1、专 题 3 导 数 中 的 差 值 比 值 问 题 完成了外函数分而治之,那么同个函数内部的那些构造也被拿上了台面,关于 f(x1)f(x2) 极值之差问题,还有 f(x1)+f(x2)极值之和问题,这里我们会简单介绍一下极值偏移和拐点偏移 的原理。关于 x1/x 2 的比值代换,甚至需要切线夹放缩的 x1x2。这些题起源于高考,反复演变, 正在逐渐取代之前传统的利用导数求函数单调性和极值的问题,知识反复更新和迭代的过程中, 我们确实需要更新数学模型和方法. 第一讲 极值之差 y f (x) 的两个极值 点 x 1, x ,则 f ( 1) f (x ) 称为极值之差.通常解决这类问题需要用到
2、函数的 内 x 2 2 构造,一般求导后会构成二次函数,必有 x x m 1 ,其中,m 与 n 中必有一个是常数,这样将参数和 2 x x n 1 2 x 2 通过韦达定理替换成 x ,最后构成一个在已知范围的新函数 y h(x ) ,然后求导即可求出最值.或者利用 比 1 1 x 值换元, t ,这里通常 n 为常数. 2 x 1 秒杀秘籍:构造成飘带函数与对数放缩式 b 1 1 y ax (a 0,b 0) 图像由于长得像两条飘带,故称飘带函数,尤其是 y (x ) ,与对数函数形成紧 x 2 x 密型放缩关系,我们通常将飘带函数另外一个反比例函数 2(x 1) y 对 y ln x 进
3、行曲线逼近放缩,即有 结 x 1 1 1 2(x 1) 2(x 1) 1 1 论: (x ) ln x ,x(0 ,1) ; ln x (x ),x1, ) 2 x x 1 x 1 2 x 2 1 1 1 1 1 (x 1) 证明:构造函数 f (x) ) ,则 2 0 ln x (x f (x) ,而 f (1) 0 ,故当 0 x (x ) ;当 x 1 时 ln x (x ) 2 x 2 x 构 造 函 数 2 2(x 1) 1 4 (x 1) g(x) ln x , 则 g (x) 2 0 , 而 f (1) 0 , 故 当 0 x1 时 , x 1 x (x 1) x(x 1) 2
4、ln x 2(x1) x+1 ;当 x 1 时, ln x 2(x1) x+1 在一些 f (x) ln x ax2 bx 或者 b 1 2 2 f (x) ln x ax 中,经常出现 f 1 (x ) m(2ln nx nx ) 这 (x ) f 2 1 1 x nx 2 1 样的式子,单调性基本固定,只看端点值来求最值,此为经典考题,飘带函数放缩无处不在. 例 1.(2020攀枝花一模)已知函数 1 f (x) x alnx (a R) x 1 ()求曲线 y f (x) 在点 (e, ) 处的切线方程; e ()若函数 g(x) x2 f (x) 2lnx ax(其中 f (x) 是
5、f (x) 的导函数)有两 个极值点 x 、x ,且 1 2 x x e , 1 2 求 g(x ) g(x ) 的取值范 围 1 2 解:()因为 1 1 f (e) e a a e , e e 1 a f (x) 1 ,即 x x 2 1 e f (x) 1 ,故所求切线的斜 率为 x x 2 1 e 1 1 1 x 2 f (e) 1 ,所以切线方程为 y (x e) y x e2 y 2e 0 e e e e e e e 2 2 2 2 () g(x) x2 f (x) 2lnx ax x2 2ax 2lnx 1, 2 2(x ax 1) 2 g(x) 2x 2a ,若 g(x) 有
6、两个极 x x 值点 x 、 1 x ,且 2 x x e ,则方程 x2 ax 1 0 的判别式 a2 4 0 , 1 2 1 x x a 0, x x 1 x e ,得 a 2 , 1 2 1 2 2 x 1 1 a x , 且 1 x 1 1 e x 1 1 所以 g(x ) g(x ) x2 2ax 2lnx x2 2ax 2lnx (x x )(x x ) 2a(x x ) 4lnx 1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 , (x x )(x x ) 4lnx x 4lnx ( x 1) 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 x e 1 1 1 2 4
7、 2(t 1) 1 2 2 设 h(t) t2 4lnt( t 1),则 h(t) 2t 0 在 t ( ,1) 上恒成立 t e t t t e 2 3 3 1 1 故 h(t) 在 t (0,1) 单调递减,从而 h(t) h(1) 0 , h(t) h( ) e2 4 e e 2 所以 1 g(x ) g(x ) 的取值范围是 (0,e2 4) 1 2 2 e 总结:将 x 和 a 转化为 x 1 成为解题关键,本题中,构造了一个单调的函数,其实这个函数来自飘带函数与 2 1 1 1 1 对数的放缩式 (x ) ln x 对 x(0, 1 恒成立,同时 (x ) ln x 对 x1, )
8、恒成立,从而得到当 2 x 2 x 1 1 2 1 x(0, 1 时, (x2 ) ln x x 4ln x 0 恒成立. 2 2 x x 2 2 例 2.(2019广东期末)已知函数 f (x) 2lnx x2 ax(aR) 有两个极 值点 x , 1 x ,其中 2 x x 1 2 ()求实数 a 的取值范围; 2 ()当 时,求 a 2 e e f (x ) f (x ) 的最小 值 1 2 1 例 3.(2020绵阳模拟)己知函数 f (x) 2lnx x2 ax ,其中 a R 2 (1)讨论函数 f (x) 的单调性; (2)设函数 f (x) 有两个极值点 x ,x (其中 1
9、2 x x , 若 2 1) 3 f (x ) f (x ) 的最大值为 2ln2 ,求实数 a 的 取 2 1 2 值范围 1 例 4.(2018四川模拟)已知函数 f (x) x2 ax lnx(a R) 2 (1)当 a 1 时,求曲线 f (x) 在 x 1处的切线方程; (2)若函数 f (x) 有两个极值点 x , 1 1 2 x2 (x1 x2 ) ,求 a 的取值范围,并证明 f (x ) f (x ) a2 2ln 1 2 2 ae 总结:虽然还是飘带函数和对数,但加入了新的参数元素,不到最后转化为只有 x 的函数式,就不能罢休, 1 以下例题虽然构造的不是飘带函数,但也换汤
10、不换药. 例 5.(2019长沙期末)已知 f (x) x2 2ax lnx ()当 a 1时,求 f (x) 的单调区间; ()若 f (x) 为 f (x) 的导函数, f (x) 有两个不相等的极值 点 x , 2 f (x ) f (x ) 的最小 值 x2 (x1 x2 ) ,求 1 1 2 例 7.(2019新课标)已知函数 f (x) 2x3 ax2 2 (1)讨论 f (x) 的单调性; (2)当 0 a 3 时,记 f (x) 在区间0 ,1的最大值为 M ,最小值为 m ,求 M m 的取值范围 1 例 8.(2019和平区校级月考)已知函数 f (x) x2 aln(1
11、x) , a 为常数 2 (1)讨论函数 f (x) 的单调性; (2)若函数 f (x) 有两个极值点 x , 1 x ,且 2 x x ,求 证: 1 2 3 ln4 f (x ) x 2 1 8 总结:不是极值之差类型,当两根之积不为常数,而两根之和为常数的情况,比值代换不好使了,解决问 题的关键还是一切转化为 x 的单变量函数,那么当 x 1 x 2 与 x1x 2 都含有参数怎么办呢?我们看下一 题. 1 例 9.(2020遂宁模拟)已知函数 f (x) alnx ax 1 (1)讨论函数 f (x) 的单调性; 1 (2)若函数 g(x) f (x) x2 1 有两个极 值点 2
12、x ,x x x 且不等 式 2 ( 1 2 ) 1 g(x ) g(x ) (x x ) 恒成 立, 1 2 1 2 求实数 的取值范围 总结:如果题目中 x 1 x 与 2 x1x 都含有相同参数,那么就以这个参数作为单变量的主元来进行函数构造, 2 通常这类型题技巧不多,更多在运算和基本功打造上,极值既然有差,也会有和,下面我们来介绍一下极 值之和问题的处理方法. 第二讲 极值之和 极值之和问题最早出现在 2014 年湖南高考自主命题卷中,解决问题的关键就是将 f ( 1) f (x ) 转化为统一 x 2 参数 a 后,构造新函数 h(a) 求出极值之和取值范围. 例 10.(2014
13、湖南)已知常数 a 0 ,函 数 f (x) ln(1 ax) 2x x 2 ()讨论 f (x) 在区间 (0,) 上的单调性; ()若 f (x) 存在两个极值点 x , 1 x ,且 2 f (x ) f (x ) 0,求 a 的取值范 围 1 2 2x a 4 ax 4(1 a) 2 解:() f (x) ln(1 ax) f (x) x 2 1 ax (x 2) (1 ax)(x 2) 2 2 , ,当1 a 0 时,即 a 1时, f (x) 0 恒成立,则函数 f (x) 在 (0,) 单调递增, (1 ax)(x 2) 0 2 当 0 a 1时 ,由 f (x) 0 得 x 2
14、 a(1 a) 2 a(1 a) ,则函数 f (x) 在 (0 , ) a a 2 a(1 a) 单调递减,在 ( a , ) 单调递增 ()由()知,当 a 1时, f (x) 0 ,此时 f (x) 不存在极值点因此要使 f (x) 存在两个极 值点 x , 1 x , 2 则必有 0 a 1,又 f (x) 的极值点值 是 x 1 2 a(1 a) , a x 2 2 a(1 a) , 且 a x 1 且 x 2 , a 2x 2x 4x x 4(x x ) f x f x ln ax ln ax ln a x x a x x ( ) ( ) (1 ) 1 (1 ) 2 1 ( ) 1
15、 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 x 2 x 2 x x 2(x x ) 4 1 2 1 2 1 2 2 4(a 1) 2 2 1 ln(2a 1) ln(2a 1) 2 令 2a 1 t , 由 0 a 1 且 a 得,当 0 2a 1 2a 1 2 1 a 时,1 t 0 ; 2 当 1 2 2 a 1 时, 0 t 1令 h(t) lnt2 2 t (i) 当 1 t 0 时, 2 2 2 2x 2 h(t) 2ln(t) 2 ,h(t) 0 ,故 h(t) 在 (1, 0) 上单调递减, t t t t 2 2 h(t) h(1) 4 0 ,当 0 1 a 时, 2 f
16、 (x ) f (x ) 0 ; 1 2 2 2 2 2t 2 (ii) 当 0 t 1h(t) 2lnt 2 ,h(t) 0 ,故 h(t) 在 (0, 1) 上单调递减,h(t) h(1) 0 , t t t t 2 2 当 1 2 a 1 时, 1 2 f (x ) f (x ) 0;综上所述, a 的取值范围是 ( 1 2 ,1) 1 例 11.(2020郑州一模)已知函数 f (x) ax2 x ln x ()若 f (x) 在点 (1 , f (1) ) 处的切线与直线 y 2x 1 平行,求 f (x) 在点 (1, f (1) ) 的切线方程; ()若函数 f (x) 在定义域
17、内有两个极值点 x , 1 x ,求证: 2 f (x ) f (x ) 2ln 2 3 1 2 a 例 12.(2019湖南期末)已知函数 f (x) lnx 1 2a x 有两个不同的 极值点 x x , 1 x 2 (1)求 a 的取值范围 (2)求 f (x) 的极大值与极小值之和的取值范围 1 1 (3)若 m(0, ),n( , ) ,则 f (m) f (n) 是否有最小值?若有,求出最小值;若没有,说明理由 2 2 秒杀秘籍:极值之和,极值点和拐点共点取最值 x x 根据琴生(Jensen)不等式,当 f (x) 0 时, (x ) f ( 1 2 ) ,我们称之为上凸函数,通
18、常对数 f f (x ) 1 2 2 x x 函数,二四象限的反比例函数均为上凸函数;当 f (x) 0 时, f (x ) f (x ) f ( 1 2 ) ,我们称之为下 1 2 2 凹函数,通常指数函数,开口向上二次函数均为下凹函数. x x 极值偏移:若 f (x) 有极值 f (x) max f (x 0 ) ,若存在 f (x1) f (x 2 ) ,当 1 2 0 x 2 时,称为极大值左偏,当 x 1 2 x 2 x 0 x x 时,称为极大值右偏;同理,若 f (x) 有极值 f (x) min f (x 0 ) ,若存在 f (x1) f (x 2 ) , 当 1 2 x0
19、 2 时,称为极小值左偏,当 x 1 2 x 2 x 0 时,称为极小值右偏. 由于篇幅关系,本篇不做极值偏移的详细介绍,我们近期将推出一本导数的专题新书,会系统介绍极值偏 移和拐点偏移的解题方法。 图 1 图 2 x x 极值点左偏: x 1 x 2 2x 0 , 1 2 x 处切线与 x 轴不平行;(图 1) 2 x x 若 f (x) 上凸( f (x) 递减 ) , 则 1 2 f f (x ) 0 0 x x , 若 f (x) 下 凸 ( f (x) 递增 ) , 则 1 2 f f x ( ) 0 0 . 2 2 x x 极值点右偏: x 1 x 2 2x 0 , 1 2 x 处
20、切线与 x 轴不平行;(图 2) 2 x x 若 f (x) 上凸( f (x) 递减 ) , 则 1 2 f f (x ) 0 0 2 x x , 若 f (x) 下 凸 ( f (x) 递增 ) , 则 1 2 f f (x ) 0 0 2 . 极值偏移的本质:函数 f (x) 0 时,则极大值左偏,极小值右偏;函数 f (x) 0 时,则极大值右偏, 极小 值左偏(正负号由极小值偏移方式决定,极大值则相反方向偏移); 我们可以这么来理解, f (x) 代表函数斜率的变化,如果斜率越来越大,则会形成下凹函数,若斜率 越来越小,则形成上凸函数,这就是琴生不等式,在解决一些复杂的不等式证明当中
21、,琴生不等式就是一 种秒杀。那么三阶导,则代表着斜率变化的快慢,类似物理学科理解加速度,如果三阶导大于零,则当斜 率变化为正时,变化越来越快;当斜率变化为负时,变化越来越快(物理学当中,位移方向和速度方向为 正时,加速度大于零时加速;位移方向和速度方向相反时,加速度大于零则减速)。极小值左偏,则导函数 从负到正的变化过程中,变化越来越慢,故出现斜率为零的位置 x x 一定在区间中 点 0 x x 1 x 的左 边, 2 2 从而形成极小值左偏;同理,极大值右偏,就是导函数从正到负的变化过程中,变化越来越快,故出现斜 率为零的位置 x x 一定在区间中 点 0 x x 1 x 的右边;反之亦 然
22、。 2 2 类似观点我们可以得到拐点偏移的理论,拐点即为函数凹凸的分界点,我们以先凸后凹作为参照,当 f (x) 0 时,拐点左偏,同理, f (x) 0 时,拐点右偏; 极值之和最值定理:当 x 1 2 x 2 x 0 时,若 f (x1) f (x 2 ) 0 , 且 f (x 0 ) 0 时,一定有 f (x1) f (x 2 ) 2 f (x 0 ) , 相反,若 f (x1) f (x 2 ) 0 ,且 f (x 0 ) 0 时,一定有 f (x1) f (x 2 ) 2 f (x 0 ) ; 1 1 例 10 中,极值之和要大于零,显然 a 越大越好;例 11 中,显然 f (x)
23、 0 , 故 f ( 1 2 ) f f ) ; x ) f (x 2 ( ) ( 4a 2 1 例 12 也是 f (x 1 f x 2 ) 2 f ( ) ,研究一道题若能建出模型,知道背后的逻辑,才是真正懂了,否则我们 ) ( 2 只是计算工具。 例 13.(2018浙江)已知函数 f (x) x lnx ()若 f (x) 在 x x , 1 x x x 处导数相等,证 明: 2 ( 1 2 ) f (x ) f (x ) 8 8ln2 ; 1 2 ()若 a 3 4ln2 ,证明:对于任意 k 0 ,直线 y kx a 与曲线 y f (x) 有唯一公共点 第三讲 比值函数 最早出现
24、在 2014 天津卷,涉及参变分离和基础找点比大小,有关 x 1 x 2 ,要转化为 x 1 tx 1 来进行构 造成 h(t) 的函数,之前在证明对数平均不等式用到比值换元函数,比值换元一般用在对数函数里面,指数函 数都需要转化为对数来进行构造,类似于指数平均不等式可以用对数来证明一样。我们先看几个例题. 例 14.(2014天津)设 f (x) x aex (aR), x R ,已知函数 y f (x) 有两 个零点 x , 1 x ,且 2 x x 1 2 ()求 a 的取值范围; x ()证明: 2 x 1 随着 a 的减小而增大; ()证明 x x 随着 a 的减小而增 大 1 2
25、总结:本题作为比值换元的模型题,充分挖掘了六大函数当中 x y 的性质,并且在 x 1 x 2 构造当中遇 到 x e 1 x 2 ln x x 了老朋友 h(x) ,分子又是飘带函数遇上了对数函数,老朋友相见,总会告诉你,它们的故事 2 (x 1) 还在继续. 例 15.(2019邢台期末)已知函数 f (x) x2 2aex b(a,bR) ,若 f (x) 有两个 极值点 x , 1 x x x , 且 2 ( 1 2 ) x2 2x1 ,则 a 的取值范围是 ( ) A 1 (0, ) e ln2 ln2 B (, ) C ( 2 2 , 1 ) e ln2 D (0, ) 2 m 例
26、 16.(2018武昌区校级模拟)已知函数 f (x) lnx 1(m R) ,其中无理数 e 2.718 e x (1)若函数 f (x) 有两个极值点,求 m 的取值范围 1 1 (2)若函数 ( ) ( 2) 3 2 g x x ex mx mx 的极值点有三个,最小的 记为 3 2 x ,最大的记为 1 x x ,若 1 2 x 2 的最大 值为 1 e ,求 x x 的最小 值 1 2 第四讲 切线夹放缩解决 x2-x1 问题 最早出现切线夹放缩在 2015 年天津高考卷,我们先来看一下这一文一理两题,然后逐步寻找这类题背 后的逻辑. 例 17.(2015天津)已知函数 f (x)
27、4x x4 , x R ()求 f (x) 的单调区间; ()设曲线 y f (x) 与 x 轴正半轴的交点为 P ,曲线在点 P 处的切线方程为 y g(x) ,求证:对于任意的 实数 x ,都有 f (x) g(x) ; ()若方程 f (x) a(a 为实数)有两个实数 根 x , 1 x ,且 2 x x ,求 证: 1 2 a 1 x x 2 1 4 3 3 例 1 8(. 2015天津)已知函数 f (x) nx xn ,x R ,其 中 n N , 且 n 2 ()讨论 f (x) 的单调性; ()设曲线 y f (x) 与 x 轴正半轴的交点为 P ,曲线在点 P 处的切线 方程为 y g(x) ,求证:对于任意的正实数 x ,都有 f (x) g(x) ; ()若关于 x 的方程 f (x) a(a 为实数)有两个正实数 根 x , 1 x ,求 2 a 证:| x x | 2 2 1 1 n