2022版新教材高考数学一轮复习第3章导数及其应用第2节第3课时利用导数证明不等式_构造法证明不等式
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则 x0 满足 ex0=x10.
当 x 变化时,g′(x)和 g(x)变化情况如下表:
x
(0,x0)
x0
(x0,+∞)
g′(x)
-Hale Waihona Puke 0+g(x)
极小值
g(x)min=g(x0)=ex0-ln x0-2=x10+x0-2. 因为 x0>0,且 x0≠1,
所以 g(x)min>2-2=0,
因此不等式得证.
令 g(x)=(x+1)(ex-1)-x, 则 g′(x)=(x+2)ex-2.
当 x≤-2 时,g′(x)<0. 当 x>-2 时,设 h(x)=g′(x)=(x+2)ex-2, 则 h′(x)=(x+3)ex>0,故函数 g′(x)在(-2,+∞)上单调递增.
又 g′(0)=0, 所以当 x∈(-∞,0)时,g′(x)<0,函数 g(x)在区间(-∞,0)上单 调递减; 当 x∈(0,+∞)时,g′(x)>0,函数 g(x)在区间(0,+∞)上单调递 增. 所以 g(x)min=g(0)=0. 所以 g(x)≥g(0)=0, 所以(x+1)(ex-1)≥x≥mx2+x, 故 f(x)≥mx2+x.
(1)解:函数 f(x)=ln x-x+1 的定义域为(0,+∞),f′(x)=1x-1. 令 f′(x)=0,解得 x=1.
当 0<x<1 时,f′(x)>0,f(x)单调递增; 当 x>1 时,f′(x)<0,f(x)单调递减. (2)证明:由(1)知 f(x)在 x=1 处取得最大值,最大值为 f(1)=0.所 以当 x≠1 时,ln x<x-1.故当 x∈(1,+∞)时,0<ln x<x-1,所以xl-n x1 >1.用1x代换 x 得 ln 1x<1x-1<0,所以xl-n x1<x.即 1<xl-n x1<x.
第三章 导数及其应用
第3课时
第2节 导数的应用 利用导数证明不等式——构造
法证明不等式
01
关键能力·研析考点强“四翼”
考点1 移项作差构造函数证明不等式——综合性 考点2 放缩构造法——综合性 考点3 构造双函数法——应用性
考点 1 移项作差构造函数证明不等式——综合性
设函数 f(x)=ln x-x+1. (1)讨论 f(x)的单调性; (2)证明:当 x∈(1,+∞)时,1<xl-n x1<x; (3)设 c>1,证明:当 x∈(0,1)时,1+(c-1)x>cx.
(2)证明:问题等价于证明 xln x>exx-2e(x∈(0,+∞)). 由(1)可知 f(x)=xln x(x∈(0,+∞))的最小值是-1e,当且仅当 x=1e
时取到. 设 m(x)=exx-2e(x∈(0,+∞)),
则 m′(x)=1-ex x.
由 m′(x)<0,得 x>1 时,m(x)单调递减; 由 m′(x)>0,得 0<x<1 时,m(x)单调递增. 易知 m(x)max=m(1)=-1e. 从而对一切 x∈(0,+∞),xln x≥-1e≥exx-2e,又两个等号不同时 取到, 即对一切 x∈(0,+∞),都有 ln x>e1x-e2x成立.
=(sin3xsin32xsin34x·…·sin32nx)
=[sin x(sin2xsin 2x)(sin22xsin 4x)·
…·(sin22n-1xsin 2nx)sin22nx] ≤
sin
x×3
8
3×3
8
3×…×3
8
3×sin22nx
≤3
8
3n
=34n=34nn.
考点 3 构造双函数法——应用性
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又 g(0)=g(1)=0,故当 0<x<1 时,g(x)>0.
所以当 x∈(0,1)时,1+(c-1)x>cx.
将本例函数改为“f(x)=ln xx-1-cx(c∈R) ”. 若 1<c<2,求证:f(x)<-1. 证明:f(x)的定义域为 x>0, f(x)<-1 等价于ln xx-1- cx<-1, 等价于 cx2-x+1-ln x>0.
所以,函数 f(x)在区间(0,+∞)上单调递增.
当 a>0 时,由 f′(x)>0 得 x>a2; 由 f′(x)<0,得 0<x<a2. 所以函数 f(x)在区间a2,+∞上单调递增,在区间0,a2上单调递 减.
(2)证明:当 a=1 时,f(x)=x2+x-ln x. 要证明 f(x)+ex>x2+x+2, 只需证明 ex-ln x-2>0. 设 g(x)=ex-ln x-2,则问题转化为证明对任意的 x>0,g(x)>0. 令 g′(x)=ex-1x=0,得 ex=1x, 易知方程有唯一解,不妨设为 x0,
所以 f(-1)=(-1+b)1e-a=0,解得 a=1e或 b=1. 又 f′(x)=(x+b+1)ex-a,
所以 f′(-1)=be-a=-e-e 1. 若 a=1e,则 b=2-e<0,与 b>0 矛盾;
若 b=1,则 a=1.故 a=1,b=1.
(2)证明:由(1)可知,f(x)=(x+1)(ex-1).由 m≤0,可得 x≥mx2 +x.
(3)证明:设 g(x)=1+(c-1)x-cx,则 g′(x)=c-1-cxln c.
c-1
令
g′(x0)=0,解得
ln x0=
ln ln c
c
.
当 x<x0 时,g′(x)>0,g(x)单调递增;
当 x>x0 时,g′(x)<0,g(x)单调递减. 由(2)知 1<cl-n c1<c,故 0<x0<1.
(3)当 x≥0 时,ex≥1+x+12x2 ,当且仅当 x=0 时取等号. (4)当 x≥0 时,ex≥2ex2+1, 当且仅当 x=0 时取等号. (5)x-x 1≤ln x≤x-1≤x2-x,当且仅当 x=1 时取等号. (6)当 x≥1 时,2xx+-11≤ln x≤x-x1,当且仅当 x=1 时取等号.
x (-∞,-1) -1
(-1,0)
0 (0,+∞)
f′(x)
-
0
+
0
-
f(x)
极小值
极大值
所以当 x=-1 时,f(x)极小值=f(-1)=1-2+2×1e=2e-1; 当 x=0 时,f(x)极大值=f(0)=0.
(2)证明:要证明 f(x)-2x+x2+x3<-2eln x.即证 2ex-x2-2x>
结合(1)的结论,计算得 f(0)=f(π)=0,
f
π3=
232×
23=3 8 3,f
23π=
232×-
23=-3
8
3 .
据此得
f(x)max=3
8
3,f(x)min=-3
8
3,所以fx≤3
8
3 .
(3)证明:结合(2)的结论fx≤3 8 3得sin2xsin 2x≤3 8 3, 所以 sin2xsin22xsin24x·…·sin22nx
当 x∈0,π3时,f′(x)>0,f(x)单调递增; 当 x∈π3,23π时,f′(x)<0,f(x)单调递减; 当 x∈23π,π时,f′(x)>0,f(x)单调递增.
(2)证明:注意到 f(x+π)=sin2 (x+π)·sin[2(x+π)]=sin2xsin 2x
=f(x). 故函数 f(x)是周期为 π 的函数.
2eln x
x(x>0).
令 g(x)=2ex-x2-2x(x>0),
h(x)=2elxn x(x>0). g′(x)=2(ex-x-1),g″(x)=2(ex-1)>0,所以 g′(x)在(0,+∞)
上单调递增,g′(x)>g′(0)=0.
所以 g(x)在(0,+∞)上单调递增,g(x)>g(0)=2. h′(x)=2e1-x2 ln x,可得 h(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞) 上单调递减, 所以 h(x)≤h(e)=2.
又 g(x)与 h(x)取最值点不同, 所以 g(x)>h(x)在(0,+∞)恒成立,
故 2ex-x2-2x>2elxn x(x>0). 所以当 x>0 时,f(x)-2x+x2+x3<-2eln x.
构造双函数法证明不等式的适用情形 在证明不等式时,若待证不等式的变形无法转化为一个函数的最 值问题,可借助两个函数的最值证明,如证 f(x)≥g(x)在 D 上恒成立, 只需证明 f(x)min≥g(x)max 即可.
已知函数 f(x)=x2+2x-2xex. (1)求函数 f(x)的极值; (2)当 x>0 时,证明 f(x)-2x+x2+x3<-2eln x.
(1)解:因为函数 f(x)=x2+2x-2xex(x∈R),
所以 f′(x)=2x+2-2ex-2xex=(2x+2)(1-ex). 由 f′(x)=0,得 x=-1 或 x=0,列表如下:
设 h(x)= cx2-x+1-ln x, 只需证 h(x)>0 成立. h′(x)=2cx-1-1x=2cx2-x x-1,1<c<2. 易知 2cx2-x-1=0 有两个异号的根.
令其正根为 x0,则 2cx20-x0-1=0.
则在(h0(,x)x的0)最上小h′值(为x)<h0(,x0)在=(cxx020,-+x0∞+)1上-lhn′x0(=x)>10+2,x0-x0+1-ln x0 =3-2 x0-ln x0.
又 h′(1)=2c-2>0,h′12=c-3<0, 所以12<x0<1. 所以3-2 x0>0,-ln x0>0. 因此3-2 x0-ln x0>0,即 h(x0)>0. 所以 h(x)>0. 所以 1<c<2 时,f(x)<-1.
利用导数证明不等式 f(x)>g(x)的基本方法 (1)若 f(x)与 g(x)的最值易求出,可直接转化为证明 f(x)min>g(x)max. (2)若 f(x)与 g(x)的最值不易求出,可构造函数 h(x)=f(x)-g(x).若 h′(x)>0,则 h(x)在(a,b)上单调递增.同时 h(a)>0,即 f(x)>g(x).若 h′(x)<0,则 h(x)在(a,b)上单调递减.同时 h(b)>0,即 f(x)>g(x).
(2020·全国卷Ⅱ)已知函数 f(x)=sin2xsin 2x. (1)讨论 f(x)在区间(0,π)的单调性; (2)证明:fx≤3 8 3; (3)设 n∈N*,证明:sin2xsin22xsin24x·…·sin22nx≤34nn.
(1)解:f(x)=sin2xsin 2x=2sin3xcos x, 则 f′(x)=2(3sin2xcos2x-sin4x) =2sin2x(3cos2x-sin2x) =2sin2x(4cos2x-1) =2sin2x(2cos x+1)·(2cos x-1). f′(x)=0 在(0,π)上的根为 x1=π3,x2=23π.
关于放缩构造法证明不等式 导数的综合应用题中,最常见的就是 ex 和 ln x 与其他代数式结合 的问题,对于这类问题,可以先对 ex 和 ln x 进行放缩,使问题简化, 便于化简或判断导数的正负.常见的放缩不等式如下: (1)ex≥1+x,当且仅当 x=0 时取等号. (2)ex≥ex,当且仅当 x=1 时取等号.
已知函数 f(x)=x2-(a-2)x-aln x(a∈R).
(1)求函数 y=f(x)的单调区间;
(2)当 a=1 时,证明:对任意的 x>0,f(x)+ex>x2+x+2. (1)解:函数 f(x)的定义域是(0,+∞),f′(x)=2x-(a-2)-ax
=x+1x2x-a. 当 a≤0 时,f′(x)>0 对任意 x∈(0,+∞)恒成立,
已知 f(x)=xln x. (1)求函数 f(x)的最小值; (2)证明:对一切 x∈(0,+∞),都有 ln x>e1x-e2x成立.
(1)解:由 f(x)=xln x,x>0,得 f′(x)=ln x+1.令 f′(x)=0,得 x
=1e. 当 x∈0,1e时,f′(x)<0,f(x)单调递减; 当 x∈1e,+∞时,f′(x)>0,f(x)单调递增. 所以 f(x)的极小值即最小值,为 f 1e=-1e.
考点 2 放缩构造法——综合性
函数 f(x)=(x+b)(ex-a)(b>0)的图像在(-1,f(-1))处的切线 方程是(e-1)x+ey+e-1=0.
(1)求 a,b 的值; (2)若 m≤0,证明:f(x)≥mx2+x.
(1)解:由(e-1)x+ey+e-1=0 得切线的斜率为-e-e 1且 f(-1)= 0,
当 x 变化时,g′(x)和 g(x)变化情况如下表:
x
(0,x0)
x0
(x0,+∞)
g′(x)
-Hale Waihona Puke 0+g(x)
极小值
g(x)min=g(x0)=ex0-ln x0-2=x10+x0-2. 因为 x0>0,且 x0≠1,
所以 g(x)min>2-2=0,
因此不等式得证.
令 g(x)=(x+1)(ex-1)-x, 则 g′(x)=(x+2)ex-2.
当 x≤-2 时,g′(x)<0. 当 x>-2 时,设 h(x)=g′(x)=(x+2)ex-2, 则 h′(x)=(x+3)ex>0,故函数 g′(x)在(-2,+∞)上单调递增.
又 g′(0)=0, 所以当 x∈(-∞,0)时,g′(x)<0,函数 g(x)在区间(-∞,0)上单 调递减; 当 x∈(0,+∞)时,g′(x)>0,函数 g(x)在区间(0,+∞)上单调递 增. 所以 g(x)min=g(0)=0. 所以 g(x)≥g(0)=0, 所以(x+1)(ex-1)≥x≥mx2+x, 故 f(x)≥mx2+x.
(1)解:函数 f(x)=ln x-x+1 的定义域为(0,+∞),f′(x)=1x-1. 令 f′(x)=0,解得 x=1.
当 0<x<1 时,f′(x)>0,f(x)单调递增; 当 x>1 时,f′(x)<0,f(x)单调递减. (2)证明:由(1)知 f(x)在 x=1 处取得最大值,最大值为 f(1)=0.所 以当 x≠1 时,ln x<x-1.故当 x∈(1,+∞)时,0<ln x<x-1,所以xl-n x1 >1.用1x代换 x 得 ln 1x<1x-1<0,所以xl-n x1<x.即 1<xl-n x1<x.
第三章 导数及其应用
第3课时
第2节 导数的应用 利用导数证明不等式——构造
法证明不等式
01
关键能力·研析考点强“四翼”
考点1 移项作差构造函数证明不等式——综合性 考点2 放缩构造法——综合性 考点3 构造双函数法——应用性
考点 1 移项作差构造函数证明不等式——综合性
设函数 f(x)=ln x-x+1. (1)讨论 f(x)的单调性; (2)证明:当 x∈(1,+∞)时,1<xl-n x1<x; (3)设 c>1,证明:当 x∈(0,1)时,1+(c-1)x>cx.
(2)证明:问题等价于证明 xln x>exx-2e(x∈(0,+∞)). 由(1)可知 f(x)=xln x(x∈(0,+∞))的最小值是-1e,当且仅当 x=1e
时取到. 设 m(x)=exx-2e(x∈(0,+∞)),
则 m′(x)=1-ex x.
由 m′(x)<0,得 x>1 时,m(x)单调递减; 由 m′(x)>0,得 0<x<1 时,m(x)单调递增. 易知 m(x)max=m(1)=-1e. 从而对一切 x∈(0,+∞),xln x≥-1e≥exx-2e,又两个等号不同时 取到, 即对一切 x∈(0,+∞),都有 ln x>e1x-e2x成立.
=(sin3xsin32xsin34x·…·sin32nx)
=[sin x(sin2xsin 2x)(sin22xsin 4x)·
…·(sin22n-1xsin 2nx)sin22nx] ≤
sin
x×3
8
3×3
8
3×…×3
8
3×sin22nx
≤3
8
3n
=34n=34nn.
考点 3 构造双函数法——应用性
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又 g(0)=g(1)=0,故当 0<x<1 时,g(x)>0.
所以当 x∈(0,1)时,1+(c-1)x>cx.
将本例函数改为“f(x)=ln xx-1-cx(c∈R) ”. 若 1<c<2,求证:f(x)<-1. 证明:f(x)的定义域为 x>0, f(x)<-1 等价于ln xx-1- cx<-1, 等价于 cx2-x+1-ln x>0.
所以,函数 f(x)在区间(0,+∞)上单调递增.
当 a>0 时,由 f′(x)>0 得 x>a2; 由 f′(x)<0,得 0<x<a2. 所以函数 f(x)在区间a2,+∞上单调递增,在区间0,a2上单调递 减.
(2)证明:当 a=1 时,f(x)=x2+x-ln x. 要证明 f(x)+ex>x2+x+2, 只需证明 ex-ln x-2>0. 设 g(x)=ex-ln x-2,则问题转化为证明对任意的 x>0,g(x)>0. 令 g′(x)=ex-1x=0,得 ex=1x, 易知方程有唯一解,不妨设为 x0,
所以 f(-1)=(-1+b)1e-a=0,解得 a=1e或 b=1. 又 f′(x)=(x+b+1)ex-a,
所以 f′(-1)=be-a=-e-e 1. 若 a=1e,则 b=2-e<0,与 b>0 矛盾;
若 b=1,则 a=1.故 a=1,b=1.
(2)证明:由(1)可知,f(x)=(x+1)(ex-1).由 m≤0,可得 x≥mx2 +x.
(3)证明:设 g(x)=1+(c-1)x-cx,则 g′(x)=c-1-cxln c.
c-1
令
g′(x0)=0,解得
ln x0=
ln ln c
c
.
当 x<x0 时,g′(x)>0,g(x)单调递增;
当 x>x0 时,g′(x)<0,g(x)单调递减. 由(2)知 1<cl-n c1<c,故 0<x0<1.
(3)当 x≥0 时,ex≥1+x+12x2 ,当且仅当 x=0 时取等号. (4)当 x≥0 时,ex≥2ex2+1, 当且仅当 x=0 时取等号. (5)x-x 1≤ln x≤x-1≤x2-x,当且仅当 x=1 时取等号. (6)当 x≥1 时,2xx+-11≤ln x≤x-x1,当且仅当 x=1 时取等号.
x (-∞,-1) -1
(-1,0)
0 (0,+∞)
f′(x)
-
0
+
0
-
f(x)
极小值
极大值
所以当 x=-1 时,f(x)极小值=f(-1)=1-2+2×1e=2e-1; 当 x=0 时,f(x)极大值=f(0)=0.
(2)证明:要证明 f(x)-2x+x2+x3<-2eln x.即证 2ex-x2-2x>
结合(1)的结论,计算得 f(0)=f(π)=0,
f
π3=
232×
23=3 8 3,f
23π=
232×-
23=-3
8
3 .
据此得
f(x)max=3
8
3,f(x)min=-3
8
3,所以fx≤3
8
3 .
(3)证明:结合(2)的结论fx≤3 8 3得sin2xsin 2x≤3 8 3, 所以 sin2xsin22xsin24x·…·sin22nx
当 x∈0,π3时,f′(x)>0,f(x)单调递增; 当 x∈π3,23π时,f′(x)<0,f(x)单调递减; 当 x∈23π,π时,f′(x)>0,f(x)单调递增.
(2)证明:注意到 f(x+π)=sin2 (x+π)·sin[2(x+π)]=sin2xsin 2x
=f(x). 故函数 f(x)是周期为 π 的函数.
2eln x
x(x>0).
令 g(x)=2ex-x2-2x(x>0),
h(x)=2elxn x(x>0). g′(x)=2(ex-x-1),g″(x)=2(ex-1)>0,所以 g′(x)在(0,+∞)
上单调递增,g′(x)>g′(0)=0.
所以 g(x)在(0,+∞)上单调递增,g(x)>g(0)=2. h′(x)=2e1-x2 ln x,可得 h(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞) 上单调递减, 所以 h(x)≤h(e)=2.
又 g(x)与 h(x)取最值点不同, 所以 g(x)>h(x)在(0,+∞)恒成立,
故 2ex-x2-2x>2elxn x(x>0). 所以当 x>0 时,f(x)-2x+x2+x3<-2eln x.
构造双函数法证明不等式的适用情形 在证明不等式时,若待证不等式的变形无法转化为一个函数的最 值问题,可借助两个函数的最值证明,如证 f(x)≥g(x)在 D 上恒成立, 只需证明 f(x)min≥g(x)max 即可.
已知函数 f(x)=x2+2x-2xex. (1)求函数 f(x)的极值; (2)当 x>0 时,证明 f(x)-2x+x2+x3<-2eln x.
(1)解:因为函数 f(x)=x2+2x-2xex(x∈R),
所以 f′(x)=2x+2-2ex-2xex=(2x+2)(1-ex). 由 f′(x)=0,得 x=-1 或 x=0,列表如下:
设 h(x)= cx2-x+1-ln x, 只需证 h(x)>0 成立. h′(x)=2cx-1-1x=2cx2-x x-1,1<c<2. 易知 2cx2-x-1=0 有两个异号的根.
令其正根为 x0,则 2cx20-x0-1=0.
则在(h0(,x)x的0)最上小h′值(为x)<h0(,x0)在=(cxx020,-+x0∞+)1上-lhn′x0(=x)>10+2,x0-x0+1-ln x0 =3-2 x0-ln x0.
又 h′(1)=2c-2>0,h′12=c-3<0, 所以12<x0<1. 所以3-2 x0>0,-ln x0>0. 因此3-2 x0-ln x0>0,即 h(x0)>0. 所以 h(x)>0. 所以 1<c<2 时,f(x)<-1.
利用导数证明不等式 f(x)>g(x)的基本方法 (1)若 f(x)与 g(x)的最值易求出,可直接转化为证明 f(x)min>g(x)max. (2)若 f(x)与 g(x)的最值不易求出,可构造函数 h(x)=f(x)-g(x).若 h′(x)>0,则 h(x)在(a,b)上单调递增.同时 h(a)>0,即 f(x)>g(x).若 h′(x)<0,则 h(x)在(a,b)上单调递减.同时 h(b)>0,即 f(x)>g(x).
(2020·全国卷Ⅱ)已知函数 f(x)=sin2xsin 2x. (1)讨论 f(x)在区间(0,π)的单调性; (2)证明:fx≤3 8 3; (3)设 n∈N*,证明:sin2xsin22xsin24x·…·sin22nx≤34nn.
(1)解:f(x)=sin2xsin 2x=2sin3xcos x, 则 f′(x)=2(3sin2xcos2x-sin4x) =2sin2x(3cos2x-sin2x) =2sin2x(4cos2x-1) =2sin2x(2cos x+1)·(2cos x-1). f′(x)=0 在(0,π)上的根为 x1=π3,x2=23π.
关于放缩构造法证明不等式 导数的综合应用题中,最常见的就是 ex 和 ln x 与其他代数式结合 的问题,对于这类问题,可以先对 ex 和 ln x 进行放缩,使问题简化, 便于化简或判断导数的正负.常见的放缩不等式如下: (1)ex≥1+x,当且仅当 x=0 时取等号. (2)ex≥ex,当且仅当 x=1 时取等号.
已知函数 f(x)=x2-(a-2)x-aln x(a∈R).
(1)求函数 y=f(x)的单调区间;
(2)当 a=1 时,证明:对任意的 x>0,f(x)+ex>x2+x+2. (1)解:函数 f(x)的定义域是(0,+∞),f′(x)=2x-(a-2)-ax
=x+1x2x-a. 当 a≤0 时,f′(x)>0 对任意 x∈(0,+∞)恒成立,
已知 f(x)=xln x. (1)求函数 f(x)的最小值; (2)证明:对一切 x∈(0,+∞),都有 ln x>e1x-e2x成立.
(1)解:由 f(x)=xln x,x>0,得 f′(x)=ln x+1.令 f′(x)=0,得 x
=1e. 当 x∈0,1e时,f′(x)<0,f(x)单调递减; 当 x∈1e,+∞时,f′(x)>0,f(x)单调递增. 所以 f(x)的极小值即最小值,为 f 1e=-1e.
考点 2 放缩构造法——综合性
函数 f(x)=(x+b)(ex-a)(b>0)的图像在(-1,f(-1))处的切线 方程是(e-1)x+ey+e-1=0.
(1)求 a,b 的值; (2)若 m≤0,证明:f(x)≥mx2+x.
(1)解:由(e-1)x+ey+e-1=0 得切线的斜率为-e-e 1且 f(-1)= 0,