高三數(shù)學(xué)復(fù)習(xí)中的恒成立與存在性問題,涉及一次函數(shù)、二次函數(shù)等函數(shù)的性質(zhì)、圖像,滲透著換元、化歸、數(shù)形結(jié)合、函數(shù)與方程等思想方法,有利于考查學(xué)生的綜合解題能力,在培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性、創(chuàng)造性等方面起到了積極的作用.因此也成為歷年高考的一個熱點(diǎn).恒成立與存在性問題的處理途徑有多種,下面通過實(shí)例來談?wù)剬λ鼈兊奶幚矸椒?
一、恒成立問題
1.?坌x∈D,f(x)>g(x)型
對于形如?坌x∈D,f(x)>g(x)的問題,需要先設(shè)函數(shù)y=f(x)-g(x),再轉(zhuǎn)化為?坌x∈D,y>0.
例1:已知函數(shù)f(x)=x|x-a|+2x,求所有的實(shí)數(shù)a,使得對任意x∈[1,2]時,函數(shù)f(x)的圖像恒在函數(shù)g(x)=2x+1圖像的下方.
解:由題意得對任意的實(shí)數(shù)x∈[1,2],f(x)<g(x)恒成立,即x|x-a|<1在[1,2]上恒成立,也即x-<a<x+在[1,2]上恒成立,故當(dāng)x∈[1,2]時,只要x-的最大值小于a且x+的最小值大于a即可,而當(dāng)x∈[1,2]時,x-′=1+>0,從而x-為增函數(shù),由此得(x-)=;當(dāng)x∈[1,2]時,x+′=1->0,從而x+為增函數(shù),由此得(x+)=2,所以<a<2.
【點(diǎn)評】在處理f(x)>c的恒成立問題時,如果函數(shù)f(x)含有參數(shù),一般有兩種處理方法:一是參數(shù)分離,將含參數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為不含參數(shù)的函數(shù),再求出最值即可;二是如果不能參數(shù)分離,可以用分類討論處理函數(shù)f(x)的最值.
2.?坌x,x∈D,|f(x)-f(x)|≤C型
對于形如?坌x,x∈D,|f(x)-f(x)|≤C的問題,因?yàn)閨f(x)-f(x)|≤f(x)-f(x),所以原命題等價為f(x)-f(x)≤C.
例2:已知函數(shù)f(x)=ax+bx-3x(a,b∈R),在點(diǎn)(1,f(1))處的切線方程為y+2=0.(1)求函數(shù)f(x)的解析式;(2)若對于區(qū)間[-2,2]上任意兩個自變量的值x,x,都有|f(x)-f(x)|≤c,求實(shí)數(shù)c的最小值.
解:(1)∵f′(x)=3ax+2bx-3,
根據(jù)題意,得f(1)=-2f′(1)=0即a+b-3=-23a+2b-3=0,解得a=1b=0,∴f(x)=x-3x.
?。?)令f′(x)=3x-3=0,即3x-3=0,解得x=±1.
∵f(-1)=2,f(1)=-2,∴當(dāng)x∈[-2,2]時,f(x)=2,f(x)=-2.
則對于區(qū)間[-2,2]上任意兩個自變量的值x,x,都有 |f(x)-f(x)|≤f(x)-f(x)=4,所以c≥4,即c的最小值為4.
【點(diǎn)評】在處理這類問題時,因?yàn)閤,x是兩個不相關(guān)的變量,所以可以等價為函數(shù)f(x)在區(qū)間D上的函數(shù)差的最大值小于c,如果x,x是兩個相關(guān)變量,則需要代入x,x之間的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為一元問題.
3.?坌x,x∈D,|f(x)-f(x)|≤a|x-x|型
形如?坌x,x∈D,|f(x)-f(x)|≤a|x-x|這樣的問題,首先需要根據(jù)函數(shù)f(x)的單調(diào)性去掉|f(x)-f(x)|≤a|x-x|中的絕對值符號,再構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-ax,從而將問題轉(zhuǎn)化為新函數(shù)g(x)的單調(diào)性.
例3:已知函數(shù)f(x)=x-1-alnx(a∈R).若a<0,且對任意x,x∈(0,1],都有|f(x)-f(x)|≤4-,求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
解:f′(x)=1-=,其中x>0.∴當(dāng)a<0時,f′(x)>0恒成立,函數(shù)f(x)在(0,1]上是增函數(shù),又函數(shù)y=在(0,1]上是減函數(shù).
不妨設(shè)0<x≤x≤1,則|f(x)-f(x)|=f(x)-f(x),-=-,所以|f(x)-f(x)|≤4-等價于f(x)-f(x)≤-,即f(x)+≤f(x)+.
設(shè)h(x)=f(x)+=x-1-alnx+.則|f(x)-f(x)|≤4-等價于函數(shù)h(x)在區(qū)間(0,1]上是減函數(shù).因?yàn)閔′(x)=1--=,所以所證命題等價于證x-ax-4≤0在x∈(0,1]時恒成立,即a≥x-在x∈(0,1]時恒成立,即a不小于y=x-在區(qū)間(0,1]內(nèi)的最大值.而函數(shù)y=x-在區(qū)間(0,1]上是增函數(shù),所以y=x-的最大值為-3,所以a≥-3.又a<0,所以a∈[-3,0).
?。埸c(diǎn)評]?坌x,x∈D,|f(x)-f(x)|≤a|x-x|等價為k=≤a,再進(jìn)一步等價為f′(x)≤a的做法由于缺乏理論支持,解題時不可以直接使用.況且本題的第(2)問不能把 |f(x)-f(x)|≤4-轉(zhuǎn)化為≤4,所以這類問題還是需要按照本題第(2)問的處理手段來處理.
在處理恒成立問題時,首先應(yīng)該分辨所屬問題的類型,如果是關(guān)于單一變量的恒成立問題,首先考慮參數(shù)分離;如果不能參數(shù)分離或者參數(shù)分離后所形成函數(shù)不能夠處理,那么可以選擇分類討論來處理;如果是關(guān)于兩個獨(dú)立變量的恒成立問題處理,只需要按照上探究點(diǎn)中所講類型的處理方法來處理即可.
二、存在性問題
1.?坌x∈D,?堝x∈D,f(x)=g(x)型
對于?坌x∈D,?堝x∈D,f(x)=g(x)的研究,若函數(shù)f(x)的值域?yàn)镃,函數(shù)g(x)的值域?yàn)镃,則該問題等價為C?哿C.
例1:設(shè)函數(shù)f(x)=-x-x+x-4.
設(shè)a≥1,函數(shù)g(x)=x-3ax-2a.若對于任意x∈[0,1],總存在x∈[0,1],使得f(x)=g(x)成立,求a的取值范圍.
解:f′(x)=-x-x+,令f′(x)>0,可知:當(dāng)x∈[0,1]時,f(x)單調(diào)遞增,
∴當(dāng)x∈[0,1]時,f(x)∈[f(0),f(1)],即f(x)∈[-4,-3].
又g′(x)=3x-3a,且a≥1,∴當(dāng)x∈[0,1]時,g′(x)≤0,g(x)單調(diào)遞減,
∴當(dāng)x∈[0,1]時,g(x)∈[g(1),g(0)],即g(x)∈[-3a-2a+1,-2a],
又對于任意x∈[0,1],總存在x∈[0,1],使得f(x)=g(x)成立
?圳[-4,-3]?哿[-3a-2a+1,-2a],即-3a-2a+1≤-4-3≤-2a,解得1≤a≤.
?。埸c(diǎn)評]對于?坌x∈D,f(x)=c要成立,c的取值集合就是函數(shù)f(x)的值域,對于?堝x∈D,使得c=g(x),c應(yīng)該屬于g(x)的取值集合,所以函數(shù)f(x)的值域?yàn)間(x)的值域的子集.
2.?堝x,x∈D,f(x)=g(x)型
對于?堝x,x∈D,使f(x)=g(x)的研究轉(zhuǎn)化為若f(x)的值域?yàn)镕,g(x)的值域?yàn)镚,則F∩G≠?覫.
例2:設(shè)a,b均為大于1的自然數(shù),函數(shù)f(x)=a(b+sinx),g(x)=b+cosx,若存在實(shí)數(shù)m,使得f(m)=g(m),則a+b=?搖?搖 ?搖?搖.
解:由題知f(x)∈[a(b-1),a(b+1)],g(x)∈[b-1,b+1],
∴a(b-1)<b+1
∴a<=1+對b≥2且b∈N恒成立,又∵1+在[2,+∞)上單調(diào)遞減,
∴a<1+=3,又a≥2且a∈N,∴a=2.
同理b<對a≥2且a∈N恒成立,∴b=2.
3.?坌x∈D,?堝x∈D,f(x)>g(x)型
對于?坌x∈D,?堝x∈D,f(x)>g(x)的研究,第一步先轉(zhuǎn)化為?堝x∈D,f(x)>g(x),再將該問題按照探究點(diǎn)一轉(zhuǎn)化為 f(x)>g(x).
例3:已知函數(shù)f(x)=2和函數(shù)g(x)=x|x-m|+2m-8.若對任意x∈(-∞,4],均存在x∈[4,+∞),使得f(x)>g(x)成立,求實(shí)數(shù)m的取值范圍.
解:f(x)=2 x≥m2 x<m,原命題等價為f(x)>g(x).
①當(dāng)4≤m≤8時,f(x)在(-∞,4]上單調(diào)遞減,故f(x)≥ f(4)=2,g(x)在[4,m]上單調(diào)遞減,在[m,+∞)上單調(diào)遞增,故g(x)≥g(m)=2m-8,所以2>2m-8,解得4<m<5或m>6.所以4<m<5或6<m≤8.
②當(dāng)m>8時,f(x)在(-∞,4]上單調(diào)遞減,故f(x)≥f(4)=2,g(x)在[4,]上單調(diào)遞增,[,m]上單調(diào)遞減,[m,+∞)上單調(diào)遞增,g(4)=6m-24>g(m)=2m-8,故g(x)≥g(m)=2m-8,所以2>2m-8,解得4<m<5或m>6.所以m>8.
?、?<m<4時,f(x)在(-∞,m]上單調(diào)遞減,[m,4]上單調(diào)遞增,故f(x)≥f(m)=1.g(x)在[4,+∞)上單調(diào)遞增,故g(x)≥g(4)=8-2m,所以8-2m<1,即<m<4.
?、躮≤0時,f(x)在(-∞,m]上單調(diào)遞減,[m,4]上單調(diào)遞增,故f(x)≥f(m)=1.g(x)在[4,+∞)上單調(diào)遞增,故g(x)≥g(4)=8-2m,所以8-2m<1,即m>(舍去).
綜上,m的取值范圍是(,5)∪(6,+∞).
【點(diǎn)評】對于?坌x∈D,f(x)>c,可以轉(zhuǎn)化為f(x)>c;?堝x∈D,c>g(x),可以轉(zhuǎn)化為c>g(x),所以本問題類型可以分兩步處理,轉(zhuǎn)化為f(x)>g(x).
在數(shù)學(xué)解題過程中,如果我們能把以上幾種恒成立與存在性問題的本質(zhì)弄清楚,不僅能提高解題速度,而且能收到簡縮思維、提升思維品質(zhì)的功效.同時對提高學(xué)生解題能力也大有裨