构造辅助函数解题

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  不等式恒成立、有解等问题,往往需构造辅助函数,借助导数研究函数的性质解题.这里列举几种常用的构造函数的方法,供大家参考.
  一、不等式的证明
  证明不等式f(x)>g(x),常用方法是:1作差构造函数h(x)=f(x)-g(x),转化为证明h(x)min>0.当h(x)求导后不易求得最小值时,考虑方法2;2求f(x)min,g(x)max,若满足f(x)min>g(x)max,则不等式f(x)>g(x)得证;3上述两法都不合适时,考虑先变形,再运用上述两法.
  作差构造辅助函数
  例1(2013北京18)设l为曲线C:y=lnxx在点(1,0)处的切线.
  (1)求l的方程;
  (2)证明:除切点(1,0)之外,曲线C在直线l的下方.
  分析:第(1)问考查函数f(x)=lnxx的在某点处的切线;第(2)问考查函数f(x)=lnxx与其他函数图象的关系,可转化为不等式lnxx0,x≠1恒成立,进而作差构造辅助函数g(x)=x-1-lnxx,x>0,x≠1,求证g(x)min>0即可.
  解析:(1)切线l的方程为y=x-1;(2)除切点(1,0)之外,曲线C在直线l的下方等价于lnxx0,x≠1恒成立.只需证x-1-lnxx>0,x>0,x≠1恒成立.令g(x)=x-1-lnxx,x>0,x≠1,只需证g(x)min>0.下求g(x)min.g′(x)=x2-1 lnxx2,又h(x)=x2-1 lnx在(0, ∞)上是增函数,且h(1)=0,故g′(x)=x2-1 lnxx2=0有且只有一个根x=1.因此,x∈(1, ∞)时,g′(x)>0,函数g(x)在(1, ∞)上单调递增;x∈(0,1)时,g′(x)<0,函数g(x)在(1, ∞)上单调递减.故g(x)min>g(1)=0.即除切点(1,0)之外,曲线C在直线l的下方.
  变形构造辅助函数
  例2(2014全国新课标21)设函数f(x)=aexlnx bex-1x,曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线为y=e(x-1) 2.
  (1)求a,b;
  (2)证明:f(x)>1.
  分析:第(2)问,f(x)=exlnx 2ex-1x求导得f′(x)=exlnx 1xex-2x2ex-1 2xex-1,超越方程f′(x)=0的根不能操作.故必须转化,通常方法是将ex与lnx,ex与1x分离,将f(x)>1转化为不等式xlnx>xex-2e,再证明(xlnx)min>(xex-2e)max,故只需构造两个函数g(x)=xlnx和函数h(x)=xe-x-2e.
  解析:(1)略,a=1,b=2.
  (2)f(x)=exlnx 2ex-1x,从而f(x)>1等价于xlnx>xe-x-2e.
  设函数g(x)=xlnx,则g′(x)=1 lnx,所以当x∈(0,1e)时,g′(x)<0;当x∈(1e, ∞)时,g′(x)>0,故g(x)在(0,1e)单调递减,在(1e, ∞)单调递增,从而g(x)min=g(1e)=-1e.令h(x)=xe-x-2e,则h′(x)=e-x(1-x),所以当x∈(0,1)时,h′(x)>0;当x∈(1, ∞)时,h′(x)<0,故h(x)在(0,1)单调递增,在(1, ∞)单调递减,从而h(x)max=h(1)=-1e.故g(x)min≥h(x)max,等号取不到.故g(x)min>h(x)max.即(xlnx)min>(xex-2e)max成立,所以f(x)>1.
  点评:对于由指数函数和对数函数组合而成的函数,常将指数和对数分开来处理,既含有指数又含有对数的函数求导后是难以求解的.另外,对于不等式xlnx>xex-2e,若作差构造函数又会遇到超越方程的问题,故继续考虑转化,用方法2:即转化为证明(xlnx)min>(xex-2e)max.
  主元构造辅助函数
  对于多元不等式的证明,选取适当的主元构造函数,一般将变量看作整体作主元或选择任意一个字母为主元.
  例3已知函数f(x)=lnx图象上任意不同的两点A(x1,y1),B(x2,y2),线段AB的中点为C(x0,y0),记直线AB的斜率为k,试证明:k>f′(x0).
  解法1:证明:f′(x)=1x,故f′(x0)=1x0=2x1 x2.又k=f(x2)-f(x1)x2-x1=lnx2-lnx1x2-x1=lnx2x1x2-x1,不妨设x2>x1,要证明:k>f′(x0),只要证lnx2x1x2-x1>2x1 x2.又因为x2>x1,所以只要证lnx2x1>2(x2-x1)x1 x2=2(x2x1-1)x2x1 1.即证lnx2x1-2(x2x1-1)x2x1 1>0.令h(x)=lnx-2(x-1)x 1(x≥1),则h′(x)=1x-4(x 1)2=(x-1)2x(x 1)2≥0.故h(x)在[1, ∞)上是增函数.又x2x1>1,故h(x2x1)>h(1)=0,从而lnx2x1>2(x2x1-1)x2x1 1,即k>f′(x0).
  解法2:不妨设x1>x2,f′(x0)=2x1 x2,k=lnx1-lnx2x1-x2.要证明k>f′(x0),即证明lnx1-lnx2-2(x1-x2)x1 x2>0.令g(x)=lnx-lnx2-2(x-x2)x x2,x>x2>0,则g′(x)=(x-x2)2x(x x2)2>0,故函数g(x)在[x2, ∞)单调递增,所以g(x1)>g(x2)=0,即lnx1-lnx2-2(x1-x2)x1 x2>0,也就是k>f′(x0).
  点评:解法1将整体x1x2看作主元,作差构造函数,利用函数单调性求解;解法2选取两个参数中的一个字母x1为主元构造函数,另一个看作参数,再来研究函数的单调性.以上两种处理方法,也是我们处理两元函数问题时的常用方法:看作整体达到消元的目的;选取一个为自变量,另一个看作参数(常数)达到消元的目的,化“两元”为“一元”.
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