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专题四 利用导数证明函数不等式(一)
函数不等式的证明由于其形式多变,方法灵活,成为了近几年高考的一个热点与难点,它一般出现在压轴题的位置,解决起来比较困难.利用导数作为工具进行证明是证明函数不等式的一种常见方法,本专题总结了利用导数证明一个未知数的函数不等式的常见方法,希望同学们看后有所收获,提升利用导数证明函数不等式的能力.
模块1 整理方法 提升能力
对于一个未知数的函数不等式问题,其关键在于将所给的不等式进行“改造”,得到一平一曲、两曲两种模式中的一种.
当出现一平一曲时,只需运用导数求出“曲”的最值,将其与“平”进行比较即可.
当出现两曲时,如果两个函数的凸性相同,则可以考虑通过曲线进行隔离.由于隔离曲线的寻找难度较大,所以我们一般希望两个函数的凸性相反.当两个函数的凸性相反时,则可以寻找直线(常选择公切线或切线)实现隔离放缩,当然最理想的直线状态是该直线与轴平行或重合.
当改造的过程中出现一斜一曲时,一般要将其继续改造,要么将其化归到一边,转化为一平一曲,要么将其转化为两曲.
常用不等式的生成
在不等式“改造”或证明的过程中,可借助题目的已知结论、均值不等式、函数单调性、与、有关的常用不等式等方法进行适当的放缩,再进行证明.下面着重谈谈与、有关的常用不等式的生成.
生成一:利用曲线的切线进行放缩
设上任一点的横坐标为,则过该点的切线方程为,即,由此可得与有关的不等式:,其中,,等号当且仅当时成立.特别地,当时,有;当时,有.
设上任一点的横坐标为,则过该点的切线方程为,即,由此可得与有关的不等式:,其中,,等号当且仅当时成立.特别地,当时,有;当时,有.
利用切线进行放缩,能实现以直代曲,化超越函数为一次函数.
生成二:利用曲线的相切曲线进行放缩
由图可得;由图可得;由图可得,(),();由图可得,(),().
综合上述两种生成,我们可得到下列与、有关的常用不等式:
与有关的常用不等式:
(1)();
(2)().
与有关的常用不等式:
(1)();
(2)();
(3)(),();
(4)(),().
用取代的位置,相应的可得到与有关的常用不等式.
例1
设函数,曲线在点处的切线为.
(1)求、;
(2)证明:.
【解析】(1)因为,,而,所以,解得,.
【证明】(2)法1:(寻找公切曲线隔离)由(1)知,,于是.
由于混合了指数函数、对数函数和幂函数,比较复杂,所以可以考虑将指数函数、对数函数进行分离,改造为.
令,则,
由可得,由可得,
所以在上递减,在上递增.而
递减,所以两个函数的凸性相同(都是下
凸函数).此时,我们可以寻找与两个曲线都相切的曲线,将两个函数进行隔离,从而实现证明.
,令,则,由可得,由可得,所以在上递减,在上递增,所以,于是.
,令,则,由可得,由可得,所以在上递减,在上递增,所以,于是.
由于等号不能同时成立,所以.
法2:(寻找公切线隔离)由(1)知,,于是,将不等式改造为.
令,则.由可得,由可得,所以在上递减,在
上递增,所以.令,
则.由可得,由
可得,所以在上递增,在
上递减,所以.
两个函数的凸性相反.此时,我们可以寻找与两个曲线都相切的公切线,将两个函数进行隔离,又因为等号不能同时成立,所以.
【点评】法1中的两个函数凸性相同,因此需要寻找公切曲线进行隔离,公切曲线的寻找需要有一定的函数不等式放缩经验.该放缩与常用不等式以及有关,因此熟练掌握与、有关的常用不等式,能有效打开某些不等式的证明思路,使题目的难度降低.法2中的两个函数凸性相反,且两个函数的最值相同,此时可寻找到与轴平行的公切线,实现隔离放缩.
如何恰当地“改造”函数是解题的关键,这需要我们熟悉与、、四则运算组合后的函数,如:
(1)、、、…过原点,先减后增;
(2)、、、…过原点,先增后减;
(3)、、、…在上递减,在上先减后增;
(4)、、、…在上先减后增;
(5)、、、…在上先增后减;
(6)、、、…在上递减,在上先减后增.
例2
已知函数.
(1)求曲线在点处的切线方程;
(2)求证:当时,.
【解析】(1),因为在曲线上,且,所以切线方程为,即.
【证明】(2)法1:.
当时,,令,则,,于是在上递增.又因为,由可得,由可得,所以在上递减,在上递增,所以.
法2:.
当时,,由常见不等式(),可得,所以.
法3:令,则
,由可得,由可得或,所以在上递减,在上递增,在上递减.
的极小值为,由洛必达法则,可得,所以,即.
法4:.
令,则,,所以在上递增,又因为,由可得,由可得,所以在上递减,在上递增,所以.
法5:.当时,不等式成立,当时,.
,由可得或,由可得或,所以在上递增,在上递减,在上递增,在上递减.
因为,,所以,而,所以,即.
法6
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