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5.4 导数与不等式

导数及其应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用导数判断函数单调性,进而证明或求解含参不等式恒成立问题的方法。

从哪来 本知识点建立在 4.2 导数与单调性 和 4.4 导数与最值 之上。核心逻辑是:若 $f(x) \ge g(x)$ 恒成立,等价于 $h(x) = f(x) - g(x) \ge 0$ 恒成立,即 $h(x)_{min} \ge 0$。求最值依赖单调性分析。

为什么 不等式证明的本质是比较两个量的大小。直接比较代数式往往困难,但函数图像的高低关系直观。 1. 转化思想:将“$A \ge B$”转化为“$A - B \ge 0$”,构造新函数 $h(x) = A - B$。 2. 动态视角:导数 $h'(x)$ 描述了 $h(x)$ 的变化趋势(增减)。 3. 极值决定最值:通过 $h'(x)$ 的符号确定 $h(x)$ 的单调区间,从而找到最小值。若最小值非负,则整个函数值非负,原不等式得证。 这是将“静态的不等式关系”转化为“动态的函数性质”的过程,利用了导数作为“变化率”的工具属性。

适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生** **核心:构造函数法(直接法)** 1. **移项
将不等式右边移到左边,令 $f(x) = \text{左边} - \text{右边}$。 2. 求导:计算 $f'(x)$。 3. 判号:分析 $f'(x)$ 的正负区间。 - 若 $f'(x) \ge 0$ 恒成立,则 $f(x)$ 单调递增,只需验证端点值或最小值 $\ge 0$。 - 若 $f'(x)$ 有变号点,求极值点,比较极值与 0 的大小。 4. 结论:若 $f(x)_{min} \ge 0$,则原不等式成立。 *口诀:移项构造,求导判号,最值定生死。*
适合:对复杂导数运算感到恐惧、喜欢直观理解的学生** **核心:分离参数法(降维打击)** 当不等式中含有参数 $a$,且 $a$ 可以单独分离出来时(如 $a \le \frac{f(x)}{g(x)}$): 1. **分离
将参数 $a$ 移到一边,其余部分移到另一边,得到 $a \le h(x)$ 或 $a \ge h(x)$。 2. 求最值:此时问题转化为求不含参函数 $h(x)$ 的最值。 3. 比较: - 若 $a \le h(x)$ 恒成立,则 $a \le h(x)_{max}$。 - 若 $a \ge h(x)$ 恒成立,则 $a \ge h(x)_{min}$。 *优势:避免了处理含参导数的复杂因式分解,将“恒成立问题”转化为“求最值问题”。*
适合:基础薄弱、容易在导数符号判断上出错的学生** **核心:切线放缩法(局部线性化)** 利用常见函数的切线方程进行放缩。 1. **识别结构
看到 $e^x$ 想到 $e^x \ge x+1$(在 $x=0$ 处的切线);看到 $\ln x$ 想到 $\ln x \le x-1$。 2. 原理:凸函数图像在切线上方,凹函数图像在切线下方。 3. 应用: - 证明 $e^x - x - 1 \ge 0$:直接引用 $e^x \ge x+1$。 - 证明 $\ln x \le x - 1$:直接引用 $\ln x \le x - 1$。 *注意:此法适用于特定结构,需记忆常用切线不等式,是快速解题的“捷径”,但需先掌握导数法作为基础。*
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练一道
基础题
已知函数 $f(x) = x - \ln x$,证明:当 $x > 0$ 时,$f(x) \ge 1$。
变式
已知函数 $f(x) = e^x - ax - 1$,若对任意 $x \in \mathbb{R}$,都有 $f(x) \ge 0$ 恒成立,求实数 $a$ 的取值范围。
试试手自己判
检测题
已知函数 $f(x) = x^2 - 2ax + 1$,若对任意 $x \in [1, 2]$,都有 $f(x) \ge 0$ 恒成立,求实数 $a$ 的取值范围。
看答案和判分标准
答案:$a \le 1$
判对标准:
1. 方法正确:学生应识别出这是二次函数在闭区间上的最值问题,或利用导数求最值。
- 若用导数:$f'(x) = 2x - 2a$。对称轴 $x=a$。
- 需讨论 $a$ 与区间 $[1, 2]$ 的位置关系:
- 若 $a \le 1$,$f(x)$ 在 $[1, 2]$ 单调递增,最小值 $f(1) = 2 - 2a \ge 0 \Rightarrow a \le 1$。
- 若 $1 < a < 2$,最小值 $f(a) = 1 - a^2 \ge 0 \Rightarrow -1 \le a \le 1$,与 $1 < a < 2$ 无交集,舍去。
- 若 $a \ge 2$,$f(x)$ 在 $[1, 2]$ 单调递减,最小值 $f(2) = 5 - 4a \ge 0 \Rightarrow a \le 5/4$,与 $a \ge 2$ 无交集,舍去。
- 综上,$a \le 1$。
2. 结果准确:最终答案必须为 $a \le 1$(或 $(-\infty, 1]$)。
3. 过程完整:必须体现对定义域 $[1, 2]$ 的考虑,不能只在 $\mathbb{R}$ 上讨论判别式 $\Delta \le 0$(那是全局恒成立,本题是局部恒成立,判别式法在此题中若直接用 $\Delta \le 0$ 会得出 $a^2 \le 1 \Rightarrow -1 \le a \le 1$,这是错误的,因为题目只要求在 $[1,2]$ 上成立,范围可以更大,例如 $a=0.5$ 时 $\Delta > 0$ 但在 $[1,2]$ 上仍非负。*注:本题若用判别式法需结合对称轴位置,单纯 $\Delta \le 0$ 是充分非必要条件,会漏解吗?不,$\Delta \le 0$ 是 $a \in [-1,1]$。而正确答案是 $a \le 1$。例如 $a=0.8$,$\Delta = 4(0.64)-4 < 0$,成立。$a=1.2$,$\Delta > 0$,但在 $[1,2]$ 上 $f(1)=2-2.4=-0.4 < 0$,不成立。等等,我上面的推导 $a \le 1$ 是对的。让我们重新检查 $a=1.2$ 的情况。$f(x) = x^2 - 2.4x + 1$。$f(1) = 1 - 2.4 + 1 = -0.4 < 0$。确实不成立。那 $a=0.5$ 呢?$f(x) = x^2 - x + 1$,$\Delta < 0$,恒正,成立。那 $a=-10$ 呢?$f(x) = x^2 + 20x + 1$,在 $[1,2]$ 上递增,$f(1) = 22 > 0$,成立。所以 $a$ 可以很小。判别式法 $\Delta \le 0$ 得到 $a \in [-1, 1]$,但这只是充分条件。实际上 $a$ 可以小于 -1。例如 $a=-2$,$f(x)=x^2+4x+1$,在 $[1,2]$ 上 $f(1)=6>0$,成立。所以判别式法会漏解 $a < -1$ 的部分。因此,必须用单调性/最值法。*
- 关键判分点:学生若仅使用 $\Delta \le 0$ 得出 $[-1, 1]$,判错。必须体现区间端点或对称轴与区间的关系。
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