由f(x)>g(x)恒成立想到的

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  笔者在阅读《语数外学习》(高中版)2010年六月份中旬刊的《数列中的数学思想集萃》一文时,发现P15页中有如下的评注:不等式恒成立的常见问题是:f(x)≥a恒成立f(x)min≥a,f(x)≤a恒成立f(x)min≤a,f(x)>g(x)恒成立[f(x)-g(x)]min>0,或f(x)>g(x)恒成立f(x)min>g(x)max,可见解不等式恒成立问题的关键是求函数的最值.
  阅读后,沉思良久.发现,上面的结论都是错误的.错误的原因:
  (1) 一个函数能否取到最值与函数的定义域有关,即f(x)在定义域内不一定有最大值与最小值.因此,f(x)≥a恒成立或f(x)≤a恒成立,或f(x)>g(x)恒成立,只能在特定的背景下作具体的分析,从而完成恒成立问题;
  (2) f(x)>g(x)恒成立f(x)min>g(x)max更是天大的错误.
  ① f(x)>g(x)恒成立是对同-x而言的.从图像看,f(x)>g(x)f(x)的图像在g(x)图像的上方,决定了与两函数的最值无任何关系;
  ② 为说明f(x)>g(x)恒成立f(x)min>g(x)max是错误的,我们可以举一反例:如f(x)=-x+32,g(x)=1-x2,
  如右图,当x∈[-1,1]时,f(x)min=f(1)=12,g(x)max=g(0)=1
  显然,此时f(x)min<g(x)max,
  且f(x)的最小值与g(x)的最大值不是对同-x的.
  但f(x)>g(x)(-1≤x≤1)是恒成立的.
  上述错误,不仅是原文的错误,也是我们许多课外资料在该问题上错误的集中反映.为正淆视听,我们将从不等式中的恒成立,不等式有解,数列中的恒成立,导数中有关的恒成立来澄清3个问题:① 恒成立(或有解)的原理;② 判断是恒成立或有解的问题;③ 能否取“=”号.最后再给出一个f(x)min>g(x)max的生动的例子来结束此文.
  一、 不等式中的恒成立
  例1 对x∈
  12,3,x+2x≤a恒成立,求a的取值范围.
  评析:a为参数,x为主元,这就是含参数的不等式恒成立问题令f(x)=x+2x,即求f(x)max
  易知,当x∈(0,2]时,f(x)为减函数;
  当x∈[2,+∞)时,f(x)为增函数.
  ∴ 当x∈12,2时,f(x)max=f12=92;
  当x∈2,3时,f(x)max=f(3)=113.
  ∴ x ∈12,3时,f(x)max=92,f(x)min=f(2)=22.
  故a的取值范围是:a≥92,即a≥f(x)max.
  变式1 对x≤12,3,x+2x≤a恒成立,求a的取值范围.
  由上知,a2≤f(x)<92,此时,f(x)无最大值,
  但a的取值范围仍为:a≥92.
  变式2 对x∈12,3,x+2x<a恒成立,求a的取值范围.
  同理,22≤f(x)<92,虽然f(x)无最大值,但a的取值范围仍为:a≥92.
  点评:这就是前述在特定的背景下作具体的分析之表现,变式2中的结论仍可取“=”号.
  例2 若不等式2x-1>m(x2-1)对满足-2≤m≤2的所有m都成立,求x的取值范围
  评析:依题意,m为主元,则x为参数.
  于是,原不等式可变为(x2-1)m-2x+1<0
  则原命题为:对m∈[-2,2],(x2-1)m-2x+1<0恒成立.
  令f(x)=(x2-1)m-2x+1
  方法:数形结合.如右图:
  则f(-2)<0 (1)
  f(2)<0 (2)
  由(1)得x<-1-72,或x>-1+72
  由(2)得1-32<x<1+32
  由(1),(2)知,x的取值范围为-1+72,1+32.
  点评:虽然是恒成立问题,但(1)、(2)都不能取“=”号.
  例3 对x∈(1,2),不等式(x-1)2<logxa,(0<a≠1)恒成立,求a的取值范围.
  评析:为求a的取值范围,可将不等式转化为函数,结合图像,便于寻找恒成立的条件.
  令f(x)=(x-1)2,g(x)=logxa,
  如右图,
  显然,a>1
  则恒成立的条件为:
  a>1
  g(2)≥f(2)1<a≤2
  即a的取值范围是(1,2]
  点评:借助图像清楚地发现,即使是一个开区间,但照样可以取“=”号.
  二、 不等式有解(或无解)问题
  例4 已知关于x的不等式|2x-3|+|x-4|<a有解,求a的取值范围.
  评析:a为参数,这就是一个含参数的不等式有解的问题.
  设f(x)=|2x-3|+|x-4|,y=a
  则f(x)=7-3xx<32
  x+132≤x<4
  3x-7(x≥4)
  如右图,作直线y=a,
  从图像上看,
  当x1<x<x2时,f(x)<a,
  即不等式有解,此时,a>52.
  即当a>52时, 原不等式有解.
  点评:此时结论中不能取“=”号.相应地,当a≤52时,原不等式无解.
  若变为:关于x的不等式|2x-3|+|x-4|≤a有解,则a的取值范围为[52,+∞).
  三、 不等式有解还是恒成立的判定问题
  例5 若存在x∈[1,2],使x2+2x+a≥0成立,求a的取值范围.
  评析:原命题关于x的不等式x2+2x+a≥0在x∈[1,2]上至少有一个解,求a的取值范围.
  ① 先将参数a分离,a≥-x2-2x,x∈[1,2]
  ② 令f(x)=-x2-2x,x∈[1,2],
  由图知即求f(x)min,
  这便是不等式有解与恒成立问题的区别之表现.
  如右图:f(x)min=-8,∴ a≥-8
  故a的取值范围为[-8,-∞).
  点评: (1) 题意的理解——是不等式有解的问题还是恒成立问题;
  (2) 方法的选择——数形结合;
  (3) 结论中能否取“=”号.
  此题还有一种解法:正难则反,先考虑原命题的否定,即不分离参数.
  对x∈[1,2],x2+2x+a<0恒成立
  令g(x)=x2+2x+a,如右图:
  则g(2)<0a<-8.
  故所求a的取值范围为a≥-8.
  这种方法更适合参数不易分离的类似的问题.
  变式: 若存在(1,2),使x2+2x+a>0成立,则a的取值范围为(-8,+∞).
  例6 设f(x)=-13x3+12x2+2ax
  (1) 若f(x)在23,+∞上存在单调递增区间,求a的取值范围;
  (2) 当0<a<2时,f(x)在[1,4]上的最小值为-163,求f(x)在该区间上的最大值.
  评析:关键是对(1)的理解.若理解为f′(x)=-x2+x+2a≥ 0在23,+∞上恒成立,则(1)变为f(x)在23,+∞上是单调递增函数,不满足题意.
  故(1)应理解为:f′(x)=-x2+x+2a≥0在23,+∞上有解2a≥x2-x在23,+∞上有解
  令y=x2-x,则对称轴:x=12,∴ y=x2-x在23,+∞上是增函数,
  ∴ x2-x>49-23=-29.由图像可知:2a>-29,
  即a>-19(注:这里不能取“=”号).
  故a的取值范围为-19,+∞.
  (2) 0<a<2时,f′(x)=-x2+x+2a,x∈[1,4]时,
  令f′(x)=0,则x2-x-2a=0
  x1=1-1+8a2(舍),x2=1+1+8a2
  1<1+1+8a2<1+172<4
  列表
  x1(1,x2)x2(x2,4)4
  f′(x)+0-
  f(x)极大值
  ∴ f(x)max=f(x)极大值=f(x2)
  f(1)=16+2a,f(4)=-403+8a,f(1)-f(4)=81-36a6>0,
  ∴ f(1)>f(4),∴ f(x)min=f(4).
  由 -403+8a=-163a=1,∴ f(x)max=f(x2)=f(2)=103
  例7 已知二次函数设f(x)=4x2-2(p-2)x-2p2-p+1在区间[-1,1]内至少存在一个实数c,使f(c)>0,求实数p的取值范围.
  评析:此题的理解与例5相同,原命题关于的不等式f(x)>0在x∈[-1,1]内至少有一个实数解.
  此时,由于正面的情况较多,故采用正难则反的原则,
  即对x∈[-1,1],f(x)≤0恒成立f(-1)≤0
  f(1)≤0
  解得p≤-3,或p≥32
  ∴ 当-3<p<32时,在区间[-1,1]内至少存在一个实数c,使f(c)>0,即实数p的取值范围为-3,32.
  四、 数列中的恒成立问题
  例8 已知Sn=n4(n+4),bn=n+2n+3,若不等式4aSn<bn对n∈N*都成立,求a的取值范围.
  评析:由4aSn<bna<n2+6n+8n2+3n对n∈N*都成立.
  令f(n)=n2+6n+8n2+3n,则f(n)=1+3n+8n2+3n>1
  ∴ a≤1,即a的取值范围是(-∞,1].
  点评:这里可以取“=”号.
  例9 已知数列{an}满足a1=2,an=2an-1+2n+1(n≥2,n∈N*)
  (3) 设bn=an2n,证明数列{bn}是等差数列,并求bn;
  (4) 数列{bn}满足(1),数列{cn}满足cn=2n+1,且对任意正整数n,不等式abn+4≤1+1c11+1c2…1+1cn恒成立,求正数a的取值范围.
  评析: (1) 由an=2an-1+2n+1(n≥2,n∈N*)an2n=an-12n-1+2
  则bn=bn-1+2,即bn-bn-1=2(常数)
  ∴ 数列{bn}是等差数列,首项为a12=1,公差为2
  ∴ bn=2n-1,n∈N*.
  则an=(2n-1)·2n,n∈N*
  (2) 原不等式a≤1+1c11+1c2…1+1cn2n+3
  令f(n)=
  1+1c1
  1+1c2…1+1cn2n+3
  则f(n+1)=
  1+1c11+1c2…1+1cn1+1cn+12n+5
  ∴ f(n+1)f(n)=4n2+16n+164n2+16n+15>1
  又f(n)>0,∴ f(n+1)>f(n),
  即f(n)在n∈N*上是增函数.
  ∴ f(n)min=f(1)=41515,∴ 0<a≤41515
  即正数a的取值范围为0,41515.
  又如,数列{an}满足an=n-12n+1,对n∈N*,an<a恒成立,求a的取值范围.
  评析:an=12(2n+1)-32n+1=121-32n+1,易知an在N*上是增函数,
  ∴ an≥a1=0,又an<12,
  ∴ 0≤an<12,∴ a的取值范围是12,+∞
  五、 导数中的恒成立问题
  例10 已知f(x)=x3-6b2x+b在(0,1)内有极小值,求b的取值范围.
  评析: 由b知,b≥0.当b=0时,函数f(x)=x3-6b2x+b
  变为f(x)=x3在R上是增函数.
  此时,f(x)无极值,∴ b>0.
  则f′(x)=3x2-6b2,x∈(0,1),如右图
  显然f′(0)<0恒成立,
  ∴ f(x)在(0,1)内有极小值f′(1)0恒成立(这里不能取“=”号)|b|<220<b<22,即b的取值范围为0,22.
  例11 已知函数f(x)=x3+bx2+d在(0,2)内是减函数,且2是方程f(x)=0的根,求f(1)的最小值.
  评析:f′(x)=3x2+2bx,
  依题意,有f′(x)<0在(0,2)内恒成立.
  如右图,
  f′(2)≤0——(这里可以取“=”号)
  则b≤-3,又f(2)=0,
  ∴ d=-8-4b,f(1)=-3b-7
  ∴ 当b=-3时,f(1)min=2
  例12 若函数f(x)=13x3-12ax2+(a-1)x+1在(1,4)内是减函数,在(6,+∞)上是增函数,试求实数的取值范围.
  评析:f′(x)=x2-ax+a-1=(x-1)(x+1-a)
  易知f′(1)=0
  f(x)在(1,4)内是减函数,
  即f′(x)<0在(1,4)恒成立;
  f(x)在(6,+∞)内是增函数,
  即f′(x)>0在(6,+∞)恒成立.
  如右图,
  则f′(4)≤0(1)
  f′(6)≥0(2),由(1)a≥5;由(2)a≤7
  ∴ 5≤a≤7,即实数a的取值范围为[5,7]
  点评:导数中的恒成立问题关键是看能否取“=”号
  六、 一个与f(x)min>g(x)max有关的命题
  例13 已知g(x)=7x2-28x-c,f(x)=2x3+4x2-40x
  (1) 若对x∈[-3,3],都有g(x)≤f(x)成立,求实数c的取值范围;
  (2) 若对x1∈[-3,3],x2∈[-3,3],都有g(x)≤f(x)成立,求实数c的取值范围.
  评析: (1) g(x)≤f(x)g(x)max≤f(x)min之错误,前已分析.
  为此,将g(x)≤f(x)转化为f(x)-g(x)≥0
  令H(x)=f(x)-g(x),
  则H(x)≥0对x∈[-3,3]恒成立.
  这样,只需求H(x)min,从而使问题的解决变得更加直接与明朗.
  这里,存在的一个问题是:随着定义域的变化,当H(x)无最小值时,恒成立问题照样可以处理.(类似例1的变式1),而并非H(x)≥0恒成立H(x)min≥0
  H(x)=2x3-3x2-12x+c,
  H′(x)=6(x+1)(x-2),
  令H′(x)=0,则x=-1,或x=2
  列表
  x-3(-3,-1)-1(-1,2)2(2,3)3
  H′(x)+0-0+
  H(x)-45+c极大值7+c极小值-20+c-9+c
  ∴ H(x)min=-45+c,由-45+c≥0c≥45
  即实数c的取值范围为[45,+∞).
  (2) 原命题对x1,x2∈[-3,3],不论x1=x2或x1≠x2,都有g(x)≤f(x)成立,
  ∴ 原命题对x1,x2∈[-3,3],都有g(x)max≤f(x)min成立.
  点评:也只有在这样的背景下,恒成立问题才等价于g(x)max≤f(x)min,
  命题者的匠心独用可见一斑.
  易知,g(x)max=g(-3)=147-c
  对f(x),f′(x)=2(3x+10)(x-2),
  令f′(x)=0,则x=-103,(舍),或x=2
  列表
  x-3(-3,-2)2(2,3)3
  f′(x)-0+
  f(x)102极小值-30
  ∴ f(x)min=f(2)=-48
  由147-c≤-48c≥195
  即实数c的取值范围为[195,+∞).
  最后的总结:
  (1) 明确恒成立(或有解)的原理(始终与函数的定义域有关);
  (2) 能否取“=”号;
  (3) 判断是恒成立问题还是有解的问题(如例5).
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