shù)范圍,往往把變量分離后可以轉化為m>f(x)(或m<f(x))恒成立,于是m大于f(x)的最大值(或m小于f(x)的最小值),從而把不等式恒成立問題轉化為函數(shù)求最值問題。因此,利用導數(shù)求函數(shù)最值是解決不等式恒成立問題的一種重要方法。
例5:設a>0,x+a|lnx-1|≥a,x∈[1,+∞)恒成立,求實數(shù)a的取值范圍.
解:當x≥e時
令f(x)=x+a|lnx-1|,
則f(x)=x+alnx-a
∴f′(x)=2x+
∴f′(x)>0,即f(x)在[e,+∞)上單調遞增.
∴f(x)≥f(e)=e≥a
∴0<a≤e
當1≤x<e時
x-alnx+a≥a
∴a≤在[1,e)上恒成立
令g(x)=,則
g′(x)=
∴當x∈[1,e)時,g′(x)<0,即g(x)在x∈[1,e)單調遞減;
當x∈(e,e)時g′(x)>0,即g(x)在x∈(e,e)單調遞增.
∴g(x)≥g(e)=2e
∴0<a<2e
綜上所述:0<a<2e.
三、利用導數(shù)解不等式
例6:函數(shù)f(x)=-ax(a>0),解不等式f(x)≤1.
解:由題知f′(x)=-a=-a
?、佟?1<<1
∴a≥1時,f′(x)<1-a<0恒成立,故f(x)在R上單調遞減.
又f(0)=1,所以x≥0時,f(x)≤f(0)=1,即a≥1時,f(x)≤1的解為{x|x≥0}.
?、?<a<1時,若f′(x)=-a=-a=0,
則x=或x=-.
f′(x)>0時,解得x∈(-∞,-)∪(,+∞);
f′(x)f′(x)<0時,解得x∈(-,),
故f(x)在()上單調遞減,
f(x)在(-∞,-)或(,+∞)上單調遞增,
又f(x)=1時,解得x=0或x=,
且0<a<1時0<<,
所以0<a<1時f(x)≤1的解為{x|0≤x≤}.
綜上,a≥1時,f(x)≤1的解為{x|x≥0};
0<a<1時,f(x)≤1的解為{x|0≤x≤}.
總之,在解題過程中需要用到函數(shù)的單調性或最值,我們都可以用導數(shù)作工具來解決。這種解題方法也是轉化與化歸思想在中學數(shù)學中的重要體現(xiàn)。
注:“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”