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辅助函数,是人们在数学研究和教学的活动中,为了便于解决所探讨的问题,将已掌握的函数经过有限次的四则运算及复合,构造一个新的函数关系.这个新构造出来的函数必须存在于已知的知识体系中,且与所讨论的问题紧密相关又易于研究,以达到转化“矛盾”,进而解决矛盾的目的.在中学数学中构造辅助函数法主要用来证明不等式.
利用函数单调性证明不等式常用的是构造辅助函数的方法.构造辅助函数的方法灵活多变,不同的知识段有着不同的技巧和方法,用函数单调性证明不等式常用以下几种方法.1.用不等式两边“求差”构造辅助函数
例1证明当x>1时,2x>3-1x.
分析利用“求差”法构造辅助函数f(x)=
2x-(3-1x),x>1.则将要证明的结论转化为要证f(x)>0,而f(1)=0.因而只需证明当x>1时,f(x)>f(1).
证明令f(x)=2x-(3-1x),则f ′(x)=1x-1x2=1x2(xx-1)>0.所以当x>1时,f(x)>f(1),又由于f(1)=0,所以f(x)>f(1)=0,即2x-(3-1x)>0.
故2x>3-1x(x>1).
2.用不等式两边适当“求商”构造辅助函数
例2当02πx.
分析如果用“求差”构造辅助函数f(x)=2πx-sinx, f ′(x)=2π-cosx,在区间(0,π2)内f(x)的单调性无法判断.利用“求商”构造辅助函数f(x)=sinxx,再根据f(x)在区间(0,π2)的单调性来证明.
证明令f(x)=sinxx,则f ′(x)=cosx(x-tanx)x2(0f(π2).即sinxx>2π,故sinx>2πx,(0 3.用参数变易法构造辅助函数解题
取一个端点为自变量构造函数,含双字母的不等式,可以考虑以其中一个字母为自变量,另外一个为常数来构造相应函数.
例3已知g(x)=xlnx,0 分析本题是在一个区间上证明不等式,而不等式涉及的变量就是区间的两个端点,因此设辅助函数时把其中的一个端点设为自变量.
证明设F(x)=g(a)+g(x)-2g(a+x2),则
F′(x)=g′(x)-2g′(a+x2)=lnx-lna+x2,
当x=a时F′(x)=0,F(x)取得极小值F(a),所以F(b)>F(a),即0 设G(x)=F(x)-(x-a)ln2,则G′(x)=lnx-ln(a+x),当x>0时,G′(x)<0,G(x)是减函数.G(b) 4.根据不等式两边结构,构造“形似”辅助函数.
例4求证|a+b|1+|a+b|≤|a|1+|a|+|b|1+|b|.
分析不等式两边有相同的形式A1+A,利用“形似”将某个字母换成x,构造辅助函数f(x)=x1+x(x≥0),再利用函数的单调性证明不等式.
证明令f(x)=x1+x(x≥0),显然f(x)在[0,+∞)上连续且可导,因为f ′(x)=1(1+x)2>0,所以f(x)在[0,+∞)上严格单调递增.由于0≤|a+b|≤|a|+|b|,所以f(|a+b|)≤f(|a|+|b|),故|a+b|1+|a+b|≤|a|+|b|1+|a|+|b|
利用函数单调性证明不等式常用的是构造辅助函数的方法.构造辅助函数的方法灵活多变,不同的知识段有着不同的技巧和方法,用函数单调性证明不等式常用以下几种方法.1.用不等式两边“求差”构造辅助函数
例1证明当x>1时,2x>3-1x.
分析利用“求差”法构造辅助函数f(x)=
2x-(3-1x),x>1.则将要证明的结论转化为要证f(x)>0,而f(1)=0.因而只需证明当x>1时,f(x)>f(1).
证明令f(x)=2x-(3-1x),则f ′(x)=1x-1x2=1x2(xx-1)>0.所以当x>1时,f(x)>f(1),又由于f(1)=0,所以f(x)>f(1)=0,即2x-(3-1x)>0.
故2x>3-1x(x>1).
2.用不等式两边适当“求商”构造辅助函数
例2当0
分析如果用“求差”构造辅助函数f(x)=2πx-sinx, f ′(x)=2π-cosx,在区间(0,π2)内f(x)的单调性无法判断.利用“求商”构造辅助函数f(x)=sinxx,再根据f(x)在区间(0,π2)的单调性来证明.
证明令f(x)=sinxx,则f ′(x)=cosx(x-tanx)x2(0
取一个端点为自变量构造函数,含双字母的不等式,可以考虑以其中一个字母为自变量,另外一个为常数来构造相应函数.
例3已知g(x)=xlnx,0 分析本题是在一个区间上证明不等式,而不等式涉及的变量就是区间的两个端点,因此设辅助函数时把其中的一个端点设为自变量.
证明设F(x)=g(a)+g(x)-2g(a+x2),则
F′(x)=g′(x)-2g′(a+x2)=lnx-lna+x2,
当x=a时F′(x)=0,F(x)取得极小值F(a),所以F(b)>F(a),即0
例4求证|a+b|1+|a+b|≤|a|1+|a|+|b|1+|b|.
分析不等式两边有相同的形式A1+A,利用“形似”将某个字母换成x,构造辅助函数f(x)=x1+x(x≥0),再利用函数的单调性证明不等式.
证明令f(x)=x1+x(x≥0),显然f(x)在[0,+∞)上连续且可导,因为f ′(x)=1(1+x)2>0,所以f(x)在[0,+∞)上严格单调递增.由于0≤|a+b|≤|a|+|b|,所以f(|a+b|)≤f(|a|+|b|),故|a+b|1+|a+b|≤|a|+|b|1+|a|+|b|