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自从学习了导数知识内容以后,我们在解决求切线方程式、求函数单调性、极值、最值及不等式证明等数学问题时更加简捷、方便。导数的广泛应用带来了新思路、新方法。不等式题型是中学数学中一种最常见的题型,同学们通过解答此类题型可以掌握数学的一些基本知识,还可以锻炼自己各方面的解题能力,如自学能力、综合分析能力、逻辑思维能力等,解决好这类题型能够使自己在“实”“强”“技巧”等方面得到加强。在解决不等式问题时,巧妙地运用导数证明不等式是一种行之有效的好方法,它能使不等式的证明化难为易、迎刃而解。本文通过一典型例题的三种不同解法,从构建新函数入手,利用函数单调性、函数的最值等阐述导数在不等式证明中的应用。
典型例题:已知函数f(x)=ex,g(x)=lnx,证明:f(x)-g(x)>2
方法一:
解题思路:通过两函数作差构造一个新函数,研究该函数的单调性,找出其最值。如本题证明f(x)-g(x)>2,只要构造一个函数t(x)=f(x)-g(x),只需要证明函数t(x)的最小值为2即可。
解:令函数t(x)=f(x)-g(x)=ex-lnx,定义域为(0,+∞)。
t′(x)=ex-,
令t′(x)=0时的点为x0,即:t′(x0)=e-=0,
此时,e=
∵f(x)=ex与f(x)=-均为增函数
∴t′(x)=ex-为增函数。
则x>x0,时,t′(x)>0,函数t(x)为增函数,
x 则t(x)在x=x0处存在最小值t(x0)=f(x0)-g(x0)=e-lnx0
∵e=,x0=e,lnx0=-x0
∴e-lnx0=+x0>2 (∵x0≠1)
所以,t(x)=f(x)-g(x)>2
方法二:
解题思路:在某些情况下,当构建一个函数模型解题困难时,可考虑同时构建两个函数模型,来研究这两个函数最值。如本题证明f(x)-g(x)>2,构造函数m(x)=ex-x,n(x)=lnx-x,只需要证明m(x)的最小值与n(x)的最大值之差大于2即可。
解:设m(x)=ex-x,n(x)=lnx-x 定义域为(0,+∞)。
∵m′(x)=ex-1,又x>0
∴m′(x)>0,函数m(x)为增函数,
∴m(x)>e0-0=1
又∵n′(x)=-1,当x=1时,n′(x)=0
x<1时,n′(x)>0,函数n(x)为增函数,
x>1时,n′(x)<0,函数n(x)为减函数,
∴函数n(x)在x=1处存在最大值n(1)=ln1-1=-1
∴m(x)-n(x)>1-(-1)=2
∴ex-lnx>2
所以,f(x)-g(x)>2
方法三:
解题思路:构造两个函数,研究这两个函数最值,如本题证明f(x)-g(x)>2,構造函数m(x)=,n(x)=+,只需要证明m(x)的最小值大于n(x)的最大值即可。
解:令m(x)=,n(x)=+ 定义域为(0,+∞)。
m′(x)=-=(x-1),x=1时,m′(x)=0
x>1时,m′(x)>0,函数m(x)为增函数,
x<1时,m′(x)<0,函数m(x)为减函数,
∴函数m(x)在x=1时有最小值m(1)=e
n′(x)=-+-=--=-(lnx+1)
当x=e-1时,n′(x)=0,
x>e-1时,n′(x)<0,函数n(x)为减函数,
x0,函数n(x)为增函数,
∴函数n(x)在x=e-1时有最大值n(e-1)=2e-e=e
因为,m(x)与n(x)函数图像不相交,
所以,m(x)>n(x)
∴>+
即,ex-lnx>2,f(x)-g(x)>2
比较以上三种方法可以看出,为了求导的方便,针对每种解题方法,函数的构建非常重要,通过合理构建函数,将不等式问题转化为函数问题,从而拓宽解题思路、降低问题难度。
典型例题:已知函数f(x)=ex,g(x)=lnx,证明:f(x)-g(x)>2
方法一:
解题思路:通过两函数作差构造一个新函数,研究该函数的单调性,找出其最值。如本题证明f(x)-g(x)>2,只要构造一个函数t(x)=f(x)-g(x),只需要证明函数t(x)的最小值为2即可。
解:令函数t(x)=f(x)-g(x)=ex-lnx,定义域为(0,+∞)。
t′(x)=ex-,
令t′(x)=0时的点为x0,即:t′(x0)=e-=0,
此时,e=
∵f(x)=ex与f(x)=-均为增函数
∴t′(x)=ex-为增函数。
则x>x0,时,t′(x)>0,函数t(x)为增函数,
x
∵e=,x0=e,lnx0=-x0
∴e-lnx0=+x0>2 (∵x0≠1)
所以,t(x)=f(x)-g(x)>2
方法二:
解题思路:在某些情况下,当构建一个函数模型解题困难时,可考虑同时构建两个函数模型,来研究这两个函数最值。如本题证明f(x)-g(x)>2,构造函数m(x)=ex-x,n(x)=lnx-x,只需要证明m(x)的最小值与n(x)的最大值之差大于2即可。
解:设m(x)=ex-x,n(x)=lnx-x 定义域为(0,+∞)。
∵m′(x)=ex-1,又x>0
∴m′(x)>0,函数m(x)为增函数,
∴m(x)>e0-0=1
又∵n′(x)=-1,当x=1时,n′(x)=0
x<1时,n′(x)>0,函数n(x)为增函数,
x>1时,n′(x)<0,函数n(x)为减函数,
∴函数n(x)在x=1处存在最大值n(1)=ln1-1=-1
∴m(x)-n(x)>1-(-1)=2
∴ex-lnx>2
所以,f(x)-g(x)>2
方法三:
解题思路:构造两个函数,研究这两个函数最值,如本题证明f(x)-g(x)>2,構造函数m(x)=,n(x)=+,只需要证明m(x)的最小值大于n(x)的最大值即可。
解:令m(x)=,n(x)=+ 定义域为(0,+∞)。
m′(x)=-=(x-1),x=1时,m′(x)=0
x>1时,m′(x)>0,函数m(x)为增函数,
x<1时,m′(x)<0,函数m(x)为减函数,
∴函数m(x)在x=1时有最小值m(1)=e
n′(x)=-+-=--=-(lnx+1)
当x=e-1时,n′(x)=0,
x>e-1时,n′(x)<0,函数n(x)为减函数,
x
∴函数n(x)在x=e-1时有最大值n(e-1)=2e-e=e
因为,m(x)与n(x)函数图像不相交,
所以,m(x)>n(x)
∴>+
即,ex-lnx>2,f(x)-g(x)>2
比较以上三种方法可以看出,为了求导的方便,针对每种解题方法,函数的构建非常重要,通过合理构建函数,将不等式问题转化为函数问题,从而拓宽解题思路、降低问题难度。