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2.3 放缩技巧

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 利用已知不等式或函数性质,将复杂式子放大或缩小为易处理形式以证明不等式的技巧。

从哪来 主要建立在 5.4 导数与不等式 和 4.2 导数与单调性 之上。通过研究函数单调性确定函数值范围,进而构建放缩依据。

为什么 直接证明复杂不等式往往困难,而放缩本质是寻找“中间桥梁”。 1. 化繁为简:将难以直接比较的复杂表达式,转化为已知大小关系明确的简单表达式(如常数、单项式)。 2. 利用单调性:由 $f'(x)$ 的符号确定 $f(x)$ 的单调性,从而得到 $f(x) > f(x_0)$ 或 $f(x) < f(x_0)$ 等基础不等式,这是放缩的核心来源。 3. 方向性:放缩必须保持不等号方向一致(同向放缩),若方向相反则无法传递结论。

“切线放缩法”——适合逻辑严密、擅长代数推导的学生** 核心思想:利用函数在极值点或特定点的切线方程进行放缩。 1. 若 $f(x)$ 在 $x_0$ 处取得极小值,则 $f(x) \ge f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0)$。 2. 若 $f''(x) > 0$(下凸),切线在曲线下方,即 $f(x) \ge$ 切线方程;若 $f''(x) < 0$(上凸),切线在曲线上方。 3. **操作
找到关键点(如 $x=1$ 或 $x=e$),写出切线方程,直接替换原函数。 *示例*:证明 $e^x \ge x+1$。因为 $f(x)=e^x-x-1$ 在 $x=0$ 处取极小值 0,故 $e^x \ge x+1$。
“对数/指数均值不等式”——适合记忆能力强、喜欢公式套用的学生** 核心思想:熟记几个经典放缩公式,直接调用。 1. **对数
$\ln x \le x-1$ (当且仅当 $x=1$ 取等号)。 2. 指数:$e^x \ge x+1$ (当且仅当 $x=0$ 取等号)。 3. 三角:$\sin x \le x$ ($x \ge 0$)。 4. 分式:$\frac{1}{n} < \ln(n+1) - \ln n$。 *操作*:看到 $\ln$ 或 $e$ 就尝试用上述公式替换,将超越函数转化为多项式或分式处理。
“裂项相消/积分估值”——适合直观思维强、理解面积含义的学生** 核心思想:利用积分的几何意义(面积)或数列裂项进行放缩。 1. **积分估值
若 $f(x)$ 单调递增,则 $\int_a^b f(x)dx$ 介于左端点矩形面积和右端点矩形面积之间。 例如:$\frac{1}{n} < \int_{n-1}^n \frac{1}{x} dx = \ln n - \ln(n-1)$。 2. 裂项:将 $\frac{1}{n(n+1)}$ 放缩为 $\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}$ 或类似形式,便于求和。 *操作*:当题目涉及求和 $S_n$ 时,优先考虑将通项 $a_n$ 放缩为可裂项的形式。
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练一道
基础题
已知 $f(x) = e^x - x - 1$,证明:当 $x > 0$ 时,$e^x > x + 1$。
变式
证明:$\ln 2 + \ln 3 + \dots + \ln n < \frac{n(n-1)}{2}$ ($n \ge 2$)。
试试手自己判
检测题
证明:当 $x > 0$ 时,$\ln(1+x) < x$。
看答案和判分标准
答案:构造 $f(x) = x - \ln(1+x)$。 $f'(x) = 1 - \frac{1}{1+x} = \frac{x}{1+x}$。 当 $x > 0$ 时,$f'(x) > 0$,故 $f(x)$ 单调递增。 $f(0) = 0$。 所以当 $x > 0$ 时,$f(x) > f(0) = 0$,即 $x > \ln(1+x)$。
判对标准:
1. 正确构造函数 $f(x) = x - \ln(1+x)$ 或类似形式(1分)。
2. 正确求导并判断 $x>0$ 时导数符号为正(1分)。
3. 正确利用 $f(0)=0$ 得出 $f(x)>0$ 的结论(1分)。
4. 最终写出不等式 $\ln(1+x) < x$(1分)。
*注:若使用 $\ln x < x-1$ 直接代入 $1+x$ 得 $\ln(1+x) < x$,且能说明该不等式来源(如由 $e^t > t+1$ 推导),也可判对。
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