众里寻他——求解一类恒成立问题的通法

众里寻他——求解一类恒成立问题的通法

单正才江苏省滨海县明达中学224500

充分挖掘隐藏在数学知识和数学思想方法中的人文价值,是每位数学教师义不容辞的责任。在求解恒成立问题中的参数取值时,通常采取等价转化的方法。但有时直接等价转化比较困难,这时采取的方法是:先确定参数所在范围——“众”,再从“众”里寻出参数的最终范围——“他”,同样也能达到等价转化的目的。这种求参数的方法,称为“众里寻他”。下面就让我带你追寻“他”的行踪,一睹“他”的尊容。

小隐于野

例1:关于x的不等式ln(1+x)<ax在(0,+∞)上恒成立。求实数a的取值范围。

分析:通常考虑通过分离常数,等价转化为求函数的最值或值域。但函数f(x)=1n(1+x)/x(x>0)的最大值或值域不易求得,尝试用“众里寻他”法。

解:ln(1+x)<ax在(0,+∞)上恒成立ln(1+x)-ax<0在(0,+∞)上恒成立。设h(x)=ln(1+x)-ax,则h′(x)=1/1+x-a。

若a≥1,则x∈(0,+∞)时,h′(x)=1/1+x-a<0恒成立。

∴h(x)=ln(1+x)-ax在[0,+∞)上为减函数,有ln(1+x)-ax<h(0)=0。

即ln(1+x)<ax在(0,+∞)上恒成立。若a≤0显然不满足条件。

若0<a<l,则h′(x)=1/1+x-a=0,x=1/a-1,∴x∈(0,1/a-1)时h′(x)>0。

∴h(x)=ln(1+x)-ax在[0,1/a-1)上为增函数.

当x∈(0,1/a-1)时,

h(x)=ln(1+x)-ax>0不能使ln(1+x)<ax在(0,+∞)上恒成立。

点评:本解法中,“R”即为“众”。先证明a≥1符合题意,实质上证明了充分性成立;再证明a≤0和0<a<1不符合题意,从而证明了a≥1也是必要条件。最终寻到了“他”。

大隐于市

例2(2010江苏高考,第20题):设f(x)是定义在区间(1,+∞)上的函数。其导函数f′(x),如果存在实数a和函数h(x),其中h(x)对任意的x∈(1,+∞)都有h(x)>0,使得f′(x)=h(x)(x2-ax+1),则称函数f(x)具有性质P(a)。

(Ⅰ)设函数f(x)=ln(x)+(x>1),其中b为实数。

(i)求证:函数f(x)具有性质P(b)。

(ii)求函数f(x)的单调区间。

(Ⅱ)已知函数g(x)具有性质P(2),给定x1、x2∈(1,+∞),x1<x2,设m为实数,α=mx1+(1-m)x2,β=(1-m)x1+mx2,且α>1,β>1,若|g(α)-g(β)|<|g(x1)-g(x2)|,求m的取值范围。

分析:(Ⅰ)略。

(Ⅱ)由于g(x)是抽象函数,通过等价转化显然是行不通的,“众里寻他法”舍你其谁?

解:(Ⅰ)略。

(Ⅱ)由题设知,g(x)的导函数g′(x)=h(x)(x2-2x+1),其中函数h(x)>0对于任意的x∈(1,+∞)都成立。所以当x>1时,g′(x)=h(x)(x-1)2>0,从而g(x)在区间(1,+∞)上单调递增。

1、当m∈(0,1)时,有a=mx1+(1-m)x2>mx1+(1-m)x1=x1,α<mx2+(1-m)x2=x2,得α∈(x1,x2),同理可得β∈(x1,x2)。所以由g(x)的单调性知:g(α)、g(β)∈(g(x1),g(x2)),从而有|g(α)-g(β)|<|g(x1)-g(x2)|,符合题设。

2、当m≤0时,α=mx1+(1-m)x2≥mx2+(1-m)x2=x2,β=(1-m)x1+mx2≤(1-m)x1+mx1=x1。于是由α>1,β>1及g(x)的单调性知:g(β)≤g(x1)<g(x2)≤g(α),所以|g(α)-g(β)|≥|g(x1)-g(x2)|,与题设不符。

3、当m≥1时,同理可得α≤x1、β≥x2,进而得|g(α)-g(β)|≥|g(x1)-g(x2)|,与题设不符。

综合上所述得所求的m的取值范围为(0,1)。

点评:此题运用“众里寻他法”来解倒不难想到,但以抽象函数为背景,是绝大部分考生始料未及的。这给平时惯用的以“导数”为工具来解决此类问题的思维方式提出了严峻的考验,体现了新课程理念所倡导的对数学思想方法本质的理解,也符合“构建共同基础,提供发展平台”的新课程理念,这正是命题者的“匠心”所在。

庐山面目

“众里寻他法”中的“众”,就是指包含所求参数范围的大范围(根据题意,可由题设推得)。在这个大范围中,证明“某一范围”满足题设,余下的范围都不满足题设,实质上就是证明了“某一范围”既是题设的充分条件,又是题设的必要条件。这个“某一范围”就是“他”——参数的取值范围。在求解恒成立问题中的参数取值时,如等价转化比较困难,不妨试一下“众里寻他法”。

就数学思想方法而言,牢记其适用范围和使用步骤固不可少,“但是揭示其真实内涵、思想意境以及文化价值,对于学生日后的成长也许更加终身受用”(张奠宙语)。充分挖掘隐藏在数学知识和数学思想方法中的人文价值,是每位数学教师义不容辞的责任。

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