双变量函数问题

前言

双变量函数不等式,是函数与导数模块中的一个难点问题;

处理双变量函数的总体策略是减少变量的个数,降低求解难度,为达成这一目的,常常采用:

①花开两朵,先表一支。而且安排在前边先处理的往往是两个函数中不含有参数的函数;

②两个变量作比得到一个变量,如(cfrac{x_1}{x_2}=t)

③换元法等方法。

转化依据

  • 一端为参数,另一端为函数的类型:

自然语言(Age f(x))在区间([a,b])上恒成立, $Leftrightarrow $ 符号语言(Age f(x)_{max})

自然语言(Aleq f(x))在区间([a,b])上恒成立, $Leftrightarrow $ 符号语言(Aleq f(x)_{min})

自然语言(Age f(x))在区间([a,b])上能成立, $Leftrightarrow $ 符号语言(Age f(x)_{min})

自然语言(Aleq f(x))在区间([a,b])上能成立, $Leftrightarrow $ 符号语言(Aleq f(x)_{max})

  • 两端都是函数,双变量类型:

符号语言:对(forall x_1in [2,3])(exists x_2in [4,5]),满足(f(x_1)ge g(x_2));$Leftrightarrow $ 符号语言(f(x_1)_{min}ge g(x_2)_{min})

符号语言:对(forall x_1in [2,3])(forall x_2in [4,5]),满足(f(x_1)ge g(x_2));$Leftrightarrow $ 符号语言(f(x_1)_{min}ge g(x_2)_{max})

符号语言:对(exists x_1in [2,3])(exists x_2in [4,5]),满足(f(x_1)ge g(x_2));$Leftrightarrow $ 符号语言(f(x_1)_{max}ge g(x_2)_{min})

符号语言:对(exists x_1in [2,3])(forall x_2in [4,5]),满足(f(x_1)ge g(x_2));$Leftrightarrow $ 符号语言(f(x_1)_{max}ge g(x_2)_{max})

  • 两端都是函数,单变量类型:

符号语言:对(forall xin [2,3]),都满足(f(x)ge g(x));$Leftrightarrow $ 符号语言([f(x)-g(x)]_{min}ge 0)

错误转化:(f(x)_{min}ge g(x)_{max}),反例代表如:(e^xge x+1)

符号语言:对(forall xin [2,3]),都满足(f(x)leq g(x));$Leftrightarrow $ 符号语言([f(x)-g(x)]_{max}leq 0)

错误转化:(f(x)_{max}leq g(x)_{min}),反例代表如:(x+1leq e^x)

易错之处

由于涉及到的函数多,自变量多,在变形转化过程中,很容易出错;最容易出错的地方是,在两边同乘以负数时不等号要变号,这时候容易将恒成立问题错误的转化为能成立,将能成立问题错误的转化为恒成立问题,避免错误的策略是,变形过程中原本是恒(能)成立问题,那它一直应该是恒(能)成立,依照这一点就不容易出错;

典例剖析

例1已知(f(x)=lnx-cfrac{x}{4}+cfrac{3}{4x})(g(x)=-x^2-2ax+4),若对任意的(x_1in (0,2]),存在(x_2in[1,2]),使得(f(x_1)ge g(x_2))成立,则(a)的取值范围是_____________。

分析:由题目可知,需要(f(x_1)_{min}ge g(x_2)_{min})满足,此时我们将右端的函数(g(x))按兵不动,先求解左端函数(f(x))的最小值;

由于(f'(x)=cfrac{a}{x}-cfrac{1}{4}-cfrac{3}{4x^2}=cfrac{-x^2+4x-3}{4x^2}=cfrac{-(x-1)(x-3)}{4x^2})

故函数(f(x))在区间((0,1])上单调递减,在区间([1,2])上单调递增,故(f(x)_{min}=f(1)=cfrac{1}{2}),则题目转化为

(cfrac{1}{2}ge -x^2-2ax+4)在区间([1,2])上能成立,考虑分离参数如下,

(2age cfrac{-x^2+frac{7}{2}}{x}=-(x-cfrac{frac{7}{2}}{x}))在区间([1,2])上能成立,进而需要求右端函数的最小值;

由于函数(h(x)=-(x-cfrac{frac{7}{2}}{x}))([1,2])上单调递减,故(h(x)_{min}=h(2)=-cfrac{1}{4})

(2age -cfrac{1}{4}),则(ain[-cfrac{1}{8},+infty))

解后反思:此题容易错误变换得到(2age cfrac{-x^2+frac{7}{2}}{x})([1,2])上恒成立,求右端函数的最大值,结果就成了(ain[cfrac{5}{4},+infty))

例2已知函数(f(x)=x^3-3x+3-cfrac{x}{e^x})(g(x)=-(x+1)^2+a)(exists x_1in [0,2])(forall x_2in [0,2]),使得(f(x_1)leq g(x_2))成立,则实数(a)的取值范围是多少?

分析:这是一个很典型的双变量函数问题,由题目可知需要(f(x_1)_{min}leq g(x_2)_{min})

由于函数(f(x))中不含有参数,故对双变量函数问题我们可以“花开两朵,先表一枝”,

先探究求出函数(f(x_1))当$ x_1in [0,2]$上的最小值;

(f'(x)=3x^2-3-cfrac{1cdot e^x-xcdot e^x}{(e^x)^2}=3x^2-3-cfrac{1-x}{e^x})

(=3(x+1)(x-1)+cfrac{x-1}{e^x}=(x-1)[3(x+1)+cfrac{1}{e^x}])

此时由于有([3(x+1)+cfrac{1}{e^x}]>0)

则有(xin (0,1))(f'(x)<0)(f(x)searrow)(xin (1,2))(f'(x)>0)(f(x) earrow)

(f(x)_{min}=f(1)=1-cfrac{1}{e});到此,问题转化为(1-cfrac{1}{e}leq g(x))(forall x_2in [0,2])恒成立,

这时我们再从容的“令表一枝”,自然你会想到看看能否分离参数。

变形为(age (x+1)^2+1-cfrac{1}{e}),令(h(x)=(x+1)^2+1-cfrac{1}{e})

对称轴是(x=-1)(h(x))在区间([0,2])上单调递增,

(h(x)_{max}=h(2)=10-cfrac{1}{e}),即$a ge 10-cfrac{1}{e} $.

例3已知函数(f(x))(R)上的偶函数,且对任意互异的实数(x_1,x_2in [0,+infty)),都有$(x_1-x_2)cdot $ ([f(x_1)-f(x_2)]>0)成立,若实数(x、y)满足不等式(f(x-2)ge f(y-4)),则当(xin [1,2])时,(cfrac{xy}{3x^2+xy-2y^2})的取值范围是_________.

分析:本题目是线性规划形式给出双变量(x、y)的取值范围,求双变量函数的取值范围问题,比较复杂。

先由函数是偶函数可知,(f(|x-2|)ge f(|y-4|)),再由其单调性知道(|x-2|ge |y-4|)

去掉绝对值符号得到$- |x-2|leq y-4 leq |x-2| $ ,

又因为(xin[1,2]),则(x-2in[-1,0]),故(x-2leq y-4leq2-x)

(egin{cases}&x-2leq y-4 \ & y-4 leq 2-x \ & 1 leq x leq 2 end{cases}),做出如图的可行域;

接下来用变量集中策略减少变量的个数,具体变换如下:

(cfrac{xy}{3x^2+xy-2y^2}=cfrac{cfrac{xy}{x^2}}{cfrac{3x^2+xy-2y^2}{x^2}})

(=cfrac{cfrac{y}{x}}{3+cfrac{y}{x}-2(cfrac{y}{x})^2}=cfrac{t}{3+t-2t^2})

(=cfrac{1}{cfrac{3}{t}+1-2t}(cfrac{y}{x}=t))

此时需要借助可行域判断(t)的范围,结合可行域图像以及(t)的几何意义(经过可行域内的动点和原点的直线的斜率),

可知(tin [2,5]),故至此问题转化为已知(tin [2,5]),求(g(t)=cfrac{1}{cfrac{3}{t}+1-2t})的取值范围问题;

(h(t)=-2t+cfrac{3}{t}+1)(h'(t)=-2-cfrac{3}{t^2}<0),故(h(t))(tin [2,5])单调递减,

(h(t)_{min}=h(5)=-cfrac{42}{5})(h(t)_{max}=h(2)=-cfrac{3}{2})

(g(t)_{max}=g(5)=-cfrac{5}{42})(g(t)_{min}=g(2)=-cfrac{2}{3})

故所求原式的取值范围是([-cfrac{2}{3},-cfrac{5}{42}])

例4【2019届高三理科数学三轮模拟试题】设函数(f(x)=e^x(x-1)),函数(g(x)=mx-m)((m>0)),若对任意的(x_1in [-2,2]),总存在(x_2in [-2,2]),使得(f(x_1)=g(x_2)),则实数(m)的取值范围是【】

$A.[-3e^{-2},cfrac{1}{3}]$ $B.[cfrac{1}{3},e^2]$ $C.[cfrac{1}{3},+infty)$ $D.[e^2,+infty)$

分析:对任意的(x_1in [-2,2]),总存在(x_2in [-2,2]),使得(f(x_1)=g(x_2))

意味着函数(f(x))的值域是函数(g(x))的值域的子集,或者说函数(f(x))的值域要包含于函数(g(x))的值域中,故需要先求解函数(f(x))的值域。

(f'(x)=e^x)(-2<x<0)(f'(x)<0)(f(x))单调递增,(0<x<2)(f'(x)>0)(f(x))单调递减,

(f(0)=-1)(f(-2)=-3e^{-2})(f(2)=e^2),故函数(f(x)in [-1,e^2])

又由于函数(g(x)=m(x-1))(m>0),在([-2,2])上单调递增,又由于函数(g(x))的值域必须包含(f(x))的值域,

故必须满足(g(2)ge f(2))(g(-2)leq -1),即(m(2-1)ge e^2)(m(-2-1)leq -1)

解得(mgeqslant e^2),故选(D)

  • 不等式证明中,常用变量集中策略,将两个自变量作比,转化为一元函数问题,然后做差构造;

例5已知(x_1>x_2>0),证明(lnx_1-lnx_2>2cfrac{x_1-x_2}{x_1+x_2}).

解析:令(cfrac{x_1}{x_2}=t),则(t>1);又原不等式(lnx_1-lnx_2>2cfrac{x_1-x_2}{x_1+x_2})

转化为(ln(cfrac{x_1}{x_2})>2cfrac{x_1-x_2}{x_1+x_2}),再次等价于转化为(lnt>2cfrac{t-1}{t+1})

然后作差构造函数(g(t)=lnt-2cfrac{t-1}{t+1}),想办法证明(g(t)>0)恒成立即可。

(g'(t)=cfrac{1}{t}-2cfrac{1cdot(t+1)-(t-1)cdot 1}{(t+1)^2}=cfrac{1}{t}-cfrac{4}{(t+1)^2}=cfrac{(t-1)^2)}{t(t+1)^2}ge 0)

故函数(g(x))在区间((1,+infty))上单调递增,(g(x)_{min} ightarrow g(1)=0)

(g(x)>0)在区间((1,+infty))上恒成立,故原命题得证。

  • 将不等式两端转化为相同结构的形式, 然后构造函数;

例6已知函数(f(x)=alnx+(x+1)^2),若图像上存在两个不同的点(A(x_1,y_1))(B(x_2,y_2))((x_1>x_2)),使得(f(x_1)-f(x_2)leq 4(x_1-x_2))成立,则实数(a)的取值范围是多少?

分析:将(f(x_1)-f(x_2)leq 4(x_1-x_2))转化为(f(x_1)-4x_1leq f(x_2)-4x_2)

(g(x)=f(x)-4x=alnx+(x-1)^2),则原题转化为存在(x_1>x_2,g(x_1)leq g(x_2))成立,

即就是(x>0)时,(g(x))有单调递减区间或(g(x))为常函数;即就是(x>0)时,(g'(x)leq 0)有解,

(g'(x)=cfrac{a}{x}+2x-2leq 0)有解,分离参数即得(aleq -2x^2+2x)对于(x>0)能成立,即求解(-2x^2+2x=g(x))(x>0)上的最大值。

(g(x)=-2x^2+2x=-2(x-cfrac{1}{2})^2+cfrac{1}{2}leq cfrac{1}{2})

(g(x)_{max}=cfrac{1}{2}),故(a leq cfrac{1}{2}),也即(ain(-infty,cfrac{1}{2}]).

  • 含有绝对值的不等式,先利用单调性去掉绝对值符号,再将不等式两端转化为相同结构的形式, 然后构造函数;

例7已知函数(f(x)=alnx+x^2(ain R)),若(a>0),且对(forall x_1,x_2 in [1,e]),都有(|f(x_1)-f(x_2)|leq |cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2}|),求实数(a)的取值范围。

解析:(a>0)时,(f'(x)=cfrac{a}{x}+2x>0)

即函数(f(x))(xin [1,e])上单增,又函数(y=cfrac{1}{x})(xin [1,e])上单减,

不妨设(1leq x_1<x_2leq e)

(|f(x_1)-f(x_2)|leq |cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2}|)等价于(f(x_2)-f(x_1)leq cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2})

(f(x_1)+cfrac{1}{x_1}ge f(x_2)+cfrac{1}{x_2})(xin [1,e])上恒成立,

(g(x)=f(x)+cfrac{1}{x}=alnx+x^2+cfrac{1}{x})

则原命题等价于函数(g(x))在区间(xin [1,e])上单调递减,

所以(g'(x)=cfrac{a}{x}+2x-cfrac{1}{x^2}leq 0)(xin [1,e])上恒成立;

分离参数得到(aleq cfrac{1}{x}-2x^2)(xin [1,e])上恒成立;

(h(x)=cfrac{1}{x}-2x^2)(xin [1,e])上单调递减,

(h(x)_{min}=h(e)=cfrac{1}{e}-2e^2);所以(aleq cfrac{1}{e}-2e^2)

又由题目可知(a>0),故(ain varnothing)。即满足条件的实数(a)不存在。

例8【试题】已知(e^{x+2y+3}+e^{2x-3y-5}=3x-y),求(x+y)的值。

【法1】:观察发现,“左边指数式+指数式=右边的一次式”,使得指数式消失,即(e^0+e^0=2)

故令(x+2y+3=0)(2x-3y-5=0),则(x=cfrac{1}{7},y=-cfrac{11}{7}),即(e^0+e^0=2),则解得(x+y=-cfrac{10}{7})

【法2】:观察发现,((x+2y-3)+(2x-3y-5)=3x-y-2),在指数位置使用均值不等式得到,

(e^{x+2y+3}+e^{2x-3y-5}ge 2sqrt{e^{3x-y-2}}),即(2sqrt{e^{3x-y-2}}leq 3x-y)

(3x-y=t(t>0)),则上述不等式变形为(2sqrt{e^{t-2}}leq t),即(4e^tleq e^2t^2)

接下来使用导数工具研究,在(t=2)处,(4e^t=e^2t^2)

(t)取其他值时,均有(4e^tge e^2t^2),故只能(4e^t= e^2t^2),所以(t=2),即(3x-y=2)

又由均值不等式可知,取等号时(x+2y-3=2x-3y-5),故求解得到

(x=cfrac{1}{7},y=-cfrac{11}{7}),则解得(x+y=-cfrac{10}{7})

【法3,推荐解法】:令(x+2y+3=m)(2x-3y-5=n),则原题目等价于(e^m+e^n=m+n+2)

(e^m-m-1=-(e^n-n-1))①,

(f(x)=e^x-x-1),则(f'(x)=e^x-1),令(f'(x)=0),得到(x=0)

(xin (-infty,0))上单调递减,在(xin (0,+infty))上单调递增,

(f(x)_{min}=f(0)=e^0-0-1=0),即有(f(x)geqslant 0)

又①式等价于(f(m)=-f(n)),由于(f(m)geqslant 0)(-f(n)leqslant 0)

要使得(f(m)=-f(n)),只有(f(m)=f(n)=0),即(m=n=0)

则有(x+2y+3=2x-3y-5=0)

(x=cfrac{1}{7},y=-cfrac{11}{7}),则解得(x+y=-cfrac{10}{7})

例9已知(f(x)=lnx-x),若(f(x_1)=f(x_2)(x_1≠x_2))

(Ⅰ).证明:(x_1+x_2>2)

【法1】:(f'(x)=cfrac{1}{x}-1=cfrac{1-x}{x}),故(f(x))((0,1))上单调递增,在((1,+infty))上单调递减,

不妨设(0<x_1<1<x_2),欲证不等式(x_1+x_2>2),只需证明(x_2>2-x_1)

由于(f(x))((1,+infty))上单调递减,即只需证明(f(x_2)<f(2-x_1))

由于(f(x_2)=f(x_1)),故只需证(f(x_1)<f(2-x_1))

即证(f(x)-f(2-x)<0)((0,1))上恒成立;

构造函数(g(x)=f(x)-f(2-x))(g'(x)=f'(x)+f'(2-x)=(cfrac{1}{x}-1)+(cfrac{1}{2-x}-1)=cfrac{2}{x(2-x)}-2)

(0<x<1)时,(0<x(2-x)<1),故(g'(x)>0),故(g(x))((0,1))上单调递增,

(g(x)<g(1)=0),即(f(x)-f(2-x)<0)

故原不等式成立。

说明:有时候构造(g(x)=f(1+x)-f(1-x))很有效。

【法2】:(f'(x)=cfrac{1}{x}-1=cfrac{1-x}{x}),故(f(x))((0,1))上单调递增,在((1,+infty))上单调递减,

不妨设(0<x_1<1<x_2),由(f(x_1)=f(x_2)),得到(lnx_1-x_1=lnx_2-x_2),即(lnx_2-lnx_1=x_2-x_1)

(lncfrac{x_2}{x_1}=x_1(cfrac{x_2}{x_1}-1)),令(cfrac{x_2}{x_1}=t(t>1))

(x_1=cfrac{lnt}{t-1})(x_2=cfrac{tlnt}{t-1}),于是不等式(x_1+x_2>2)就等价转化为(cfrac{lnt}{t-1}+cfrac{tlnt}{t-1}>2)

即证明(cfrac{(t+1)lnt}{t-1}>2),即证明(lnt-cfrac{2(t-1)}{t+1}>0)

构造(g(t)=lnt-cfrac{2(t-1)}{t+1}),设法证明(g(t)_{min}>0)即可,剩余变形暂略。

(Ⅱ).证明:(x_1x_2<1)

【法1】:由(Ⅰ)知,(f(x))((0,1))上单调递增,在((1,+infty))上单调递减,不妨设(0<x_1<1<x_2)

欲证(x_1x_2<1),只需证(x_1<cfrac{1}{x_2}),即证明(f(x_1)=f(x_2)<f(cfrac{1}{x_2}))

即证明(f(x_2)-f(cfrac{1}{x_2})<0)((1,+infty))上恒成立。

构造函数(h(x)=f(x)-f(cfrac{1}{x})=(lnx-x)-lncfrac{1}{x}-cfrac{1}{x}=2lnx-x+cfrac{1}{x})

(h'(x)=cfrac{2}{x}-1-cfrac{1}{x^2}=cfrac{2x-x^2-1}{x^2}=cfrac{-(x-1)^2}{x^2}<0)恒成立,

(h(x))((1,+infty))上单调递减,即(h(x)<h(1))

(f(x)<f(cfrac{1}{x}))成立,即原不等式成立。

【法2】:(f'(x)=cfrac{1}{x}-1=cfrac{1-x}{x}),故(f(x))((0,1))上单调递增,在((1,+infty))上单调递减,

不妨设(0<x_1<1<x_2),由(f(x_1)=f(x_2)),得到(lnx_1-x_1=lnx_2-x_2),即(lnx_2-lnx_1=x_2-x_1)

(lncfrac{x_2}{x_1}=x_1(cfrac{x_2}{x_1}-1)),令(cfrac{x_2}{x_1}=t(t>1))

(x_1=cfrac{lnt}{t-1})(x_2=cfrac{tlnt}{t-1})

欲证(x_1x_2<1),只需证明(cfrac{lnt}{t-1}cdot cfrac{tlnt}{t-1}<1(t>1)),即证明(ln^2t<t-cfrac{1}{t})

即证明(ln^2t-t+cfrac{1}{t}<0)((1,+infty))上恒成立,

(h(t)=ln^2t-t+cfrac{1}{t}(t>1))(h'(t)=cfrac{2lnt}{t}-1-cfrac{1}{t^2}=cfrac{2tlnt-t^2-1}{t^2})

(m(t)=2tlnt-t^2-1(t>1)),则(m'(t)=2(lnt-t+1)),而(lnt-t+1<0)恒成立,

(m(t))((1,+infty))上单调递。则(m(t)<m(1)=-2<0),则(h'(x)<0)

于是有(h(t)<h(1)=0),故原不等式成立。

解后反思:①给定函数(f(x))本身的单调性容易求得,这样如果我们将待证结论改写为(x_1>2-x_2),就容易想到变形后构造函数,从而通过证明新函数的单调性来证明原命题。第二问也可以沿袭这样的证明思路。

②注意几个决定证明成败的细节,其一由(f(x))的单调性以及(f(x_1)=f(x_2)),就可以得到(x_1,x_2)应该在(1)的两侧,故可以设(0<x_1<1<x_2);其二当变形得到(f(x_2)<f(2-x_1))时,如果注意到等量代换(f(x_1)=f(x_2)),则有(f(x_1)<f(2-x_1)),即(f(x_1)-f(2-x_1)<0)恒成立,故想到构造这样的函数(g(x)=f(x)-f(2-x)(0<x<1)),第二问同理。

③不同的换元有不同的体验和解题感受。

例10已知函数(f(x)=alnx+x^2(ain R)),若(a>0),且对(forall x_1,x_2 in [1,e]),都有$|f(x_1)-f(x_2)|leq $ (|cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2}|),求实数(a)的取值范围。

解析:(a>0)时,(f'(x)=cfrac{a}{x}+2x>0)

即函数(f(x))(xin [1,e])上单增,又函数(y=cfrac{1}{x})(xin [1,e])上单减,

不妨设(1leq x_1<x_2leq e)

(|f(x_1)-f(x_2)|leq |cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2}|)等价于(f(x_2)-f(x_1)leq cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2})

(f(x_1)+cfrac{1}{x_1}ge f(x_2)+cfrac{1}{x_2})(xin [1,e])上恒成立,

(g(x)=f(x)+cfrac{1}{x}=alnx+x^2+cfrac{1}{x})

则原命题等价于函数(g(x))在区间(xin [1,e])上单调递减,

所以(g'(x)=cfrac{a}{x}+2x-cfrac{1}{x^2}leq 0)(xin [1,e])上恒成立;

分离参数得到(aleq cfrac{1}{x}-2x^2)(xin [1,e])上恒成立;

(h(x)=cfrac{1}{x}-2x^2)(xin [1,e])上单调递减,

(h(x)_{min}=h(e)=cfrac{1}{e}-2e^2);所以(aleq cfrac{1}{e}-2e^2)

又由题目可知(a>0),故(ain varnothing)。即满足条件的实数(a)不存在。

例11已知函数(f(x)=alnx+(x+1)^2),若图像上存在两个不同的点(A(x_1,y_1))(B(x_2,y_2)(x_1>x_2)),使得(f(x_1)-f(x_2)leq 4(x_1-x_2))成立,则实数(a)的取值范围是多少?

法1:[构造函数法]将(f(x_1)-f(x_2)leq 4(x_1-x_2))转化为(f(x_1)-4x_1leq f(x_2)-4x_2)

(g(x)=f(x)-4x=alnx+(x-1)^2),则原题转化为存在(x_1>x_2,g(x_1)leq g(x_2))成立,

即就是(x>0)时,(g(x))有单调递减区间或(g(x))为常函数;即就是(x>0)时,(g'(x)leq 0)有解,

(g'(x)=cfrac{a}{x}+2x-2leq 0)有解,

分离参数即得(aleq -2x^2+2x)对于(x>0)能成立,

即求解(-2x^2+2x=g(x))(x>0)上的最大值。

(g(x)=-2x^2+2x=-2(x-cfrac{1}{2})^2+cfrac{1}{2}leq cfrac{1}{2})

(g(x)_{max}=cfrac{1}{2})

(a leq cfrac{1}{2}),也即(ain(-infty,cfrac{1}{2}]).

例12【2017凤翔中学高三文科数学第二次月考第21题改编】已知函数(h(x)=cfrac{1}{2}x^2+alnx),若对任意两个不等的正数(x_1,x_2),都有(cfrac{h(x_1)-h(x_2)}{x_1-x_2}>2)恒成立,求实数(a)的取值范围。

分析:先求定义域((0,+infty))由题意可知,对任意两个不等的正数(x_1,x_2)

都有(cfrac{h(x_1)-h(x_2)}{x_1-x_2}>2)恒成立,即为(h(x_1)-2x_1>h(x_2)-2x_2)

故构造函数令(g(x)=h(x)-2x),可得(g(x))((0,+infty))上单调递增。

(g'(x)=h'(x)-2=x+cfrac{a}{x}-2ge 0)((0,+infty))上恒成立。

可得(age x(2-x)),由([x(2-x)]_{max}=1),故(age 1),故实数(a)的取值范围为([1,+infty))

例13【2017(cdot)贵阳一模】已知函数(f(x)=lnx)(g(x)=cfrac{1}{2}x|x|),任意(x_1)(x_2in [1,+infty)),且(x_1>x_2),都有(m[g(x_1)-g(x_2)]>x_1f(x_1)-x_2f(x_2))恒成立,求实数(m)的取值范围;

分析:由于定义在([1,+infty))上,故先将函数简化(g(x)=cfrac{1}{2}x^2)

再将(m[g(x_1)-g(x_2)]>x_1f(x_1)-x_2f(x_2))恒成立,变形为(mg(x_1)-x_1f(x_1)>mg(x_2)-x_2f(x_2))恒成立,

故令(H(x)=mg(x)-xf(x)),则由题目可知,函数(H(x))([1,+infty))上单调递增,

(H(x)=mcdot cfrac{1}{2}x^2-xcdot lnx),则(H'(x)=mx-(lnx+1)ge 0)恒成立,

分离参数得到(mge cfrac{lnx+1}{x})([1,+infty))上恒成立,

再令(h(x)= cfrac{lnx+1}{x}),只需要(mge h(x)_{max})

(h'(x)=cfrac{1-(lnx+1)}{x^2}=cfrac{-lnx}{x^2}<0)在区间([1,+infty))上恒成立,

故函数(h(x))在区间([1,+infty))上单调递减,故(h(x)_{max}=h(1)=1),故(mge 1)

例3已知函数(f_1(x)=e^x)(f_2(x)=ax^2-2ax+b),设(a>0),若对任意的(m,n∈[0,1](m eq n))(|f_1(m)-f_1(n)|>|f_2(m)-f_2(n)|)恒成立,求(a)的最大值。

【分析】利用函数的单调性去掉绝对值符号,构造新函数,可以将问题再次转化为恒成立,然后分离参数求解。

【解答】不妨设(m>n),则函数(f_1(x))在区间([0,1])上单调递增,故(f_1(m)-f_1(n)>0)

(f_2(x)=a(x-1)^2+b-a),对称轴是(x=1),开口向上,

故函数(f_2(x))在区间([0,1])上单调递减,故(f_2(m)-f_2(n)<0)

这样对任意的(m,nin [0,1](m>n))(|f_1(m)-f_1(n)|>|f_2(m)-f_2(n)|)恒成立,

就可以转化为(f_1(m)-f_1(n)>f_2(n)-f_2(m))恒成立,

(f_1(m)+f_2(m)>f_1(n)+f_2(n))恒成立,

(h(x)=f_1(x)+f_2(x)=e^x+ax^2-2ax+b)

则到此的题意相当于已知(m>n)时,(h(m)>h(n))

故函数(h(x))在区间([0,1])上单调递增,故(h'(x)≥0)在区间([0,1])上恒成立;

(h'(x)=e^x+2ax-2a≥0)在区间([0,1])上恒成立;

(2a(1-x)≤e^x)恒成立,这里我们使用倒数法分离参数得到,

(cfrac{1}{2a}≥cfrac{1-x}{e^x})在区间([0,1])上恒成立;

再令(p(x)=cfrac{1-x}{e^x}),即需要求(p(x)_{max})

(p'(x)=cfrac{-1×e^x-(1-x)e^x}{(e^x)^2}=cfrac{x-2}{e^x})

容易看出,当(x∈[0,1])时,(p'(x)<0)恒成立,故(p(x))在区间([0,1])上单调递减,

(p(x)_{max}=p(0)=1),故(cfrac{1}{2a}≥1),又(a>0)

故解得(0<a≤1)。故(a_{max}=1).

例7【2020届高三理科周末训练4用题】已知函数(f(x)=x^2-2x+3a)(g(x)=cfrac{2}{x-1}),若对于任意(x_1in[0,3]),总存在(x_2in [2,3])使得(|f(x_1)|leqslant g(x_2))成立,则实数(a)的值为_______.

法1:由于对任意(x_1in[0,3]),总存在(x_2in [2,3])使得(|f(x_1)|leqslant g(x_2))成立,

(|f(x_1)|leqslant g(x_2)_{max})(x_1in[0,3])(x_2in [2,3])

(g(x_2)_{max}=2),则(|f(x_1)|leqslant 2),即(-2leqslant x^2-2x+3aleqslant 2)

(-2leqslant x^2-2x+3a)(xin[0,3])上恒成立,且(x^2-2x+3aleqslant 2)(x_1in[0,3])上恒成立,,

(-3aleqslant x^2-2x+2)(xin[0,3])上恒成立,

(y=x^2-2x+2)(xin[0,3])上的(y_{min}=1),故解得(ageqslant -cfrac{1}{3})①;

(-3ageqslant x^2-2x-2)(xin[0,3])上恒成立,

(y=x^2-2x-2)(xin[0,3])上的(y_{max}=1),解得(aleqslant -cfrac{1}{3})②;

由①②求交集,得到(a=-cfrac{1}{3})

例8【2016宝鸡市二检理科第12题】已知定义在(R)上的函数(f(x))满足(f(x+2)=cfrac{1}{2}f(x)),当(xin [0,2))时,(f(x)=left{egin{array}{l}{frac{1}{2}-2x^2,0leqslant x<1}\{-2^{1-|x-frac{3}{2}|},1leqslant x<2}end{array} ight.),函数(g(x)=x^3+3x^2+m),若对任意(sin [-4,-2)),存在(tin) ([-4,) (-2)),不等式(f(s)-g(t)geqslant 0)成立,则实数(m)的取值范围是【】

$A.(-infty,-12]$ $B.(-infty,8]$ $C.(-infty,-4]$ $D.(-infty,frac{31}{2}]$

分析:对任意(sin [-4,-2)),存在(tin) ([-4,) (-2)),不等式(f(s)-g(t)geqslant 0)成立,

(f(s)_{min}geqslant g(t)_{min}),其中(sin [-4,-2))(tin) ([-4,) (-2))

〔下来先研究函数(f(x))([0,2))上的最小值〕,分段研究,最好利用图像快速分析;

(xin [0,1))时,(f(x)=frac{1}{2}-2x^2)(f(x))单调递减,故最小值的极限为(f(1)=-cfrac{3}{2})

(xin [1,2))时,(f(x)=-2^{1-|x-frac{3}{2}|})

(xin [1,1.5])时,(f(x))单调递减,若(xin [1.5,2))时,(f(x))单调递增,

故最小值为(f(1.5)=-2),综上可知,(xin[0,2))时,(f(x)_{min}=-2)

(sin [-4,2))时,(s+4in[0,2)),则(f(s+4)=f[(s+2)+2]=cfrac{1}{2}f(s+2)=cfrac{1}{4}f(s))

(f(s)=4f(s+4)),其中(sin [-4,2))时,(s+4in[0,2))

(f(s)_{min}=4f(s+4)_{min}=4 imes (-2)=-8)

故接上,[(f(s)_{min}geqslant g(t)_{min}),其中(sin [-4,-2))(tin) ([-4,) (-2))]

变形为(-8geqslant t^3+3t^2+m)能成立;其中(tin [-4,-2))

(-mgeqslant t^3+3t^2+8)能成立,令(h(t)=t^3+3t^2+8)(tin [-4,-2))

(h'(t)=3t^2+6t=2t(t+2)),故(xin [-4,-2))时,(h'(t)>0)恒成立,则(h(t))单调递增,

(h(t)_{min}=h(-4)=-8),即(-mgeqslant -8),则(mleqslant 8),故选(B).

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