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例題精講 · 第 00010 題 · 分離參數·構造新函數

導數壓軸常以「恆成立求參數範圍」與「證明不等式」出現,本質是同一件事:把問題轉成求最值。本組三道自編仿真題依次練:分離參數法求 a 的取值範圍、不能直接分離時構造 g(x) 求最值、利用導數證明 e^x ≥ x + 1 型不等式並作變式遷移。每題給出完整推導、端點與等號討論、採分點和高頻錯因。

00010題號全 1000 篇 · 第 第2輪 / 第2冊 輪
方向數學·導數與解三角形六向之一
題型自編仿真題逐題精講 · 采分點拆解

題目性質:自編仿真題——按課程標準與聯招常見考點範圍編寫,非真題原文;解析與採分點為教研整理,非官方評分標準。

例題精講 · 數學導數(二)

一、一句話總綱

「f(x) ≥ 0 對任意 x∈D 恆成立」 ⇔ f(x) 在 D 上的最小值 ≥ 0;「存在 x 使 f(x) ≥ 0」 ⇔ 最大值 ≥ 0。含參時兩條路:能分離參數就分離(把 a 單獨留在一邊,另一邊求最值),不能分離就構造新函數直接研究單調性。等號能否取到、端點是否包含在 D 內,必須寫清。

二、題1 分離參數法

題目 若不等式 x² − a x + 1 ≥ 0 對任意 x ∈ (0, 2] 恆成立,求實數 a 的取值範圍。

審題眼 x > 0,可兩邊除以 x分離 a;區間是左開右閉,端點要不要取到必須交代。

規範作答

因 x ∈ (0, 2],x > 0,原不等式等價於 a ≤ (x² + 1)/x = x + 1/x 對任意 x ∈ (0, 2] 恆成立。
設 h(x) = x + 1/x,則條件等價於 a ≤ h(x)min。

h′(x) = 1 − 1/x² = (x² − 1)/x²。當 0 < x < 1 時 h′ < 0(遞減),當 1 < x ≤ 2 時 h′ > 0(遞增),故 h(x) 在 x = 1 處取得最小值 h(1) = 1 + 1 = 2。

所以 a ≤ 2。

驗算與端點討論 ① x=1 屬於 (0,2],最小值能取到,故 a=2 時不等式為 x² −2x +1 = (x−1)² ≥ 0,恆成立 ✓;② 若 a > 2,取 x=1 即得 2 − a < 0,不成立 ✓;③ x→0⁺ 時 h(x)→+∞,不構成約束;右端點 x=2 時 h(2)=2.5 > 2,也不構成約束。

採分點 由 x>0 說明可除、完成分離(2分);寫出「a ≤ h(x)min」這一轉化(2分,本題最關鍵一步);求導並判單調區間(2分);求出最小值 2(1分);結論 a ≤ 2 並說明等號可取(2分)。

易錯點 ① 分離時不等號方向弄反(除以正數不變號,但很多同學下意識反過來);② 寫成 a ≥ hmin(把「恆成立」與「存在」搞混);③ 只求極值不驗證它是不是區間內最小值;④ 忘記說明 x=1 在區間內、等號成立。

三、題2 不能分離時:構造新函數

題目 設 f(x) = ex − a x − 1。若 f(x) ≥ 0 對任意 x ∈ R 恆成立,求 a 的取值範圍。

審題眼 x 可取 0 與負值,無法把 a 乾淨地除到一邊(除 x 要變號、x=0 還除不得)。改走構造法,直接研究 f 的最小值,並對 a 分類。

規範作答

f′(x) = ex − a,且 f(0) = 1 − 0 − 1 = 0。注意到 f(0)=0 是本題題眼:既然要求 f(x) ≥ 0 恆成立,x=0 必須是最小值點(或之一),否則 0 附近必出現負值。

① a ≤ 0:ex > 0 ≥ a,故 f′(x) = ex − a > 0 恆成立,f 在 R 上單調遞增。於是 x < 0 時 f(x) < f(0) = 0,不滿足。
② a > 0:令 f′(x)=0 得 x = ln a。x < ln a 時 f′<0(遞減),x > ln a 時 f′>0(遞增),故 f 在 x = ln a 處取得全局最小值 f(ln a) = a − a ln a − 1 = a(1 − ln a) − 1。
要求 f(ln a) ≥ 0,即 a(1 − ln a) ≥ 1。設 φ(a) = a(1 − ln a) − 1(a>0),φ′(a) = (1 − ln a) + a·(−1/a) = −ln a。
當 0 < a < 1 時 φ′ > 0(遞增),a > 1 時 φ′ < 0(遞減),故 φ(a) 在 a = 1 取最大值 φ(1) = 1·(1−0) −1 = 0。因此 φ(a) ≥ 0 僅當 a = 1。

綜上,a = 1(此時 f(x)=ex − x − 1 ≥ 0,即題3 的經典不等式)。

採分點 寫出 f(0)=0 並指出 x=0 須為最小值點(2分,最值思路的題眼);對 a 分類(2分);a>0 時求極小點 ln a 與最小值表達式(2分);構造 φ(a) 並求其最大值 0(2分);結論 a=1(1分);驗證(1分)。

易錯點 ① 強行分離參數、忽略 x=0 與除 x 變號;② 漏掉 a ≤ 0 一類(此時 f 單調遞增,左側必為負);③ 求出 f(ln a) 後直接令其 =0 而不論證「只有 a=1 能滿足 ≥0」;④ 忘記 f(0)=0 這個免費條件,繞遠路。

四、題3 用導數證明不等式(含變式)

題目 (1) 證明:對任意 x ∈ R,ex ≥ x + 1。
(2) 利用 (1) 的結論證明:當 x > 0 時,ln x ≤ x − 1。

(1) 規範作答

構造 g(x) = ex − x − 1。g′(x) = ex − 1。
x < 0 時 ex < 1,g′ < 0(遞減);x > 0 時 ex > 1,g′ > 0(遞增)。故 g(x) 在 x = 0 處取得全局最小值 g(0) = 1 − 0 − 1 = 0。
因此 g(x) ≥ 0,即 ex ≥ x + 1,等號當且僅當 x = 0 時成立。

(2) 規範作答(換元遷移)

在 (1) 中令 x = ln t(t > 0),得 eln t ≥ ln t + 1,即 t ≥ ln t + 1,整理得 ln t ≤ t − 1。把 t 改寫為 x,即 ln x ≤ x − 1(x > 0),等號當且僅當 x = 1 時成立。

另法(構造法,用於互驗):設 u(x) = ln x − x + 1(x>0),u′(x) = 1/x − 1 = (1−x)/x。0<x<1 時 u′>0,x>1 時 u′<0,故 u 在 x=1 取最大值 u(1)=0,即 u(x) ≤ 0,得 ln x ≤ x − 1 ✓ 兩法一致。

採分點 (1) 構造 g 並求導(2分);分區間判單調(2分);指出 x=0 為最小值點並算出 g(0)=0(2分);寫出結論與等號條件(1分);(2) 正確換元 t = ex 方向的替換(1分);整理與等號條件(1分)。

易錯點 ① 只證了 x ≥ 0 一側(必須兩側單調都寫);② 不寫「全局最小」,只說「x=0 時等於 0」;③ 漏等號成立條件;④ (2) 換元方向寫反(令 x = et 而不是 t = ex,需保持一致)。

五、恆成立/證明題書寫清單

  • □ 先把文字翻成最值:∀ 恆成立 ⇔ 最小值 ≥ 0;∃ 成立 ⇔ 最大值 ≥ 0;
  • □ 含參先看能否分離參數;除以變量前確認符號,含 0 的區間不要硬除;
  • □ 不能分離就構造新函數,求導 → 判單調 → 求最值,參數按使導數變號的臨界值分類;
  • □ 善用免費條件:f(0)=0、端點值、特殊點代入,常直接指出最小值點;
  • □ 端點開閉與等號能否取到必須寫:a ≤ 2 與 a < 2 只差一字,分就差在這裡;
  • □ 證明不等式收尾寫「等號當且僅當 x = …」;
  • □ 用換元或第二構造法回驗一遍,30 秒能查出單調區間判反。

恆成立與不等式證明,看著是兩類題,其實都是「把不等式變成一個函數的最小值問題」。會轉化,壓軸題的第一問就穩了。

編寫說明與學科依據

本文為備考教研體例稿:題目系按課程標準與聯招常見考點範圍編寫的仿真練習題,非真題原文;文中案例為示意內容,非真實記錄;文末欄目為學科依據說明,非逐條引文。涉及報考、錄取、證件、居留、資助等事項,一律以當年官方文件與學校正式通知為準。

學科依據:

  • 人教版高中數學選擇性必修第二冊:導數與函數單調性、極值最值、導數在不等式中的應用
  • 《普通高等學校聯合招收華僑港澳臺學生考試大綱(數學科)》:導數及其應用考查範圍(僅作命題範圍參照,本文題目未與真題逐題比對)
  • 編寫說明:題目與解析為按常見考點編寫的教研整理,非官方試題與官方評分標準

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聯招數學·導數應用(二):恆成立求參與不等式證明
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