例谈“构造辅助函数”在不等式问题中的应用

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  摘 要:在高中数学知识中,“构造法”是一种极具创造性的数学思想方法,利用“构造法”解题可以更直观、更简单的解决比较复杂的数学问题.本文结合实例,着重介绍“构造辅助函数”在不等式问题中的常见应用.
  关键词:数学思想构造法辅助函数;不等式
  “构造辅助函数”是高中数学“函数思想”的重要体现,对于一些不等式中的求参数范围、不等式证明等问题,若通过构造辅助函数,再进一步研究所构造函数的性质求解,问题将变得简单.下面通过实例加以说明.
  一、直接构造法
  例1.实数k为何值时,不等式ex≥kx对任意x∈R恒成立?
  解析:方法1:由于,构造函数,求导考察单调性,确定函数最小值m,只要m≥0即可.,讨论如下:
  (1) 若k<0,则f'(x)>0,f(x)是R上增函数,f(x)值域为(-∞,+∞),无最小值;
  (2) 若k=0,则由ex≥0知原不等式对任意x∈R恒成立;
  (3) 若k>0,则解,得x=lnk.
  当时,;当时,.
  故x=lnk为极小值点,是极小值.
  又,,故f(lnk)也是最小值.
  于是解,得
  综上,实数k的取值范围为[0,e].
  方法2(分离参数):当x>0时,;当x<0时,
  设,则问题转化为求f(x)在x>0时的最小值及x<0时的最大值.(以下略)
  评注:上述两种构造函数的方法存在差异:方法(1)是直接构造,方法(2)是分离参数后再构造,前者过程略显复杂。
  二、稍作变形后再构造
  例2.设函数(x>0且x≠1)
  (1)求函数f(x)的单调区间;
  (2)已知对任意x∈(0,1)成立,求实数α的取值范围。
  解析:(1)略
  (2) 若直接构造函数,则求导困难,受第(1)小题启发,可将不等式作如下变形:在两边取对数,得,考虑分离变量:由0-eln2,故α的取值范围为.
  评注:观察所给式子结构特征,寻找(2)中不等式与(1)的联系.当不等式中出现指数式时,可尝试先对不等式两边取对数,然后再构造辅助函数.
  三、构造双函数
  例3.对一切x>0,都有.
  分析:本题若直接构造函数求导,则难以判断导数符号,导数的零点也不易求出,因此单调性和极值点都不易获得.从而需要先变形,采用更加灵活的构造方法.
  证明:设f(x)=xlnx,,求导得f'(x)=1+lnx,.
  易知,当时,,当x=1时,. 又两个最值不是在同一点取得.所以f(x)>g(x),变形即得原不等式.
  评注:本题突破只构造一个辅助函数的常规思路,构造两个函数,一个有最小值,一个有最大值,解法巧妙.其实,这并非新奇的方法,而是基于按常规构造将出现“不易求出导数零点,从而无法求出函数最小值”的困惑,由此所作的变式处理策略而已.
  以上通过实例,展示了“构造辅助函数”在不等式相关问题中的应用.“构造辅助函数”是高中数学“函数思想”的重要体现,其巧妙之处在于不直接求解所给问题A,而是通过构造一个与A相关的辅助函数B,通過对函数B性质的考察,不仅可以解决问题A,而且使得过程简单明了.
  参考文献
  [1]《中学数学教学参考》2018.7
  [2]《数学通讯》2019.10
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