导数中证明不等式技巧
(2)令 ,则 ,
当 时, ,当 时, ,
所以函数 在 上单调递减,在 上单调递增,
,
所以函数 在 上单调递增,
由于曲线 在 处的切线方程为 , ,可猜测函数 的图象恒在切线 的上方.
先证明当 时, .
设 ,则 ,
当 时, ,当 时, ,
所以 在 上单调递减,在 上单调递增,
由 ,所以 ,
所以存在 ,使得 ,
导数中的不等式证明
命题角度1构造函数
【典例1】(赣州市2018届高三摸底考试)已知函数 ,若曲线 与曲线 的一个公共点是 ,且在点 处的切线互相垂直.
(1)求 的值;
(2)证明:当 时, .
【解析】(1) ;
(2) , ,
令 ,则
,
,
因为 ,所以 ,
所以 在 单调递增, ,即 ,
所以当 时, .
【审题点津】待证不等式的两边都含有同一个变量,一般地,可以直接构造“左减右”的函数,应用导数研究其单调性,借助于所构造函数的单调性加以证明.
思路二:因为 ,只需证 ,
设 ,则 ,
所以函数 在 上单调递减, ,即证 .
由上述分析可知 .
【规律总结】极值点偏移问题中,由于两个变量的地位相同,将待证不等式进行变形,可以构造关于 (或 )的一元函数来处理.应用导数研究其单调性,并借助于单调性,达到待证不等式的证明.此乃主元法.
思路三:要证明 ,只需证 .
【解析】由于 表示点 与点 之间的距离 ,而点 的轨迹是曲线 ,点 的轨迹是曲线 ,
如图所示,又点 到直线 的距离为 ,
自然想到转化为动点 到抛物线准线 的距离,
结合抛物线的概念可得
,所以 ,当且仅当 共线,
又以 为圆心作半径为 的圆与 相切,切点是 ,此时的公切线与半径垂直, ,即 ,所以 ,故 .正确答案为C.
(1)求实数 的取值范围;
(2)求证: .
解析:(1)由于 ,则 ,
设 ,则 .
令 ,解得 .
所以当 时, ;当 时, .
所以 .
①当 时, ,所以函数 单调递增,没有极值点;
②当 时, ,且当 时, ;当 时, .
此时, 有两个零点 ,不妨设 ,则 ,
所以函数 有两个极值点时,实数 的取值范围是 ;
【一题多解】本题也可以变形为 ,转化为过原点的直线 与函数 图象有两个交点问题,应用数形结合思想求解,直线与曲线相切对应所求范围的界点.
(2)由题意, , ,
因为 是函数 两个不同的极值点,
不妨设 , ,即 ,两式相减得 .
要证 ,即证明 ,
只需证 ,即 ,亦即 .
令 ,只需证当 时,不等式 恒成立,
【解析】(1) ;
(2)设数列 的前 项的和分别为 ,则
由于 ,解得 ;
同理, ,所以只需证明 .
由(1)知 时,有 ,即 .
令 ,则 ,
所以 ,
所以 ;
再证明 ,亦即 ,
因为 , ,
所以只需证 ,
现证明 .令 ,则 ,
所以函数 在 上单调递减, ,
所以当 时, 恒成立,
令 ,则 ,
综上, ,
所以对数列 分别求前 项的和,得 .
【典例13】(咸阳市2018届三模)已知函数 , .
(1)若 在 上恒成立,求实数 的取值范围;
(2)求证: .
(1)求证: 时, ;
(2)求证: .
【解析】(1)函数 的定义域为 , ,
又 , ,所以该切线方程为 .
设 ,则 ,
令 ,则 ,
当 时, ,所以 在 上单调递增,
又 ,所以 ,即 在 上单调递增,
所以 ,故 时, ;
所以 ,
化简可得 ,得证.
【方法归纳】本题 ,其 , ,说明函数 为凹函数,因此有 .此类问题实质上,第(1)小题的研究正是为第(2)小题的解决而服务的,呈现“层层递进”的特点.
(2) , , ,
因为 分别是函数 的两个零点,所以 ,两式相减,得 ,
,
要证明 ,只需证 .
思路一:因为 ,只需证 .
令 ,即证 .
令 ,则 ,
所以函数 在 上单调递减, ,即证 .由上述分析可知 .
【规律总结】这是极值点偏移问题,此类问题往往利用换元把 转化为 的函数,常把 的关系变形为齐次式,设 等,构造函数来解决,可称之为构造比较函数法.
【答案速得】函数 有两个极值点实质上就是其导数 有两个零点,亦即函数 与直线 有两个交点,如图所示,显然实数 的取值范围是 .
(2)由(1)知, 为 的两个实数根, , 在 上单调递减.
下面先证 ,只需证 .
由于 ,得 ,
所以 .
设 ,则 ,
所以 在 上单调递减,
所以 , ,所以 .
由于函数 在 上也单调递减,所以 .
【思路点睛】对于含有 与 型的超越函数,具体解决时须根据两类函数的特点,挖掘结构特征,灵活变形,脑中有“形”,注意重要不等式 的合理代换.
命题角度3切线法
【典例5】(2018届安徽省太和中学三模)已知函数 .
(1)求曲线 在 处的切线方程;
(2)求证:当 时, .
【解析】(1) , ,
由题设得 ,
所以曲线 在 处的切线方程为 ,即 ;
(1)当 时,方程 在区间 上有两个不同的实数根,求 的取值范围;
(2)当 时,设 是函数 两个不同的极值点,证明: .
【解析】(1)因为 ,所以 ,即 ,
设 ,则 ,所以 在 上单调递减,在 上单调递增,
,当 时, ,当 时, ,
要使方程 在区间 上有两个不同的实数根,则 ,解得 ,
故 的取值范围是 ;
【解析】(1) ,
令 ,则 ,
当 时, ,所以 ,
当 时, ,所以 ,
所以函数 在 上单调递增,在 上单调递减;
(2)要证明 ,即证 ,
令 ,则 ,
当 时, ,当 时, ,
所以函数 在 上单调递增,在 上单调递减, ,
所以 .
要证 ,只需再证 即可.
易证 ,当且仅当 时取等号(证明略),所以 ,
综上所述,当 时,都有 .
命题角度2放缩法
【典例2】(石家庄市2018届高三下学期4月一模考试)已知函数 ,在 处的切线方程为 .
(1)求 ;
(2)若 ,证明: .
【解析】(1) , ;
(2)由(1)可知 , ,
由 ,可得 ,
令 ,则 ,
当 时, ,
当 时,设 ,则 ,
故函数 在 上单调递增,
又 ,所以当 时, ,当 时, ,
【典例12】(成都市2018届高中毕业班二诊文科)已知函数 .
(1)当 时,若关于 的不等式 恒成立,求 的取值范围;
(2)当 时,证明: .
【解析】(1)由 ,得 恒成立,
令 ,则 ,
所以 在 上单调递减,在 上单调递增,
所以 的最小值为 ,
所以 ,即 ,故 的取值范围是 ;
(2)有(1)知 时,有 ,
设 ,则 ,
易证 ,所以 ,
所以 在 上单调递减, ,即 .
综上所述, 成立.
【审题点津】函数的拐点偏移问题的证明思路可以根据类似的结构特征,适当变形为两个变量之差(或比值)的关系,整体换元,构造函数,借助于导数的应用解决问题.
【典例9】(2018届合肥三模)已知函数 有两个极值点 ( 为自然对数的底数).
所以 .
①要证 ,可证 ,只需证 ,
易证 (证明略),所以 ;
②要证 ,可证 ,
易证 (证明略),由于 ,所以 ,
所以 ,
综上所述,当 时,证明: .
【方法归纳】若第(1)小题是探求参数的范围问题,第(2)小题的解决往往运用第(1)小题所求范围的界点对于的不等关系进行放缩,此类问题实质就是应用函数凸凹性进行切线放缩法.
即证 ,由对数平均数易得.
【规律总结】极值点偏移问题中,如果等式含有参数,则消参,有指数的则两边取对数,转化为对数式,通过恒等变换转化为对数平均问题,利用对数平均不等式求解,此乃对数平均法.
【知识拓展】对于 ,则 ,其中 称之为对数平均数.简证如下:不妨设 ,只需证明 即可,即 (下略).
【典例8】(A10联盟2018年高考最后一卷)已知函数 .
故 ,即 ,所以实数 的取值范围是 .
思路2:因为函数 有零点 ,所以 的解分别为 ,
因为函数 有零点 ,所以 的解分别为 ,
令 ,①若 ,如图,总有 ,不适合题意;
②若 ,如图,总有 ,欲使 ,亦即 ,
所以 ,即 ,
两边平方,化简可得 ,所以 .
所以实数 的取值范围是 .正确答案为C.
思路3:因为函数 有零点 ,
所以函数 在区间 上单调递减,在区间 上单调递增,
故 ,即 .
故 .
【方法归纳】函数解析式中含有已知范围的参数,可以考虑借助于常识或已知的范围减少变量,对参数适当放缩达到证明的目标.
【典例3】(成都市2018届高中毕业班二诊理科)已知函数 .
(1)当 时,若关于 的不等式 恒成立,求 的取值范围;
(2)当 时,证明:
【能力提升】(2018年甘肃省高中毕业班第一次诊断性考试)对于任意 ,不等式 恒成立,则实数 的最大值为
【答案】 .
命题角度4二元或多元不等式的解证思路
【典例7】(2018年安庆市二模)已知函数 ,曲线 在点 处的切线方程为 .
1)求实数 的值;(2)设 分别是函数 的两个零点,求证: .
【解析】(1) ;
任意两点所连的线段都不落在图象的上方. ,则 单调
递减, 在 上为凸函数;
②总有 (当且仅当 时,取等号),
则函数 在 上是凹函数,其几何意义:函数 的图象上的
任意两点所连的线段都不落在图象的下方. ,则 单调递增, 在 上为凹函数.