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先探尋充分條件 再證其為必要條件
先探尋充分條件 再證其為必要條件
──例談一類不等式恒成立參數(shù)取值范圍問題的統(tǒng)一解法
湖北省陽新縣高級中學 鄒生書

筆者在研究有關(guān)函數(shù)不等式恒成立求參數(shù)取值范圍的問題時,發(fā)現(xiàn)其中一類問題倍受命題者特別是全國卷命題人的青睞,在06年到10 年這五年高考中就有四年對這類問題進行考查并且是作為壓軸題進行考查。這類問題不能用常用方法轉(zhuǎn)化為最值問題或函數(shù)取值范圍問題來解,因為這類問題往往受知識限制無法求出最值或取值范圍。因而解決這類問題必需另辟蹊徑,不能一條路走到黑,否則將無功而返,要求解法突破常規(guī),問題解決具有挑戰(zhàn)性和探索性,對考生能力方面的要求較高。筆者通過解題實踐找到了一個高中學生能理解、易接受可操作的一種解法:先探尋充分條件,再證其為必要條件。

 

1(湖北穩(wěn)派教育新課改革20115月高二年級摸底考試理科數(shù)學第21題)已知函數(shù)

。(Ⅰ)當
時,求
的最小值;(Ⅱ)若函數(shù)
在區(qū)間
上為單調(diào)函數(shù),求實數(shù)
的取值范圍;(Ⅲ)當
時,不等式
恒成立,求實數(shù)
的取值范圍。

 

本題第三問就是不等式恒成立求參數(shù)取值范圍的問題,本問難度較大與下文中的幾道高考題不僅難度相當,而且解法驚人相似同出一轍(相對筆者解法而言)。先看第三問命題組給出的參考答案。

 

解法1(參考答案)

恒成立,即
恒成立,即
恒成立。

 

時,不等式顯然成立。

 

時,
,所以
,所以
,于是
時恒成立。令
,即求
的最小值。設(shè)
,則
,且
兩點在
的圖象上,又
,故
,所以
,故
,即實數(shù)
的取值范圍是

 

點評  本解法需要過兩道難關(guān),第一關(guān)是“開局關(guān)”,通過構(gòu)造、聯(lián)想、數(shù)形結(jié)合,將問題轉(zhuǎn)化為函數(shù)

圖象上兩點
的斜率的取值范圍問題;第二關(guān)是“收局關(guān)”,數(shù)形結(jié)合將
兩點的斜率與導數(shù)的幾何意義溝通,從而將求斜率的取值范圍問題轉(zhuǎn)化為導數(shù)的取值范圍問題。下面請看筆者給出的解法。

 

解法2先探尋充分條件,再證其為必要條件)當

時,不等式
恒成立,即
恒成立,也就是
恒成立。

 

因為

。令
恒成立得,

 

恒成立,即
恒成立,所以
。于是當
時,
,所以
上單調(diào)遞增,所以
。此即表明“
”是“當
時,不等式
恒成立”的充分條件。下證“
”是“當
時,不等式
恒成立”的必要條件。

 

,
時,令
得,
,解得
。因為當
時,
;當
時,
,所以
,即存在
使得
,這與“當
時,不等式
恒成立”矛盾。由此知,當
時,不等式
不恒成立,故“
”是“當
時,不等式
恒成立”的必要條件。

 

綜上所述,“

”是“當
時,不等式
恒成立”的充要條件,故所求實數(shù)
的取值范圍是
。

 

下面我們用“先探尋充分條件,再證其為必要條件”的方法再來解幾道高考題。

 

22006全國卷Ⅱ第20題)設(shè)函數(shù)

。若對所有的
,都有
成立,求實數(shù)
的取值范圍。

 

  設(shè)

,則問題等價于,當
時,
恒成立。注意到
,于是要不等式成立,只需
上單調(diào)遞增即可,只需
上恒成立。只需
,又
上遞增,故當
時,
恒成立。下證這個條件是必要的。

 

時,
,而
上遞增,故
有唯一零點設(shè)為
,則當
時,
,即
上單調(diào)遞減。所以當
時,
這與
恒成立矛盾。

 

綜上可知,所求實數(shù)

的取值范圍是
            

 

其實我們并不需要求出

的正零點,甚至有沒有零點都不需要關(guān)心。我們的目標是:當
時,
不恒成立。因此我們只需在
內(nèi)找到一個小區(qū)間,使得
即可。故有如下解法:

 

時,
,所以必存在某個正數(shù)
,使得當
時,
,即
上單調(diào)遞減,所以
這與
恒成立矛盾。

 

32008全國卷Ⅱ第22題)設(shè)函數(shù)

。(1)求
的單調(diào)區(qū)間;(2)如果對任何的
,都有
成立,求實數(shù)
的取值范圍。

 

2 設(shè)

,則問題等價于當
時,
恒成立。注意到
,于是要不等式成立,只需
上單調(diào)遞減即可,只需
上恒成立,只需
。又

 

,設(shè)
,則
,所以
,所以
。

 

而當

時,因
,所以必存在某個正數(shù)
,使得當
時,
。于是當
時,
上單調(diào)遞增,則
這與
恒成立矛盾。

 

綜上可知,所求實數(shù)

的取值范圍是
。

 

42007全國卷Ⅰ第20題)設(shè)函數(shù)

。(1);證明
的導數(shù)
;(2)若對所有的
,都有
成立,求實數(shù)
的取值范圍。

 

2)設(shè)

,則問題等價于,當
時,
恒成立。注意到
,于是要不等式成立,只需
上單調(diào)遞增,只需
上恒成立。做到這一步我們還不能判斷
的單調(diào)性,注意到
上單調(diào)遞增,所以
,所以要
上遞增,只需
。故當
恒成立。

 

同例1可證

不恒成立,故
是所求不等式恒成立的充要條件,故所求實數(shù)
的取值范圍是
。

 

52010年新課標全國卷第21題)設(shè)函數(shù)

。(1)當
時,求
的單調(diào)區(qū)間;(2)若當
時,
,求
的取值范圍。

 

2)考慮到

,所以當
時,要
只需
時單調(diào)遞增,只需
恒成立。又因為
,則只需
時單調(diào)遞增即可,只需
恒成立。而
單調(diào)遞增,故只需
,即
即可。

 

同例1可證

也是
成立的必要條件,故
的取值范圍是
。

 

62009年高考陜西卷理科第20題)已知函數(shù)

,其中
。(1)若
處取得極值,求
的值;(2)求
的單調(diào)區(qū)間;(3)若
的最小值為
,求
的取值范圍。

 

3)當

時,
的最小值為
,即
恒成立,也即
,變形得
恒成立。注意到
,要不等式成立則只需
時單調(diào)遞減,即
恒成立。又因
,所以
時單調(diào)遞減,所以
,故
。

 

同例2可證

恒成立的必要條件,故所求實數(shù)
的取值范圍是
。

 

72010年全國卷Ⅱ22題)設(shè)函數(shù)

。(1)證明:當
時,
;(2)設(shè)當
時,
,求
的取值范圍。

 

2)當

時,則
,若
,則
,而
為增函數(shù),所以當
時,
,所以
,這與
恒成立矛盾,故
不合。

 

時,
等價于
,即
,因為
,所以只需
上單調(diào)遞減即可,即
上恒成立。因為
,只需
上恒成立。即
上恒成立,只需
,所以
。

 

同例2可證當

時,
不恒成立,即
也是
恒成立的必要條件,故
的取值范圍是
。

 

綜上7例可知,這類參數(shù)取值范圍問題都可最終等價轉(zhuǎn)化為如下問題:

 

已知含參數(shù)

的函數(shù)
上可導,且
,求當
時,
(或
)恒成立,求實數(shù)
的取值范圍。

 

解決這類問題的核心步驟是:先探尋充分條件,再證其為必要條件。

 

恒成立為例,在尋找充分條件時,執(zhí)行如下解題步驟:第一步,因為
,當
時,要
恒成立,只要
上單調(diào)遞增,即
恒成立即可;第二步,若
單調(diào)遞增,則令
求出
的取值范圍,這個取值范圍就是不等式成立的充分條件。否則,把
當作
返回第一步。一般不超過兩次求導便可知其導數(shù)的單調(diào)性,當我們能確定導數(shù)的單調(diào)性的時候也就等于看到了勝利的曙光。

 

最后一步是證明上述所得到的充分條件也是不等式恒成立的必要條件,只要證當參數(shù)不在這個范圍內(nèi)時所證不等式不恒成立,從而只要找出一個子區(qū)間,使所證不等式在此區(qū)間內(nèi)不成立即可。真是無巧不成書,探求出來的充分條件恰為必要條件,這也可能是該類題目倍受命題人青睞的一個重要原因,同時也是這類問題得以解決的契機之所在題目亮點之所在。

2011-08-09  人教網(wǎng)
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