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5.1 切线放缩

导数在函数零点与不等式中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
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 利用函数在某点的切线方程,结合凹凸性,将函数值放缩为一次线性函数。

从哪来 建立在 4.1 切线问题 和 5.4 导数与不等式 之上。

为什么 核心原理是函数的凹凸性。 若函数 $f(x)$ 在区间 $I$ 上二阶导数 $f''(x) > 0$(下凸/凹函数),则其图像位于任意切线的上方,即 $f(x) \ge f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0)$; 若 $f''(x) < 0$(上凸/凸函数),则图像位于任意切线的下方,即 $f(x) \le f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0)$。 切线放缩的本质是将复杂的非线性函数(如指数、对数、三角函数)局部线性化,从而简化不等式证明或求最值问题。

讲法
几何直观法 适合:视觉型思维、几何直觉较强的学生 1. 画出 $y=e^x$ 和 $y=\ln x$ 的图像。 2. 在 $x=0$ 处画 $e^x$ 的切线 $y=x+1$,观察图像始终在切线上方。 3. 在 $x=1$ 处画 $\ln x$ 的切线 $y=x-1$,观察图像始终在切线下方。 4. 结论:凸函数“托住”切线,凹函数“压住”切线。通过画图建立“切线是函数值的下界或上界”的直观印象。
讲法
泰勒公式降维法 适合:代数推导能力强、喜欢公式化思维的学生 1. 引入一阶泰勒展开:$f(x) \approx f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0)$。 2. 强调余项 $R_1(x)$ 的符号由 $f''(x)$ 决定。 3. 推导:若 $f''(x)>0$,则 $f(x) = f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0) + \frac{f''(\xi)}{2}(x-x_0)^2 > f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0)$。 4. 将放缩转化为严格的代数不等式证明,消除对图形的依赖。
讲法
构造函数法 适合:逻辑严密、擅长常规导数解题套路的学生 1. 欲证 $f(x) \ge ax+b$,构造 $g(x) = f(x) - (ax+b)$。 2. 求 $g'(x)$ 和 $g''(x)$。 3. 若 $g''(x) > 0$,则 $g'(x)$ 单调递增。 4. 若取 $x_0$ 使得 $g'(x_0)=0$,则 $g(x)$ 在 $x_0$ 处取极小值。 5. 计算 $g(x_0)$,若 $g(x_0) \ge 0$,则原不等式成立。此法将“放缩”转化为“求最值”,是导数大题的标准解法。
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练一道
基础题
证明不等式 $e^x \ge x + 1$ 对任意 $x \in \mathbb{R}$ 成立。
变式
证明 $\ln x \le x - 1$ 对任意 $x > 0$ 成立。
试试手自己判
检测题
利用切线放缩证明:$\sin x \le x$ 对任意 $x \in [0, \frac{\pi}{2}]$ 成立。
看答案和判分标准
答案:令 $f(x) = \sin x - x$。 $f'(x) = \cos x - 1$,$f''(x) = -\sin x$。 在 $x \in (0, \frac{\pi}{2}]$ 时,$f''(x) < 0$,故 $f(x)$ 为上凸函数。 取 $x_0 = 0$,$f(0) = 0$,$f'(0) = 0$。 由上凸性,$f(x) \le f(0) + f'(0)(x-0) = 0$。 即 $\sin x - x \le 0 \Rightarrow \sin x \le x$。
判对标准:
1. 正确构造辅助函数 $f(x) = \sin x - x$(或类似变形)。
2. 正确计算二阶导数并判断符号为负(上凸)。
3. 正确选取切点 $x=0$ 并计算 $f(0)$ 和 $f'(0)$。
4. 得出 $f(x) \le 0$ 的结论。
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