[例谈导数在解决不等式问题中的工具作用] 考研常用的n阶导数公式

  导数是研究函数性质的一种重要工具。可用来求函数的单调区间、最大(小)值、函数的值域,等等。在处理与不等式有关的综合性问题时往往需要利用函数的性质,因此,可以利用导数作为工具得出函数性质解决问题。
  一、利用导数证明不等式
  (一)利用导数得出函数单调性来证明不等式。
  函数在某个区间上的导数值大于(或小于)0时,则该函数在该区间上单调递增(或递减)。因而在证明不等式时,根据不等式的特点,有时可以先构造函数,用导数证明该函数的单调性,然后用函数单调性达到证明不等式的目的。即把证明不等式转化为证明函数的单调性。具体有如下几种形式:
  1.直接构造函数,然后用导数证明该函数的增减性,来证明不等式成立。
  例1:求证:当x≥0时,1+2x-e≤0.
  证明:设f(x)=1+2x-e,f(0)=0
  ∵f′(x)=2-2e=2(1-e)
  ∴当x≥0时f′(x)≤0
  即f(x)在[0,+∞)上是减函数
  当x≥0时,f(x)≤f(0)=0
  当x≥0时,1+2x-e≤0.
  2.把不等式变形后再构造函数,然后利用导数证明该函数的单调性,达到证明不等式的目的。
  例2:已知:a,b∈R,b>a>e,求证:a>b.(e为自然对数的底)
  证:要证a>b只需证lna>lnb,即证:blna-alnb>0.
  设f(x)=xlna-alnx(x>a>e),则f′(x)=lna-.
  ∵a>e,x>a,∴lna>1,<1,∴f′(x)>0,因而f(x)在(e,+∞)上递增.
  ∵b>a,∴f(b)>f(a),故blna-alnb>alna-alna=0,即blna>alnb.
  所以a>b成立.
  (注意,此题若以a为自变量构造函数f(x)=blnx-xlnb(e<x<b),则f′(x)=lnb,f′(x)>0时x<时;f′(x)<0时x>,故f(x)在区间(e,b)上的增减性要由e与的大小而定,当然由题可以推测e>.
  故f(x)在区间(e,b)上递减,但要证明e>则需另费周折.因此,本题还是选择以a为自变量来构造函数比较好.由本例可知用函数单调性证明不等式时,如何选择自变量来构造函数是比较重要的.)
  (二)利用导数求出函数的最值(或值域)后,再证明不等式。
  导数的另一个作用是求函数的最值。因而在证明不等式时,根据不等式的特点,有时可以构造函数,用导数求出该函数的最值;由当该函数取最大(或最小)值时不等式都成立,可得该不等式恒成立。从而把证明不等式问题转化为函数求最值问题。
  例3:求证:n∈N,n≥3时,2>2n+1.
  证明:要证原式,即需证:2-2n-1>0,n≥3时成立.
  设f(x)=2-2x-1(x≥3),则f′(x)=22-2(x≥3),
  ∵x≥3,∴f′(x)≥2ln3-2>0,
  ∴f(x)在[3,+∞)上是增函数,
  ∴f(x)的最小值为f(3)=2-2×3-1=1>0.
  所以,n∈N,n≥3时,f(n)≥f(3)>0,即n≥3时,2-2n-1>0成立.
  例4:f(x)=x-x,x,x∈[-1,1]时,求证:|f(x)-f(x)|≤.
  证明:∵f′(x)=x-1,x∈[-1,1]时,f′(x)≤0,
  ∴f(x)在[-1,1]上递减.故f(x)在[-1,1]上的最大值为f(-1)=,最小值为f(1)=-,即f(x)在[-1,1]上的值域为[-,];
  所以x,x∈[-1,1]时,|f(x)|≤,|f(x)|≤,
  即有|f(x)-f(x)|≤|f(x)|+|f(x)|≤+=.
  二、利用导数解决不等式恒成立问题
  不等式恒成立问题,一般都会涉及到求参数范围,往往把变量分离后可以转化为m>f(x)(或m<f(x))恒成立,于是m大于f(x)的最大值(或m小于f(x)的最小值),从而把不等式恒成立问题转化为函数求最值问题。因此,利用导数求函数最值是解决不等式恒成立问题的一种重要方法。
  例5:设a>0,x+a|lnx-1|≥a,x∈[1,+∞)恒成立,求实数a的取值范围.
  解:当x≥e时
  令f(x)=x+a|lnx-1|,
  则f(x)=x+alnx-a
  ∴f′(x)=2x+
  ∴f′(x)>0,即f(x)在[e,+∞)上单调递增.
  ∴f(x)≥f(e)=e≥a
  ∴0<a≤e
  当1≤x<e时
  x-alnx+a≥a
  ∴a≤在[1,e)上恒成立
  令g(x)=,则
  g′(x)=
  ∴当x∈[1,e)时,g′(x)<0,即g(x)在x∈[1,e)单调递减;
  当x∈(e,e)时g′(x)>0,即g(x)在x∈(e,e)单调递增.
  ∴g(x)≥g(e)=2e
  ∴0<a<2e
  综上所述:0<a<2e.
  三、利用导数解不等式
  例6:函数f(x)=-ax(a>0),解不等式f(x)≤1.
  解:由题知f′(x)=-a=-a
  ①∵-1<<1
  ∴a≥1时,f′(x)<1-a<0恒成立,故f(x)在R上单调递减.
  又f(0)=1,所以x≥0时,f(x)≤f(0)=1,即a≥1时,f(x)≤1的解为{x|x≥0}.
  ②0<a<1时,若f′(x)=-a=-a=0,
  则x=或x=-.
  f′(x)>0时,解得x∈(-∞,-)∪(,+∞);
  f′(x)f′(x)<0时,解得x∈(-,),
  故f(x)在()上单调递减,
  f(x)在(-∞,-)或(,+∞)上单调递增,
  又f(x)=1时,解得x=0或x=,
  且0<a<1时0<<,
  所以0<a<1时f(x)≤1的解为{x|0≤x≤}.
  综上,a≥1时,f(x)≤1的解为{x|x≥0};
  0<a<1时,f(x)≤1的解为{x|0≤x≤}.
  总之,在解题过程中需要用到函数的单调性或最值,我们都可以用导数作工具来解决。这种解题方法也是转化与化归思想在中学数学中的重要体现。
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