例说思维的发散性

前言

我们在平时的数学训练中必然会有意追求思维的发散性和灵活性,运算的流畅性、准确性和快捷感,这些都是需要平时有意识的培养和训练的,以下举例加以说明;

发散案例

引例【2020人大附中高一试题第14题】设函数(f(x)=sin2x+2cos^2x),若对于任意的(xin R),都有(f(x)leqslant m)成立,则实数(m)的最小值为_______。

〔解答范式〕:由于对于任意的(xin R),都有(f(x)leqslant m)成立,

故只需要(f(x)_{max}leqslant m),故转化为求(f(x)_{max})

由于(f(x)=sin2x+2cos^2x=sin2x+cos2x+1=sqrt{2}sin(2x+cfrac{pi}{4})+1)(xin R)

(f(x)_{max}=sqrt{2}+1),即(mgeqslant sqrt{2}+1)

故实数(m)的最小值为(sqrt{2}+1).

低阶层次

如果拿到题目,纯粹没有思路,不知道如何下手分析,那么你需要:

①理解和建立恒成立命题的模型,对此有个框架性的了解;

②求三角函数的值域[或最值]的模型;

中阶层次

如果拿到题目,大概有求解的思路,但思路不是很清晰,那么你需要:

①就左端的三角函数而言,求其值域或者最值,还有哪些不同的思路和类型?三角函数的值域[或最值]

例1[2017高考真题 理科全国卷2的第14题]函数(f(x)=sin^2x+sqrt{3}cosx-cfrac{3}{4}(xin[0,cfrac{pi}{2}]))的最大值为_______。

分析:由于(xin[0,cfrac{pi}{2}]),则(cosxin [0,1])

(cosx=tin [0,1])(f(x)=1-cos^2x+sqrt{3}cosx-cfrac{3}{4}=1-t^2+sqrt{3}t-cfrac{3}{4}=-(t-cfrac{sqrt{3}}{2})^2+1=g(t))

故当(t=cfrac{sqrt{3}}{2})时,(g(t)_{max}=f(x)_{max}=1)

例2(f(x)=sinxpm cosxpm sinxcdot cosx)的值域问题。

例3求函数(y=g(x)=cfrac{sinalphacdot cosalpha}{sinalpha+cosalpha},alphain [0,cfrac{pi}{2}])的值域问题。

分析:令(sinalpha+cosalpha=t=sqrt{2}sin(alpha+cfrac{pi}{4})in [1,sqrt{2}])

(sinalphacdot cosalpha=cfrac{t^2-1}{2})

则原函数转化为(y=g(x)=cfrac{frac{1}{2}(t^2-1)}{t}=cfrac{1}{2}(t-cfrac{1}{t}),tin [1,sqrt{2}])单调递增;

(y_{min}=g(1)=0)(y_{max}=g(sqrt{2})=cfrac{sqrt{2}}{4})

例4【2019届高三理科数学信息题】已知函数(f(x)=cosx-cfrac{1}{2}sin2x),则(f(x))的最大值为_______________。

解析:(f'(x)=-sinx-cfrac{1}{2}cdot 2cdot cos2x)

(=-sinx-cos2x)

(=-sinx-(1-2sin^2x))

(=2sin^2x-sinx-1=(sinx-1)(2sinx+1))

由于(-1leq sinxleq 1),故(sinx-1leq 0)

则令(f'(x)>0),即((sinx-1)(2sinx+1)> 0),即(2sinx+1<0)

(sinx<-cfrac{1}{2}),解得(2kpi+cfrac{7pi}{6}<x<2kpi+cfrac{11pi}{6}(kin Z))

(f'(x)<0),即((sinx-1)(2sinx+1)<0),即(2sinx+1>0)

(sinx>-cfrac{1}{2}),解得(2kpi-cfrac{pi}{6}<x<2kpi+cfrac{7pi}{6}(kin Z))

即单调递减区间为([2kpi-cfrac{pi}{6},2kpi+cfrac{7pi}{6}](kin Z))

单调递增区间为([2kpi+cfrac{7pi}{6},2kpi+cfrac{11pi}{6}](kin Z))

故当(x=2kpi+cfrac{11pi}{6})时,(f(x))取得最大值;

(f(x)_{max}=cos(2kpi+cfrac{11pi}{6})-cfrac{1}{2}sin2(2kpi+cfrac{11pi}{6}))

(=cos(2pi-cfrac{pi}{6})-cfrac{1}{2}sin(4pi-cfrac{pi}{3}))

(=cfrac{sqrt{3}}{2}+cfrac{1}{2}cdotcfrac{sqrt{3}}{2}=cfrac{sqrt{3}}{4})

例5【2019信息题】函数(y=sinxcdot cos^2x)的最大值为____________。

提示:令(sinx=tin [-1,1]),则原函数转化为(y=t(1-t^2))(t in [-1,1])(y_{max}=cfrac{3sqrt{2}}{9})

②如果左端的函数变化为其他类型的函数,其最值如何求解?

比如二次函数(h(x)=2x^2-3x+1)(xin [1,2])

指数型函数(g(x)=4^x+2^x-1)(xin [1,2])

对数型函数(f(x)=log_2^2x+3log_2x-1)(xin [1,2])

分式型函数(f(x)=cfrac{x+1}{x^2+3x+3});则(n(x)=cfrac{x+1}{(x+1)^2+(x+1)+1}=cfrac{1}{(x+1)+cfrac{1}{x+1}+1})

(g(t)=cfrac{t}{t^2+9}=cfrac{1}{t+frac{9}{t}});如(h(t)=cfrac{t+2}{t^2}=cfrac{1}{t}+2(cfrac{1}{t})^2=2m^2+m);

③如果题目变化为能成立命题,又需要如何转化求解?

引例变式设函数(f(x)=sin2x+2cos^2x),若存在(xin R),使得(f(x)leqslant m)成立,则实数(m)的最小值为_______。

高阶层次

如果拿到题目,有求解的思路,思路也很清晰,那么你需要:

①如果题目给定不等式(sin2x+2cos^2xleqslant m)对于任意的(xin R)都成立,求实数(m)的最小值;又需要如果求解?

分析:题目由函数不等式,变化为纯粹的不等式恒成立;

②如果题目转化为(sin2x-m+2cos^2xleqslant 0)对于任意的(xin R)都成立,求实数(m)的最小值;又需要如果求解?

分析:需要添加分离参数的变形;

例6已知函数(f(x)=-x^2+ax+b^2-b+1(ain R,bin R)),对任意实数(x)都有(f(1-x)=f(1+x))成立,若当(xin[-1,1])时,(f(x)>0)恒成立,则(b)的取值范围是_____________.

分析:先由(f(1-x)=f(1+x))得到,二次函数的对称轴(x=-cfrac{a}{-2}=1),解得(a=2)

故题目转化为(-x^2+2x+b^2-b+1>0)对任意(xin [-1,1])恒成立,

整体法分离参数,得到(b^2-b>x^2-2x-1)对任意(xin[-1,1])恒成立。

(g(x)=x^2-2x-1,xin[-1,1]),需要求函数(g(x)_{max})

(g(x)=x^2-2x-1=(x-1)^2-2,xin[-1,1])

(g(x))在区间([-1,1])上单调递减,则(g(x)_{max}=g(-1)=2)

(b^2-b>2),解得(b<-1)(b>2)

③如果题目转化为函数(h(x)=sin2x-m+2cos^2x)的图像始终在(x)轴的下方,求实数(m)的最小值;又需要如果求解?

分析:由形的角度转化为数的角度;

④哪些命题能转化为恒成立命题

分析:有些题目是很明显的恒成立命题,但是有些题目却需要我们分析转化;

⑤哪些命题能转化为能成立命题

分析:有些题目是很明显的能成立命题,但是有些题目却需要我们分析转化;

⑥分离参数法

例9【2020人大附中高一试题向量部分第15题】已知向量(vec{a})(vec{b})的夹角为(cfrac{pi}{4})(|vec{b}|=cfrac{sqrt{2}}{2}),且对于任意的(xin R),都有(|vec{b}+xvec{a}|geqslant |vec{b}-vec{a}|),则(|vec{a}|)=_____________。

分析:由于对于任意的(xin R),都有(|vec{b}+xvec{a}|geqslant |vec{b}-vec{a}|)

(|vec{b}+xvec{a}|^2geqslant |vec{b}-vec{a}|^2)对于任意的(xin R)都成立,

((vec{b}+xvec{a})^2geqslant (vec{b}-vec{a})^2)对于任意的(xin R)都成立,

(vec{b}^2+2xvec{a}cdotvec{b}+x^2cdot vec{a}^2geqslant vec{b}^2+vec{a}^2-2vec{a}cdotvec{b})

(vec{a}^2cdot x^2+2cdot |vec{a}|cdot cfrac{sqrt{2}}{2}cdot cfrac{sqrt{2}}{2}x+2cdot |vec{a}|cdot cfrac{sqrt{2}}{2}cdot cfrac{sqrt{2}}{2}-vec{a}^2geqslant0)

由于(vec{a} eq vec{0}),故上式是关于(x)的二次不等式,注意:(vec{a}^2=|vec{a}|^2)

(|vec{a}|^2cdot x^2+|vec{a}|cdot x+|vec{a}|-|vec{a}|^2geqslant 0)对于任意的(xin R)都成立,

(Delta leqslant 0)恒成立,即(Delta=|vec{a}|^2-4|vec{a}|^2(|vec{a}|-|vec{a}|^2)leqslant 0)

(1-4(|vec{a}|-|vec{a}|^2)leqslant 0),即((2|vec{a}|-1)^2leqslant 0)

又由于((2|vec{a}|-1)^2geqslant 0),故只能((2|vec{a}|-1)^2=0)

(|vec{a}|=cfrac{1}{2})

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