恒成立能成立和恰成立命题赏析

前言

恒成立、能成立和恰成立三类命题是高三数学中比较常见的高频考查素材。

尤其是恒成立、能成立命题,让许多学生感到头疼不已。考查的频次多,难度大,所以深入思考和总结这类命题的规律显得非常必要和迫切,同时和恒成立、能成立命题紧密相连的变形技巧----分离参数法,更是非常普遍和常用的一种数学变形方法。

恒成立问题

模型:(Aleqslant f(x))在区间([m,n])上恒成立,等价于(Aleqslant f(x)_{min})

(Ageqslant f(x))在区间([m,n])上恒成立,等价于(Ageqslant f(x)_{max})

说明:上述模型是最精简的模型,具体题目中一般不是这样的,需要我们做相应的转化化归。

比如(ln(x+1)+cfrac{a}{x+2}>1)对任意(x>0)成立,则可以转化为(a>(x+2)[1-ln(x+1)])恒成立,

比如(x^2+e^x+age 0)对任意实数恒成立,可以化归为(age -x^2-e^x),这样就都属于上述类型。

已知函数(f(x)=x^2 +ax-2ge 0)在区间([1,5])上恒成立,求参数(a)的取值范围。

【常规】法1:二次函数法,由于(Delta=a^2+8>0),故不需要考虑(Delta<0)的情形,

只需要考虑对称轴(x=-cfrac{a}{2})和给定区间([1,5])的相对位置关系

(-cfrac{a}{2}leq 1)时,即(ageqslant -2)时,函数(f(x))在区间([1,5])单调递增,

所以(f(x)_{min}=f(1)=1+a-2geqslant 0),解得(ageqslant 1),又因为(ageqslant -2),所以得到(ageqslant 1)

(-cfrac{a}{2}ge 5)时,即(aleqslant -10) 时,函数(f(x))在区间 ([1,5])单调递减,

所以(f(x)_{min}=f(5)=25+5a-2ge 0),解得(age -cfrac{23}{5})

又因为(aleq -10),所以得到(ainvarnothing)

(1<-cfrac{a}{2}<5),即(-10<a<-2)时,(f(x)min=f(-cfrac{a}{2})=cfrac{a^2}{4}-cfrac{a^2}{2}-2≥0)

得到(ainvarnothing)。(这种情形可以省略)

综上可得(ageqslant 1。)(a)的取值范围是([1,+infty))

【通法】法2:【恒成立+分离参数法】两边同时除以参数(a)的系数(x)(由于(xin [1,5]),不等号方向不变),得到

(ageqslant cfrac{2}{x}-x)在区间 ([1,5])上恒成立, 转化为求新函数“(cfrac{2}{x}-x)”在([1,5])上的最大值。

这时我们一般是定义新函数,令(g(x)=cfrac{2}{x}-x)

则利用函数单调性的结论,可以看到(g(x)=cfrac{2}{x}-x)在区间 ([1,5])上单调递减,

所以(g(x)_{max}=g(1)=1),所以(ageqslant 1),即(a)的取值范围是([1,+infty))

已知函数(f(x)=x^2 +ax-2ageqslant 0)在区间 ([1,5])上恒成立,求参数(a)的取值范围。

【法1】:先求得对称轴(x=-cfrac{a}{2})

①由于(Delta=a^2+8a≤0)时满足题意,解得(-8≤a≤0)

再考虑对称轴(x=-cfrac{a}{2})和给定区间([1,5])的相对位置关系

②当(-cfrac{a}{2}≤1)时,即(a≥-2)时,函数(f(x))在区间([1,5])单调递增,

所以(f(x)_{min}=f(1)=1+a-2a≥0),解得(-2≤a≤1),又因为(a≥-2),所以得到(-2≤a≤1)

③当(-cfrac{a}{2}≥5)时,即(a≤-10)时,函数(f(x))在区间([1,5])单调递减,

所以(f(x)_{min}=f(5)=25+5a-2a≥0),解得(a≥-cfrac{25}{3}),又因为(a≤-10),所以得到(ainvarnothing).

④当(1<-cfrac{a}{2}<5),即(-10<a<-2)时,(f(x)_{min}=f(-cfrac{a}{2})=cfrac{a^2}{4}-cfrac{a^2}{2}-2a≥0)

得到(-8≤a≤0),又(-10<a<-2),所以(-8≤a<-2)(这种情形可以省略)

综上可得(a)的取值范围是([-8,1])

【法2】:分离参数法,先转化为((x-2)age -x^2,xin [1,5])

接下来就转化为了三个恒成立的命题了,

(x=2)时,原不等式即((2-2)age -4)(ain R)都符合题意;

(2<x<5)时,原不等式等价于(age cfrac{-x^2}{x-2}=-(x-2)-cfrac{4}{x-2}-4=g(x))恒成立;

(g(x)=-(x-2)-cfrac{4}{x-2}-4leq 2sqrt{(x-2)cdot cfrac{4}{x-2}}-4=-8)

求得当(x=4)时,(g(x)_{max}=-8),故(age -8)

(1<x<2)时,原不等式等价于(aleq cfrac{-x^2}{x-2}=-(x-2)-cfrac{4}{x-2}-4=g(x))恒成立;

(g(x)=-(x-2)-cfrac{4}{x-2}-4ge 2sqrt{-(x-2)cdot cfrac{-4}{x-2}}-4=0)

当且仅当(x=0)时取到等号,并不满足前提条件(1<x<2),故是错解。

此时需要借助对勾函数的单调性,函数(y=x+cfrac{4}{x})在区间([1,2])上单调递增,

那么(y=x-2+cfrac{4}{x-2})在区间([1,2])上单调递减,

(y=-(x-2)-cfrac{4}{x-2})在区间([1,2])上单调递增,(y=-(x-2)-cfrac{4}{x-2}-4)在区间([1,2])上单调递增,

(g(x)_{min}=g(1)=1),故(aleq 1)

以上三种情况取交集,得到(ain [-8,1])

易错警示:当以自变量分类讨论时,结果往往需要求交集。

能成立问题

模型:(Aleqslant f(x))在区间([m,n])上能成立[或有解],等价于(Aleqslant f(x)_{max})

(Ageqslant f(x))在区间([m,n])上能成立[或有解],等价于(Ageqslant f(x)_{min})

已知函数(f(x)=x^2 +ax-2≥0)在区间 ([1,5])上能成立,求参数(a)的取值范围。

【法1】:同理得到(a≥cfrac{2}{x}-x)在区间([1,5])上能成立, 转化为求新函数(cfrac{2}{x}-x)([1,5])上的最小值。

(g(x)=cfrac{2}{x}-x,g(x)=cfrac{2}{x}-x)在区间 ([1,5])上单调递减,

所以(g(x)_{min}=g(5)=-cfrac{23}{5}),所以(a≥-cfrac{23}{5})

(a)的取值范围是([-cfrac{23}{5},+infty))

【法2】:求(xin [1,5])上的(f(x)_{max}ge 0)

对称轴是(x=-a),针对(x=-a)和给定区间的位置关系分类讨论即可,较繁琐,

①当(-aleq 1)时,即(age -1)时,(f(x))在区间([1,5])单调递增,

(f(x)_{max}=f(5)=5a+23ge 0),即(age -cfrac{23}{5})

又由于(age -1),求交集得到(age -1)

②当(1<-a<5)时,即(-5<a<-1)时,(f(x))在区间([1,5])有减有增无单调性,

(f(x)_{max}=max{f(1),f(5)})

(f(1)=a-1)(f(5)=5a+23)

(f(5)-f(1)=4a+24in [4,20]),即(f(5)>f(1))

(f(x)_{max}=f(5)=5a+23ge 0),即(age -cfrac{23}{5})

求交集得到,(-cfrac{23}{5}leq a<-1)

③当(-age 5)时,即(aleq -5)时,(f(x))在区间([1,5])单调递减,

(f(x)_{max}=f(1)=a-1ge 0),即(age 1)

求交集得到(ain varnothing)

综上所述,得到(ain [-cfrac{23}{5},+infty))。即(a)的取值范围是([-cfrac{23}{5},+infty))

【法3】:转化为不等式(f(x)=x^2 +ax-2≥0)在区间 ([1,5])上有解,解法基本同于法2,

①当(-aleq 1)时,必须(f(5)ge 0),解得(age -1)

②当(1<-a<5)时,必须(f(5)ge 0),解得(-cfrac{23}{5}leq a<-1)

③当(-age 5)时,必须(f(1)ge 0),解得(ain varnothing)

综上所述,得到(ain [-cfrac{23}{5},+infty))

解后反思:需要注意的是,这种命题作为一种数学模型,我们还需要关注其等价的叙述方法,其中涉及考查转化划归的能力。[1]

函数(f(x)=x^2 +ax-2ge 0)在区间([1,5])上恒成立 (Longleftrightarrow forall xin [1,5]),都能使得函数(f(x)=x^2 +ax-2ge 0)成立。
再比如: 函数(f(x)=x^2 +ax-2ge 0)在区间([1,5])上能成立,(Longleftrightarrow)不等式(x^2 +ax-2ge 0)在区间([1,5])上有解(Longleftrightarrow)不等式(x^2 +ax-2ge 0)在区间([1,5])上解集不是空集(Longleftrightarrow)不等式(x^2 +ax-2ge 0)在区间([1,5])上至少有一个解。

恰成立命题

已知函数(f(x)=sqrt{1+3^x+acdot 9^x}),其定义域为((-infty,1]),则a的取值是(a=-cfrac{4}{9})

解析:由题目可知(1+3^x+acdot 9^xge 0)的解集必须恰好是是((-infty,1])

((cfrac{1}{9})^x+(cfrac{1}{3})^x+age 0)的解集必须恰好是是((-infty,1])

((cfrac{1}{3})^x=t),则(tin[cfrac{1}{3},+infty)),则(g(t)=t^2+t+a>=0)的解集必须是([cfrac{1}{3},+infty))

(g(cfrac{1}{3})=0),所以(9a+4=0,a=-cfrac{4}{9})

反思总结:本题有两种变换,其一令(3^x=tin(0,3]),变换得到(h(t)=at^2+t+1ge0)的解集必须是((0,3])

其二令((cfrac{1}{3})^x=t),则(tin[cfrac{1}{3},+infty)),则(g(t)=t^2+t+a>=0)的解集必须是([cfrac{1}{3},+infty))

变换二比变换一要好处理、好理解一些。 图像说明

不等式(x^2 -(a^2+a)x+a^3≤0)在区间 ([-1,1])上恰成立(或者不等式(x^2 -(a^2+a)x+a^3≤0)的解集是([-1,1])),求参数(a)的取值。

解析:(f(x)=x^2 -(a^2+a)x+a^3 ≤0)在区间 ([-1,1])上恰成立,则(f(-1)=0,f(1)=0),解得(a= -1).

若函数(f(x)=cfrac{x^3}{3}-cfrac{3x^2}{2}+ax+4)恰在([-1,4])上单调递减,则实数(a)的值为(-4).

解析:(f'(x)=x^2-3x+a≤0)的解集是([-1,4]),则(4)是方程(x^2-3x+a=0)的根,故实数(a= - 4).

【2018福建四地六校联考】已知函数(f(x)=x+cfrac{a}{x}+2)的值域为((-infty,0]cup[4,+infty)),求(a)的值。

分析:本题目属于恰成立命题,

(x>0)时,(f(x)=x+cfrac{a}{x}+2ge 2sqrt{a}+2=4),解得(a=1),当且仅当(x=1)时取到等号;

(x<0)时,(f(x)=x+cfrac{a}{x}+2leq -2sqrt{a}+2=0),解得(a=1),当且仅当(x=-1)时取到等号;

综上可知,(a=1)


  1. ↩︎
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