
\l "_Tc169197490" 01方法技巧與總結(jié) PAGEREF _Tc169197490 \h 2
\l "_Tc169197491" 02題型歸納總結(jié) PAGEREF _Tc169197491 \h 2
\l "_Tc169197492" 題型一:直接法 PAGEREF _Tc169197492 \h 2
\l "_Tc169197493" 題型二:構(gòu)造函數(shù)(差構(gòu)造、變形構(gòu)造、換元構(gòu)造、遞推構(gòu)造) PAGEREF _Tc169197493 \h 6
\l "_Tc169197494" 題型三:分析法 PAGEREF _Tc169197494 \h 11
\l "_Tc169197495" 題型四:凹凸反轉(zhuǎn)、拆分函數(shù) PAGEREF _Tc169197495 \h 14
\l "_Tc169197496" 題型五:對數(shù)單身狗,指數(shù)找朋友 PAGEREF _Tc169197496 \h 20
\l "_Tc169197497" 題型六:放縮法 PAGEREF _Tc169197497 \h 24
\l "_Tc169197498" 題型七:虛設零點 PAGEREF _Tc169197498 \h 31
\l "_Tc169197499" 題型八:同構(gòu)法 PAGEREF _Tc169197499 \h 37
\l "_Tc169197500" 題型九:泰勒展式和拉格朗日中值定理 PAGEREF _Tc169197500 \h 43
\l "_Tc169197501" 題型十:分段分析法、主元法、估算法 PAGEREF _Tc169197501 \h 50
\l "_Tc169197502" 題型十一:割線法證明零點差大于某值,切線法證明零點差小于某值 PAGEREF _Tc169197502 \h 55
\l "_Tc169197503" 題型十二:函數(shù)與數(shù)列不等式問題 PAGEREF _Tc169197503 \h 60
\l "_Tc169197504" 題型十三:三角函數(shù) PAGEREF _Tc169197504 \h 67
\l "_Tc169197505" 03過關測試 PAGEREF _Tc169197505 \h 72
利用導數(shù)證明不等式問題,方法如下:
(1)直接構(gòu)造函數(shù)法:證明不等式(或)轉(zhuǎn)化為證明(或),進而構(gòu)造輔助函數(shù);
(2)適當放縮構(gòu)造法:一是根據(jù)已知條件適當放縮;二是利用常見放縮結(jié)論;
(3)構(gòu)造“形似”函數(shù),稍作變形再構(gòu)造,對原不等式同解變形,根據(jù)相似結(jié)構(gòu)構(gòu)造輔助函數(shù).
(4)對數(shù)單身狗,指數(shù)找基友
(5)凹凸反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)化為最值問題
(6)同構(gòu)變形
題型一:直接法
【典例1-1】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù).
(1)討論的單調(diào)性;
(2)證明:當時,.(參考數(shù)據(jù):)
【解析】(1)由題意得,
當時,在上恒成立,在上單調(diào)遞減,
當時,令,解得.
當時,,當,.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增;
綜合得:當時,在上單調(diào)遞減,
當時,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增;
(2)由(1)可知,當時,的最小值為.
要證成立,需成立,
即證.
令,則.
令,得(負值舍去).
當時,;當時,.
因此在上單調(diào)遞減,在,上單調(diào)遞增.
所以當時,取得最小值,,
故當時,.
【典例1-2】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù).
(1)討論的單調(diào)性;
(2)證明:當時,.
【解析】(1)的定義域為,.
若,則,在上單調(diào)遞減:
若,則由得,當時,;當時,;
故在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增;
故當時,在上單調(diào)遞減:
當時,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增;
(2)方法1,當時,由(1)知,當時,取得最小值.
所以,從而.
設,則.
當時,;當時,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
故當時,,
故當時,,即;
方法2:當時,由(1)知,當時,取得最小值,
所以,從而,
令,,
當時,;當時,;
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
故,當?shù)忍柍闪ⅲ?br>所以,當時,,
即.
【變式1-1】(2024·四川·模擬預測)已知函數(shù).
(1)若有3個極值點,求a的取值范圍;
(2)若,,證明:.
【解析】(1)由有3個極值點,
可得到具有3個變號零點,
當時不是的零點,
則可得在有3個交點,
構(gòu)造函數(shù),,
則,令,解得,
所以當,,單調(diào)遞增,
當,,單調(diào)遞減,
當,,單調(diào)遞增,
所以,
而當時,,當時,,當時,,
所以,
則的取值范圍為.
(2)構(gòu)造函數(shù)
則,且,
構(gòu)造函數(shù),則,
再令,則,
因為時,則,在單調(diào)遞增,
而,所以在單調(diào)遞增,
所以,所以在單調(diào)遞增,
故,即.
【變式1-2】已知函數(shù),.
(1)求的最小值;
(2)證明:.
【解析】(1)的定義域為,,
令解得,又因為當時,為增函數(shù),
故當時,,則在上單調(diào)遞減;
當時,,則在上單調(diào)遞增;
故,故.
(2),,則,
故當時,,則在單調(diào)遞增;
當時,,則在單調(diào)遞減;
故.
又因為,所以(當且僅當時,取“”),
所以.
【變式1-3】(2024·寧夏吳忠·模擬預測)已知函數(shù).
(1)討論的單調(diào)性;
(2)證明:當時,.
【解析】(1)由題意知,
當時,,所以在上單調(diào)遞減;
當時,令,解得,
令,解得,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增
(2)由(1)得,
要證,即證,即證,
令,則,
令,解得,令,解得,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以,
則恒成立,
所以當時,.
題型二:構(gòu)造函數(shù)(差構(gòu)造、變形構(gòu)造、換元構(gòu)造、遞推構(gòu)造)
【典例2-1】(2024·河北滄州·模擬預測)對于函數(shù)和,設,若存在使得,則稱和互為“零點相鄰函數(shù)”.設,,且和互為“零點相鄰函數(shù)”.
(1)求的取值范圍;
(2)令(為的導函數(shù)),分析與是否互為“零點相鄰函數(shù)”;
(3)若,證明:.
【解析】(1)令,得,
令,得,
①,解得,
②,解得,
所以的取值范圍為.
(2),則,
令,得,
當時,單調(diào)遞減,
當時,單調(diào)遞增,
所以,
又,
當時,無零點,
所以與不互.為“零點相鄰函數(shù)”;
當時,,函數(shù)的零點為,
所以與互為“零點相鄰函數(shù)”;
當時,,又因為,
所以此時在區(qū)間內(nèi)存在零點,所以與互為“零點相鄰函數(shù)”;
當時,,又因為,
所以在區(qū)間內(nèi)存在零點,所以與互為“零點相鄰函數(shù)”.
綜上,當時,與不互為“零點相鄰函數(shù)”,
當時,與互為“零點相鄰函數(shù)”.
(3)當時,,
設,則,
則,
設,則,
令,
則,
所以在上單調(diào)遞減,
又,所以,即,所以在上單調(diào)遞減,
又,所以,得證.
【典例2-2】(2024·湖北荊州·三模)已知函數(shù)
(1)求曲線在點處的切線方程;
(2)求證:函數(shù)的圖象位于直線的下方;
【解析】(1),則,
又,
所以曲線在點處的切線方程為;
(2)因為,所以,要證明,只需要證明,
即證,
令,則,
當時,,此時在上單調(diào)遞增,
當時,,此時在上單調(diào)遞減,
故在取極大值也是最大值,故,
所以恒成立,即原不等式成立,
所以函數(shù)的圖象位于直線的下方.
【變式2-1】已知函數(shù)有且只有一個零點,其中.
(1)求的值;
(2)若對任意的,有成立,求實數(shù)的最大值;
(3)設,對任意,證明:不等式恒成立.
【解析】(1)的定義域為,.
由,得.
∵ 當時,則在區(qū)間上是增函數(shù),
當時,,在區(qū)間上是減函數(shù),
∴ 在處取得極大值也為最大值.
由題意知,解得.
(2)由(1)知,
當時,取得,,知不合題意.
當時,設.
則.
令,得,.
①若≤0,即≤時,在上恒成立,
∴ 在上是增函數(shù),從而總有,
即在上恒成立.
②若,即時,對于,,
∴ 在上單調(diào)遞減.
于是,當取時,,即不成立.
故不合題意.
綜上,的最大值為.
(3)由.不妨設,
則要證明,
只需證明,
即,
即證.
設,則只需證明,化簡得.
設,則, ∴ 在上單調(diào)遞增,
∴ ,即,得證.
故原不等式恒成立.
【變式2-2】設,當時,求證:.
【解析】要證時,,只需證,
記,則,
當時,,所以在上單調(diào)遞增,故,
所以,
要證時,,只需證,
記,則,
當時,,
所以在上單調(diào)遞增,故,
所以,
綜上,,
【變式2-3】(2024·山東菏澤·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間;
(2)若,證明:.
【解析】(1),
令,所以,
由可得,由可得,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以.
又因為,所以,即,且至多在一個點處取到.
所以在上單調(diào)遞減,沒有單調(diào)遞增區(qū)間.
(2)證明,
只需證:,
即證:,
令,所以,
只需證:,
即證:,
由(1)知,當時,在上單調(diào)遞減,
所以當時,,
即,
所以.
題型三:分析法
【典例3-1】已知函數(shù),當時,證明:.
【解析】當時,有,
所以,要證,只需證,
即證,,
設,則,令,則,
當時,,當時,,
故在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以,即,
所以,得證.
【典例3-2】已知函數(shù),.
(1)若直線是函數(shù)的圖象的切線,求實數(shù)的值;
(2)當時,證明:對于任意的,不等式恒成立.
【解析】(1)直線是函數(shù)的圖象的切線,設切點為,
,,得.
切點在函數(shù)的圖象上,,
代入得,解得或.
再代入解得或,
∴實數(shù)的值為1或.
(2)證明:要證,即,
,,又由知即證,
設,則.
令,則,由,得,
當時,;當時,,
在單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減,
在上,,即,
令,則,設,則.
令,得,當時,,當時,,
在單調(diào)遞減,在單調(diào)遞增,在上有最小值,為.
的最小值為,原不等式得證.
【變式3-1】(2024·山東·模擬預測)已知函數(shù),其中.
(1)求曲線在點處切線的傾斜角;
(2)若函數(shù)的極小值小于0,求實數(shù)的取值范圍;
(3)證明:.
【解析】(1)由,
所以,
設曲線在點處切線的傾斜角為,則,
又因為,所以,
所以曲線在點處切線的傾斜角為0.
(2)由(1)知,且,解得:或,
當時,,,,,,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以,解得,
所以;
當時,,,,,,,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以,
即此時極小值不可能小于0,所以當時不符合題意;
當時,恒成立,
所以在上單調(diào)遞增,即函數(shù)無極值,不滿足題意,
所以當時不符合題意;
當時,,,,,,,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以,解得,
所以;
綜上可知實數(shù)的取值范圍為或.
(3)由(2)知,當時,在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
,即,即,兩邊取自然對數(shù)得:,則.
要證成立,只需證,.
兩邊同除得:,即.
只需證:,即證,
令,,,解得:,
當時,,在上單調(diào)遞減,當時,,在上單調(diào)遞增,
所以,即,
經(jīng)檢驗,當時,成立.
綜上可知不等式得證.
題型四:凹凸反轉(zhuǎn)、拆分函數(shù)
【典例4-1】已知函數(shù),證明:當時,.
【解析】由題意等價于,
設函數(shù),則.
當時,,所以在單調(diào)遞減.
而,故當時,,即.
【典例4-2】(2024·陜西西安·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求的最大值;
(2)證明:當時,.
【解析】(1)函數(shù)的定義域為,求導得,
當時,,函數(shù)遞增,當時,,函數(shù)遞減,
所以當時,函數(shù)取得最大值.
(2)令函數(shù),求導得,即函數(shù)在上單調(diào)遞增,
因此,,由(1)知,恒成立,
所以,即當時,.
【變式4-1】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù),.
(1)若函數(shù)的最小值與的最小值之和為,求的值.
(2)若,,證明:.
【解析】(1)因為,所以.
令,解得.
所以當時,,單調(diào)遞減;
當時,,單調(diào)遞增.
所以.
因為,,所以.
令,解得.
所以當時,,單調(diào)遞減;
當時,,單調(diào)遞增,
所以.
由題意可得,解得.
(2)證明:方法一 當時,,,則.
要證,即證,.
令,,則.
令,,則,
所以當時,,所以在上單調(diào)遞增.
因為,,
所以在上存在唯一零點,且當時,;當時,.
所以當時,,單調(diào)遞減;當時,,單調(diào)遞增.
所以.
由,得,所以.
兩邊取對數(shù),得,所以,
所以,即.
因為,所以,即.
方法二 要證,即證,即證.
令,,,.
易得,則令,得;令,得.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
所以.
易得.
令,得;令,得.
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以,
所以,故.
【變式4-2】已知,,,求證:.
【解析】令,,則,則,只需證明,即證;
,,故只需證明,即證,
記,則,
當時,;當時,;
即在上遞減,在上遞增,
①,當且僅當時等號成立,
再記,則,
當時,;當時,;
在上遞增,在上遞減.
②,當且僅當時等號成立.
由①②等號不同時取到,得,于是.
【變式4-3】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù).
(1)若曲線在處的切線方程為,求的值及的單調(diào)區(qū)間.
(2)若的極大值為,求的取值范圍.
(3)當時,求證:.
【解析】(1)由題意,得,所以.
因為曲線在處的切線方程為,
又,所以,所以.
所以.
令,得;令,得.
所以函數(shù)的單調(diào)遞減區(qū)間是,單調(diào)遞增區(qū)間是.
(2)由題意得.
當時,令,得;令,得.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,此時只有極小值,不符合題意.
當時,令,得,.
因為的極大值為,所以,解得.
綜上,的取值范圍為.
(3)當時,.
要證,即證,
只需證.
先證:,.
設,,則.
設,,則.
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,則,即,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,則,所以.
再證:,,即證.
設,則.
當時,,單調(diào)遞增;
當時,,單調(diào)遞減.所以.
設,,則.
當時,,單調(diào)遞減;當時,,單調(diào)遞增.
所以.所以,即.
綜上,得證.
故.
【變式4-4】已知函數(shù),求證:.
【解析】由題意,當時,由,
則,
當時,,當時,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,所以.
設,當時,,
當時,設,則,
所以在上是增函數(shù),
所以,即,,所以,
而,所以,
綜上,當時,.
【變式4-5】(2024·陜西安康·模擬預測)已知函數(shù).
(1)討論函數(shù)的單調(diào)性;
(2)若,求證:.
【解析】(1)因為,所以,
當時,,則恒成立,所以在上單調(diào)遞增;
當時,,
令,解得或(舍去),
令,解得;令,解得;
故在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減;
綜上所述:當時,在上單調(diào)遞增;
當時,在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減;
(2)即,也即,也即.
設,則,令,解得,
又在上單調(diào)遞增,所以當時,,當時,,所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以,
設,則,當時,,當時,,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以,又,所以,
所以,
由題意,所以,
所以,得證.
題型五:對數(shù)單身狗,指數(shù)找朋友
【典例5-1】(2024·陜西榆林·三模)已知函數(shù)的導函數(shù)為.
(1)討論的單調(diào)性;
(2)當時,證明:.
【解析】(1),
當,即時,此時,,故在上單調(diào)遞增.
當,即時,令,
則.
①當時,在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.
②當時,,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
(2)證明:當時,,
證原不等式等價于證,令,
則,且,故只需證,即證
令,則,
令,則,
由于,令則,
在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.又,
當時,,即,當,時,,即,
在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
,
所以,當時,1.
【典例5-2】(2024·青?!つM預測)已知質(zhì)數(shù),且曲線在點處的切線方程為.
(1)求m的值;
(2)證明:對一切,都有.
【解析】(1),,,
則有,,
解得;
(2)由,故,
要證對一切,都有,
即證對一切恒成立,
即證對一切恒成立,
令,
,
則當時,,則當時,,
即在、上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
又,,
故對一切恒成立,即得證.
【變式5-1】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù),且曲線在點處的切線方程為(其中為自然對數(shù)的底數(shù)).
(1)求實數(shù)的值.
(2)當時,證明:對,都有.
【解析】(1)由,
得.
所以.
又,所以曲線在點處的切線方程為.
由切線方程為,得.
(2)方法一
當時,設,
則.
設,
則.
設,
則.
令,則.
當時,;當時,.
所以函數(shù)即在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
又,
所以存在唯一的,使,且當時,,
當時,,故函數(shù)即在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
又,所以,
所以存在唯一的,使,且當時,,當時,,
故函數(shù)在上分別單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.
因為,所以在上恒成立,當且僅當或時取等號,
即對,都有.
方法二 當時,記,
則要證,即證.
記,
則.
令,得.
因為,
所以當時,,當時,.
所以在上分別單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
又,所以在上恒成立,當且僅當或時取等號,
即對,都有.
【變式5-2】(2024·廣西·模擬預測)設函數(shù),曲線在點處的切線方程為.
(1)求的值;
(2)證明:.
【解析】(1)函數(shù)的定義域為,
將代入,解得,即,
由切線方程,可知切線斜率,
故,
解得;
(2)由(1)知,
要證,即證.
設,
則,
令,解得,或(舍去),
當時,單調(diào)遞減;
當時,單調(diào)遞增;
所以,
所以,即.
【變式5-3】(2024·河北保定·三模)已知函數(shù),為的極值點.
(1)求a;
(2)證明:.
【解析】(1),
依題意,,解得,
經(jīng)檢驗符合題意,所以;
(2)由(1)可知,,
要證,即證,
設,則,
所以當時,,單調(diào)遞減,
當時,,單調(diào)遞增,
當時,取得極小值,也是最小值,
因為,,
所以.
題型六:放縮法
【典例6-1】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的最值.
(2)證明:(其中為自然對數(shù)的底數(shù)).
【解析】(1)由題意知,定義域為,
從而.
所以當時,;當時,.
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.
所以函數(shù)的最大值為,無最小值.
(2)欲證,只需證.
由(1)知,從而,當且僅當時取等號.
下面證明:.
設,則.
設,則.
設,則,
故當時,;當時,.
所以函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
由于,
故設存在唯一的,使,
且當時,,當時,.
故函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
又,
所以存在唯一的,使,
故當時,;當時,.
從而函數(shù)在上分別單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.
因為,
所以在上恒成立,當且僅當時取等號.
因為取等條件不相同,所以恒成立,
即成立.
【典例6-2】已知函數(shù),為的導函數(shù).
(1)求函數(shù)的零點個數(shù);
(2)證明:.
【解析】(1)由題知,,令,
而恒成立,故在單調(diào)遞增.
又,,故,
由零點存在性定理可知一定存在,使得,
綜合函數(shù)單調(diào)性可知,函數(shù)有且僅有1個零點.
(2)當時,,
令,而,當時,恒成立,
故在上單調(diào)遞增,且,故,成立
令,而,令,,
令,,故在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
故最大值為,且,故,即,
故得證,∴,不等式得證;
當時,即證.
令,,
則當時,,單調(diào)遞增;
當時,,單調(diào)遞減.
則①,
令,,
則當時,單調(diào)遞減;時,單調(diào)遞增.
則②.
由①②可知,,故不等式得證.
【變式6-1】(2024·江蘇徐州·模擬預測)已知函數(shù),.
(1)當時,求曲線在點處的切線方程;
(2)當時,證明:.
【解析】(1)當時,,,
則,又因為,
所以曲線在點處的切線方程為,即.
(2)當時,有,所以,
因為,
所以.
令,
則,
當時,,在上單調(diào)遞減;
當時,,在上單調(diào)遞增.
所以.
故.
【變式6-2】(2024·山東棗莊·模擬預測)已知函數(shù),為的導數(shù)
(1)討論的單調(diào)性;
(2)若是的極大值點,求的取值范圍;
(3)若,證明:.
【解析】(1)由題知,
令,則,
當時,在區(qū)間單調(diào)遞增,
當時,令,解得,
當時,,當時,,
所以在區(qū)間上單調(diào)遞減,在區(qū)間上單調(diào)遞增,
綜上所述,當時,在區(qū)間上單調(diào)遞增;
當時,在區(qū)間上單調(diào)遞減,在區(qū)間上單調(diào)遞增.
(2)當時,,
由(1)知,當時,在上單調(diào)遞減;
當時,在上單調(diào)遞增;
所以是函數(shù)的極小值點,不符合題意;
當時,,且,
由(1)知,當時,在上單調(diào)遞減;
當時,在上單調(diào)遞增;
所以是函數(shù)的極小值點,不符合題意;
當時,,則當時,在上單調(diào)遞增,
所以無極值點,不合題意;
當時,,且;
當時,在上單調(diào)遞增;
當時,在上單調(diào)遞減;
所以是函數(shù)的極大值點,符合題意;
綜上所述,的取值范圍是.
(3)要證,
只要證,
只要證,,
因為,則,
所以只要證對任意,有,
只要證對任意,有(※),
因為由(2)知:當時,若,則,
所以,即①,
令函數(shù),則,
所以當時,所以在單調(diào)遞增;
則,即,
由①②得,
所以(※)成立,
所以成立.
【變式6-3】(2024·遼寧大連·模擬預測)定義:若曲線或函數(shù)的圖象上的兩個不同點處的切線互相重合,則稱該切線為曲線或函數(shù)的圖象的“自公切線”.
(1)設曲線C:,在直角坐標系中作出曲線C的圖象,并判斷C是否存在“自公切線”?(給出結(jié)論即可,不必說明理由)
(2)證明:當時,函數(shù)不存在“自公切線”;
(3)證明:當,時,.
【解析】(1)曲線C:,當時,,表示以點為圓心,半徑為的部分圓弧,當時,,表示以點為圓心,半徑為的半圓圓,從而圖象如下:
由圖象可知,存在“自公切線”;
(2)由題意,,下面只需證明在上單調(diào)即可,
令,則,
當時,,此時單調(diào)遞減,即單調(diào)遞減;
當時,,此時單調(diào)遞減,即單調(diào)遞減;
綜上所述,當時,在上單調(diào)遞減,
所以在不同點處的切線斜率不同,所以圖象不存在“自公切線”,得證.
(3),,
故只需證明,
即只需證明,
構(gòu)造函數(shù),則,
當時,,從而在上單調(diào)遞減,
所以,即,
故只需證,
設,注意到,
,注意到,
令,則由(2)知,,
且由(2)知,在上單調(diào)遞減,所以,
從而在上單調(diào)遞減,所以,
所以在上單調(diào)遞增,
所以,所以在上單調(diào)遞增,
所以,即,
從而,當,時,.
【變式6-4】已知函數(shù),證明:當時,.
【解析】因為,所以,解得,即函數(shù)的定義域為,
令,可得,
所以在單調(diào)遞增,所以,即,
要證不等式,
只需證明,
又由函數(shù),可得,
當時,,單調(diào)遞增;當時,,單調(diào)遞減,
所以,即,即,當且僅當時,等號成立,
所以,當時,,只需證明:,即,
即,即,令,可得,
設,可得,令,可得,
當時,,單調(diào)遞增;當時,,單調(diào)遞減,
所以,所以,所以,當且僅當時,等號成立,
易知在單調(diào)遞增,故方程有唯一解.
又由以上不等式的等號不能同時成立,所以.
題型七:虛設零點
【典例7-1】(2024·山東濟南·二模)已知函數(shù)
(1)討論的單調(diào)性;
(2)證明:.
【解析】(1)由題意可得:的定義域為,,
當時,則在上恒成立,
可知在上單調(diào)遞減;
當時,令,解得;令,解得;
可知在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增;
綜上所述:當時,在上單調(diào)遞減;
當時,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
(2)構(gòu)建,
則,
由可知,
構(gòu)建,
因為在上單調(diào)遞增,則在上單調(diào)遞增,
且,
可知在上存在唯一零點,
當,則,即;
當,則,即;
可知在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
則,
又因為,則,,
可得,
即,所以.
【典例7-2】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù).
(1)若,討論的單調(diào)性.
(2)若,,求證:.
【解析】(1)當時,,定義域為,
則.
設,則,
所以在上單調(diào)遞增,且,
所以,當時,,單調(diào)遞減,
當時,,單調(diào)遞增,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
(2)因為,
所以.
因為,所以在上單調(diào)遞增,且.
①若,則,
所以當時,恒成立,單調(diào)遞增.
又,
所以;
②若,則,,
所以存在,使得,即.
當時,,單調(diào)遞減,
當時,,單調(diào)遞增,
所以.
因為在上單調(diào)遞減,
所以,
所以.
綜上所述,當,時,.
【變式7-1】已知函數(shù).
(1)若在定義域內(nèi)不單調(diào),求a的取值范圍;
(2)證明:若,且,則.
【解析】(1)的定義域為,.
若,則,所以在上單調(diào)遞增;
若,則當時,;當時,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
所以在定義域內(nèi)不單調(diào)時,a的取值范圍為.
(2)記,則,
因為是上的減函數(shù),且,,
由正切函數(shù)的性質(zhì)可知,當時,為增函數(shù),
當時,為減函數(shù),所以是的極大值點.
令,則,所以是上的增函數(shù),
故,所以當時,,
令,則,由,得,
時,是減函數(shù),時,是增函數(shù),
所以,即,
所以,
下面證明,令,即證,即,
設,則,所以是上的增函數(shù),
所以時,,成立,命題得證.
【變式7-2】(2024·高三·遼寧丹東·開學考試)已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的最小值;
(2)求證:.
【解析】(1)因為函數(shù),所以,
記,,
所以在上單調(diào)遞增,且,
所以當時,,即,所以在單調(diào)遞減;
當時,,即,所以在單調(diào)遞增,且,
所以.
(2)要證,
只需證明:對于恒成立,
令,則,
當時,令,
則,在上單調(diào)遞增,
即在上為增函數(shù),
又因為,,
所以存在使得,由,
得即即即,
所以當時,,單調(diào)遞減,
當時,,單調(diào)遞增,
所以,
令,則,
所以在上單調(diào)遞增,所以,
所以,所以,
即.
【變式7-3】(2024·河北張家口·三模)已知函數(shù).
(1)求曲線在點處的切線方程;
(2)證明:.
【解析】(1)的定義域為,
因為,所以曲線在點處的切線斜率為,
又,所以切線方程為,即.
(2),
令,則,
因為,
所以存在,使得,即,
易知在上單調(diào)遞增,
所以,當時,,在上單調(diào)遞減;
當時,,在上單調(diào)遞增.
所以當時,取得最小值:
,
由二次函數(shù)性質(zhì)可知,在上單調(diào)遞減,
所以,即,
所以.
【變式7-4】(2024·山東威?!ざ#┮阎瘮?shù).
(1)求的極值;
(2)證明:.
【解析】(1)由題意得的定義域為,
則,
當時,,在上單調(diào)遞增,無極值;
當時,令,則,令,則,
即在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
故為函數(shù)的極大值點,函數(shù)極大值為,無極小值;
(2)證明:設,
,令,
則,即在上單調(diào)遞增,
,
故,使得,即,
當時,,在上單調(diào)遞減,
當時,,在上單調(diào)遞增,
故
即,即,則.
題型八:同構(gòu)法
【典例8-1】已知函數(shù),.
(1)討論的單調(diào)區(qū)間;
(2)當時,證明.
【解析】解:(1)的定義域為,
,
①當時,,此時在上單調(diào)遞減,
②當時,由可得,由,可得,
在上單調(diào)遞減,在,上單調(diào)遞增,
③當時,由可得,由,可得,
在上單調(diào)遞增,在,上單調(diào)遞減,
證明(2)設,則,
由(1)可得在上單調(diào)遞增,
(1),
當時,,
當時,,
在上單調(diào)遞減,
當時,,
,
,
.
【典例8-2】已知函數(shù).
(1)討論函數(shù)的單調(diào)性;
(2)當時,求證:在上恒成立;
(3)求證:當時,.
【解析】(1)解:函數(shù)的定義域為,,
令,即,△,解得或,
若,此時△,在恒成立,
所以在單調(diào)遞增.
若,此時△,方程的兩根為:
,且,,
所以在上單調(diào)遞增,
在上單調(diào)遞減,
在上單調(diào)遞增.
若,此時△,方程的兩根為:
,且,,
所以在上單調(diào)遞增.
綜上所述:若,在單調(diào)遞增;
若,在,上單調(diào)遞增,
在上單調(diào)遞減.
(2)證明:由(1)可知當時,函數(shù)在上單調(diào)遞增,
所以(1),所以在上恒成立.
(3)證明:由(2)可知在恒成立,
所以在恒成立,
下面證,即證2 ,
設,,
設,,
易知在恒成立,
所以在單調(diào)遞增,
所以,
所以在單調(diào)遞增,
所以,
所以,即當時,.
法二:,即,
令,則原不等式等價于,
,令,則,遞減,
故,,遞減,
又,故,原結(jié)論成立.
【變式8-1】(2024·甘肅定西·一模)設函數(shù),
(1)證明:.
(2)當時,證明:.
【解析】(1)因為,其定義域為,則,
當時,;當時,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以,證畢.
(2)當時,,
而,
要證,即證,即證,
設,則,
當時,,則在上單調(diào)遞增,
且,
當時,,故只需證明,
由(1)知,在上成立,
故,即成立.
【變式8-2】(2024·甘肅白銀·三模)設函數(shù),.
(1)討論的單調(diào)性.
(2)證明:.
(3)當時,證明:.
【解析】(1)因為,易知定義域為,,
由,得到,由,得到或,
所以的增區(qū)間為,減區(qū)間為,.
(2)因為,易知定義域為,,
當時,,當時,,
即在區(qū)間上單調(diào)遞減,在區(qū)間上單調(diào)遞增,
所以.
(3)由(2)知,當且僅當時取等號,所以,當且僅當時取等號,
要證明,即證明,
令,則在區(qū)間上恒成立,
又,所以,所以,命題得證.
【變式8-3】(2024·廣東廣州·模擬預測)已知函數(shù)().
(1)求在區(qū)間上的最大值與最小值;
(2)當時,求證:.
【解析】(1)()(),
令,則,
當時,,所以在區(qū)間上恒成立,在區(qū)間上單調(diào)遞增,
所以,.
當時,,則當時,,在區(qū)間上單調(diào)遞減;
當時,,在區(qū)間上單調(diào)遞增,
所以,
而,.所以
綜上所述,當時,,;
當時,所以,.
(2)方法一:隱零點法
因為,,所以,欲證,只需證明,
設,(),,
令,易知在上單調(diào)遞增,
而,,
所以由零點的存在性定理可知,存在唯一的使得,
即,因此,,
當時,,,在上單調(diào)遞減;
當時,,,在上單調(diào)遞增;
所以
所以,因此.
方法二:(同構(gòu))
因為,,所以,欲證,只需證明,
只需證明,
因此構(gòu)造函數(shù)(),
,
當時,,在上單調(diào)遞減;
當時,,在上單調(diào)遞增:
所以,所以,
所以,
因此.
【變式8-4】(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù),.
(1)若曲線在處的切線與直線垂直,求的方程;
(2)若,求證:當時,.
【解析】(1)由題意知,,則,即.
因為切線與直線垂直,
所以直線的斜率為1,得,
則,
故的方程為,即.
(2)解法一 由題知,
當時,,故只需證.
令,則,
,在上單調(diào)遞增,且,,
所以在上有唯一零點,
設該零點為,則,且,
所以.
當時,,所以單調(diào)遞減;
當時,,所以單調(diào)遞增.
所以,
所以,故當時,.
解法二 由題知,
當時,,
故只需證,
即證.令,則,
當時,,單調(diào)遞增;當時,,單調(diào)遞減.
所以,即,當且僅當時取等號.
易知函數(shù)的值域為,
所以,
當且僅當時取等號,
故當時,.
題型九:泰勒展式和拉格朗日中值定理
【典例9-1】證明不等式:.
【解析】設,則,
,
代入的二階泰勒公式,有,
.
所以原題得證.
【典例9-2】已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間;
(2)若,對,恒成立,求實數(shù)的取值范圍;
(3)當時.若正實數(shù),滿足,,,,證明:.
【解析】解:(1),,△,
①時,恒成立,
故函數(shù)在遞增,無遞減區(qū)間,
②時,或,
故函數(shù)在,,遞增,在,遞減,
綜上,時,函數(shù)在遞增,無遞減區(qū)間,
時,函數(shù)在,,遞增,在,遞減,
(2),對,恒成立,
即,時,恒成立,
令,,則,
令,
則,在遞減且(1),
時,,,遞增,
當,,,遞減,
(1),
綜上,的范圍是,.
(3)證明:當時,,
,不妨設,
下先證:存在,,使得,
構(gòu)造函數(shù),
顯然,且,
則由導數(shù)的幾何意義可知,存在,,使得,
即存在,,使得,
又為增函數(shù),
,即,
設,則,,
①,
②,
由①②得,,
即.
【變式9-1】(2024·河南周口·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求函數(shù)在區(qū)間上的極值點的個數(shù).
(2)“”是一個求和符號,例如,,等等.英國數(shù)學家布魯克·泰勒發(fā)現(xiàn),當時,,這就是麥克勞林展開式在三角函數(shù)上的一個經(jīng)典應用.
證明:(i)當時,對,都有;
(ii).
【解析】(1),
令,則,
當時,,,則在上恒成立,
故在上單調(diào)遞減,即有在上單調(diào)遞減,
則,
故函數(shù)在區(qū)間上沒有極值點;
(2)(i)令,其中,,
則,
又當時,,
則
,
即,
令,
則,
令,
則,
由,故,又,
故恒成立,即在上單調(diào)遞增,
故,即在上恒成立,
即在上單調(diào)遞增,故,
即在上恒成立,故在上單調(diào)遞增,
則,即;
(ii)由,,
故要證,即證,
即證,只需證,
由(1)知,當時,,
則可令,此時,
則,即,
即,即,
故只需證,
令,,則,
由(i)知,當時,,
即,即,故在上單調(diào)遞增,
故,即,即得證.
【變式9-2】英國數(shù)學家泰勒發(fā)現(xiàn)的泰勒公式有如下特殊形式:當在處的階導數(shù)都存在時,.注:表示的2階導數(shù),即為的導數(shù),表示的階導數(shù),該公式也稱麥克勞林公式.
(1)根據(jù)該公式估算的值,精確到小數(shù)點后兩位;
(2)由該公式可得:.當時,試比較與的大小,并給出證明(不使用泰勒公式);
(3)設,證明:.
【解析】(1)令,則,,
,,
故,,,,,
由麥克勞林公式可得,
故.
(2)結(jié)論:,證明如下:
令,,則
令,則,
故在上單調(diào)遞增,,則
故在上單調(diào)遞增,,
即證得,故.
(3)由(2)可得當時,,
且由得,當且僅當時取等號,
故當時,,,
,
而
,
即有
故
而,
即證得.
【變式9-3】閱讀材料一:“裝錯信封問題”是由數(shù)學家約翰·伯努利(Jhann Bernulli,1667~1748)的兒子丹尼爾·伯努利提出來的,大意如下:一個人寫了封不同的信及相應的個不同的信封,他把這封信都裝錯了信封,問都裝錯信封的這一情況有多少種?后來瑞士數(shù)學家歐拉(Lenhard Euler,1707~1783)給出了解答:記都裝錯封信的情況為種,可以用全排列減去有裝正確的情況種數(shù),結(jié)合容斥原理可得公式:,其中.
閱讀材料二:英國數(shù)學家泰勒發(fā)現(xiàn)的泰勒公式有如下特殊形式:當在處階可導,則有:,注表示的階導數(shù),該公式也稱麥克勞林公式.閱讀以上材料后請完成以下問題:
(1)求出的值;
(2)估算的大?。ūA粜?shù)點后2位),并給出用和表示的估計公式;
(3)求證:,其中.
【解析】(1)因為,
所以,
,
,
所以.
(2)由麥克勞林公式,令,有
再取,可得,
所以估算值為.
在中,取,可得.
(3)證明:由麥克勞林公式,當時,令,有,猜想:
令,有,猜想:
令,由,所以,即.
令,由,
再令,則恒成立,
所以在上為增函數(shù),且,
所以在上為增函數(shù),
所以,即.
又時,,,所以.
令, 當,有,
則,命題得證.
題型十:分段分析法、主元法、估算法
【典例10-1】已知函數(shù).
(1)討論函數(shù)的導函數(shù)的單調(diào)性;
(2)若,求證:對,恒成立.
【解析】(1)由已知可得,,設,
則.
當時,有恒成立,所以,即在R上單調(diào)遞增;
當時,由可得,.
由可得,,所以,即在上單調(diào)遞減;
由可得,,所以,即在上單調(diào)遞增.
綜上所述,當時,在R上單調(diào)遞增;當時,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
(2)因為,所以對,有.
設,則.
解可得,或或.
由可得,,所以,函數(shù)在上單調(diào)遞增;
由可得,或,所以,函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞減.
所以,在處取得極大值,在處取得極小值.
又,所以,即.
所以,有,
整理可得,,
所以,有,恒成立.
【典例10-2】已知函數(shù).
(1)討論的單調(diào)性;
(2)證明:當,且時,.
【解析】(1),,
①當,即時,,在區(qū)間單調(diào)遞增.
②當,即時,
令,得,令,得,
所以在區(qū)間單調(diào)遞增;在區(qū)間單調(diào)遞減.
③當,即時,
若,則,在區(qū)間單調(diào)遞增.
若,令,得,令,得,
所以在區(qū)間單調(diào)遞減;在區(qū)間單調(diào)遞增.
綜上,時,在區(qū)間單調(diào)遞增;在區(qū)間單調(diào)遞減;
時,在區(qū)間單調(diào)遞增
時,在區(qū)間單調(diào)遞減、在區(qū)間單調(diào)遞增.
(2)證明:要證,即證,
即證.
令,,則,
所以在區(qū)間單調(diào)遞增,所以時,,
即時,.
令,,則在時恒成立,
所以,且時,單調(diào)遞增,
因為時,,,且,
所以,且時,,即.
所以,且時,.
【變式10-1】若定義在上的函數(shù)滿足,,.
(Ⅰ)求函數(shù)解析式;
(Ⅱ)求函數(shù)單調(diào)區(qū)間;
(Ⅲ)若、、滿足,則稱比更接近.當且時,試比較和哪個更接近,并說明理由.
【解析】解:(Ⅰ)根據(jù)題意,得(1),
所以(1)(1),即.
又(1),
所以.
(Ⅱ),
,
①時,,函數(shù)在上單調(diào)遞增;
②當時,由得,
時,,單調(diào)遞減;
時,,單調(diào)遞增.
綜上,當時,函數(shù)的單調(diào)遞增區(qū)間為;
當時,函數(shù)的單調(diào)遞增區(qū)間為,單調(diào)遞減區(qū)間為.
(Ⅲ)解:設,,
,
在,上為減函數(shù),又(e),
當時,;當時,.
,,
在,上為增函數(shù),又(1),
,時,,
在,上為增函數(shù),
(1).
①當時,,
設,
則,
在,上為減函數(shù),
(1),
當,
,
,
比更接近.
②當時,,
設,則,,
在時為減函數(shù),
(e),
在時為減函數(shù),
(e),
,
比更接近.
綜上:在且時時,比更接近.
【變式10-2】已知函數(shù),其中,為自然對數(shù)的底數(shù).
(1)當時,討論函數(shù)的單調(diào)性;
(2)當時,求證:對任意的,,.
【解析】解:(1)當時,,
則,
,
故
則在上單調(diào)遞減.
(2)當時,,
要證明對任意的,,.
則只需要證明對任意的,,.
設(a),
看作以為變量的一次函數(shù),
要使,
則,即,
恒成立,①恒成立,
對于②,令,
則,
設時,,即.
,,
在上,,單調(diào)遞增,在上,,單調(diào)遞減,
則當時,函數(shù)取得最大值
,
故④式成立,
綜上對任意的,,.
題型十一:割線法證明零點差大于某值,切線法證明零點差小于某值
【典例11-1】(2024·河南·模擬預測)已知,函數(shù)的圖象在點處的切線方程為.
(1)求a,b的值;
(2)若方程(e為自然對數(shù)的底數(shù))有兩個實數(shù)根,且,證明:
【解析】(1)因為,所以,
由題意知,所以,
聯(lián)立方程組,解得.
(2)由(1)可知,,
,設,
,
所以即在上單調(diào)遞增.
又,所以存在,使得,
且時,,時,,
故在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
設,令,
則,
因為在上單調(diào)遞增,
所以在上單調(diào)遞增.
又,所以當時, ,當時,.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
故,即,當且僅當時,等號成立.
因為方程有兩個實數(shù)根,且,
也就是,且注意到在上單調(diào)遞增,
所以,
所以,即 .
設 的根為:,則 ,
又在上單調(diào)遞增,所以 ,
故①.
易知的圖象在坐標原點處的切線方程為,
令,
則 ,
因為在上單調(diào)遞增,
所以在上單調(diào)遞增.
又 ,
所以當時, ,當時,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
所以,,當且僅當時,等號成立.
因為,所以,即.
設的根為,則,
又在上單調(diào)遞減,
所以,所以,
從而②.
由①②可知:.
【典例11-2】已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的單調(diào)性;
(2)若有兩個不相等的零點,且.
①證明:隨的增大而增大;
②證明:.
【解析】(1)由可得,
令,故在單調(diào)遞增,
令,故在單調(diào)遞減,
故在單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減
(2)①由于有兩個不相等的零點,且.
所以是的兩個實數(shù)根,
由(1)知,在單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減,且,
當時,,當時,,
故,
對任意的,設,
則其中
其中
由于在單調(diào)遞減,,故,所以,
在單調(diào)遞增,,故,所以,
又,所以,
所以,故隨的增大而增大;
②設,
令,則;
令在單調(diào)遞增,
在單調(diào)遞減,
故,故在恒成立,
此時恒成立,
由①知所以,即,
令,
記,則,
當時,,在單調(diào)遞減,
時,,在單調(diào)遞增,
故,進而,
因此,
所以,故,即,進而,
又因為,
所以,得證
【變式11-1】(2024·重慶·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求證:;
(2)若是的兩個相異零點,求證:.
【解析】(1)令,則.
令,得;令,得.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
所以,所以.
(2)易知函數(shù)的定義域是.
由,可得.
令得;令得.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以.
①當,即時,至多有1個零點,故不滿足題意.
②當,即時,.
因為在上單調(diào)遞增,且.所以,
所以在上有且只有1個零點,不妨記為,且.
由(1)知,所以.
因為在上單調(diào)遞減,,
所以在上有且只有1個零點,記為,且.
所以,所以.
同理,若記
則有,
綜上所述,.
題型十二:函數(shù)與數(shù)列不等式問題
【典例12-1】(2024·安徽馬鞍山·模擬預測)已知函數(shù).
(1)證明:時,;
(2)證明:.
【解析】(1)證明:要證,只要證,
即證時,,
令,
則,
所以在上單調(diào)遞增,
所以,所以時,,
所以時,.
(2)證明:由(1)知,
令得,即,
所以,
,
,
……,
,
所以
,
即.
【典例12-2】(2024·陜西西安·模擬預測)已知函數(shù)
(1)若函數(shù)在內(nèi)點處的切線斜率為,求點的坐標;
(2)①當時,求在上的最小值;
②證明:.
【解析】(1)設點.
由于,則,得,
則,且,所以點的坐標為.
(2)①,
則,記,
則
易知在上單調(diào)遞減,且,
,即,
所以,當時,,在上單調(diào)遞增;
當時,,在上單調(diào)遞減.
因為,
所以時,,在單調(diào)遞增,
所以,當時,取得最小值.
②由①可知,時恒成立,即恒成立.
設,則,
當時,,在上單調(diào)遞增,
所以,所以,
又,所以,
取,則,
,得證.
【變式12-1】(2024·江蘇南通·模擬預測)已知函數(shù),且在上的最小值為0.
(1)求實數(shù)的取值范圍;
(2)設函數(shù)在區(qū)間上的導函數(shù)為,若對任意實數(shù)恒成立,則稱函數(shù)在區(qū)間上具有性質(zhì).
(i)求證:函數(shù)在上具有性質(zhì);
(ii)記,其中,求證:.
【解析】(1),,,
,,令
,等號不同時取,
所以當時,,在上單調(diào)遞增,
①若,即,,在上單調(diào)遞增,
所以在上的最小值為,符合題意.
②若,即,此時,
,
又函數(shù)在的圖象不間斷,
據(jù)零點存在性定理可知,存在,使得,
且當時,,在上單調(diào)遞減,
所以,與題意矛盾,舍去.
綜上所述,實數(shù)的取值范圍是.
(2)(i)由(1)可知,當時,.
要證函數(shù)在上具有性質(zhì).
即證:當時,.
即證:當時,.
令,,則,
即,,,
所以在上單調(diào)遞增,.
即當時,,得證.
(ii)法一:由(i)得,當時,,
所以當時,.
下面先證明兩個不等式:①,其中;②,其中.
①令,,則,在上單調(diào)遞增,所以,即當時,.
②令,,則,
所以在上單調(diào)遞增,故,
即當時,,故,得.
據(jù)不等式②可知,當時,,
所以當時,.
結(jié)合不等式①可得,當時,
.
所以當時,
當,時,,有.
所以.
又,
所以
法二:要證:.
顯然,當時,,結(jié)論成立.
只要證:當,時,.
即證:當,時,.
令,.
所以,,
所以,在上單調(diào)遞減,
所以,在上單調(diào)遞增,
所以,在上單調(diào)遞增,
所以,即當時,.
所以當,時,,有,
所以當,時,.
所以
【變式12-2】(2024·天津·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求在點處的切線方程;
(2)若恒成立,求的值;
(3)求證:.
【解析】(1),有,
因為,所以,
則曲線在點處的切線方程為.
(2)因為,的定義域為,
所以是的極大值點,因為,
所以,所以,
需驗證,當時,恒成立即可,
因為,
令,則,
①當時,,則在上單調(diào)遞減,
所以在上單調(diào)遞增,,
②當時,,則在上單調(diào)遞減,所以,
綜上,符合題意.
所以恒成立時,.
(3)由(2)可知,,當且僅當時取等號,
當時,,所以,
,
因為
,
所以即證,
令,則,當時,,,
所以即證:,
令,則,
所以時,單調(diào)遞減,
所以,即,
綜上,.
【變式12-3】(2024·湖南衡陽·三模)已知正項數(shù)列的前項和為,首項.
(1)若,求數(shù)列的通項公式;
(2)若函數(shù),正項數(shù)列滿足:.
(i)證明:;
(ii)證明:.
【解析】(1)正項數(shù)列中,,,,當時,,
兩式相減得,即,
而,則,因此數(shù)列是首項為1,公差為2的等差數(shù)列,
所以數(shù)列的通項公式為.
(2)(i)令,求導得,當時,,當時,,
即函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,則,即,
于是,
即,即,
當時,,
當時,因此,
所以
(ii)由已知,所以,得,
當時,,于是,
當時,,
又,所以,恒有,當時,,
由,得當時,,
則當時,,
從而
,
于是,
所以.
題型十三:三角函數(shù)
【典例13-1】(2024·全國·三模)已知函數(shù)在處的切線方程為.
(1)求a的值;
(2)證明:.
【解析】(1)由題意可得函數(shù)的定義域為,
又,函數(shù)在處的切線方程為,其斜率為,
得:,解得.
(2)注意到,且,
則,,
令,則.
令,則,
所以在上單調(diào)遞增,即在上單調(diào)遞增.
因為,所以當時,;當時,,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增.
所以,即,
所以在上單調(diào)遞增.
因為,所以當時,;當時,,
所以.
【典例13-2】(2024·遼寧·模擬預測)已知函數(shù),
(1)求的最小值;
(2)證明:.
【解析】(1)令,由可知,
構(gòu)建,
則在內(nèi)恒成立,
可知在內(nèi)單調(diào)遞減,則,
所以的最小值為1.
(2)由(1)可知:,即,
又因為,則,
可得,則,
構(gòu)建,,則在內(nèi)恒成立,
可知在內(nèi)單調(diào)遞增,則,
即,可得,
注意到,則,
所以.
【變式13-1】(2024·四川廣安·二模)已知函數(shù).
(1)若存在極值,求的取值范圍;
(2)若,,證明:.
【解析】(1)由,,得,
當時,,則單調(diào)遞增,不存在極值;
當時,令,則,
當,則,即在上單調(diào)遞減,
當,則,即在上單調(diào)遞增.
所以是的極小值點,
所以當時,存在極值,
綜上所述,存在極值時,的取值范圍是.
(2)欲證不等式在時恒成立,
只需證明在時恒成立.
設,,
則,
令,,
則.
當時,,所以,
所以即在上單調(diào)遞增,
所以,
因為,所以,
故,所以在上單調(diào)遞增,
所以,
即當,時,不等式恒成立.
【變式13-2】已知函數(shù),(為自然對數(shù)的底數(shù)).
(1)求曲線在處的切線方程
(2)若不等式對任意恒成立,求實數(shù)的最大值;
(3)證明:.
【解析】(1)函數(shù),,,
,,
所以曲線在處的切點坐標為,切線斜率為0,
切線方程為.
(2)
,
因為,所以,
則,,所以函數(shù)在上單調(diào)遞減.
,,
所以函數(shù)的值域為.
若不等式對任意恒成立,
則實數(shù)的最小值為,所以實數(shù)的最大值為.
(3),
設,則,
令,則,所以在上單調(diào)遞增,
,,
則有,,
故存在,使得,即,
所以當時,,當時,,
在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
故當時,函數(shù)有極小值,且是唯一的極小值,
故函數(shù),
,,
故,
所以
即.
【變式13-3】(2024·廣東湛江·二模)已知函數(shù).
(1)求曲線在點處的切線方程;
(2)若,,且,證明:.
【解析】(1)由,得,
則,,.
故曲線在點處的切線方程為,
即.
(2)證明:由,,且,不妨設,,,
則證明等價于證明,,
即證,從而構(gòu)造函數(shù),利用其調(diào)性證明結(jié)論.
令,則,當時,,在單調(diào)遞減,
故,,即,,
則
,
要證,
只需證.
令,則,
令,得.
令,,則,
令,,則在上恒成立,
則,則在上恒成立,則在上單調(diào)遞增.
當時,,則,
則,在單調(diào)遞減,
當時,,則,
則,在單調(diào)遞增.
因為,所以,即在上恒成立,
從而.
1.(2024·安徽蚌埠·模擬預測)已知函數(shù),其中.
(1)若,證明:時,;
(2)若函數(shù)在其定義域內(nèi)單調(diào)遞增,求實數(shù)的值;
(3)已知數(shù)列的通項公式為,求證:.
【解析】(1)由題意可知:等價于,其中.
構(gòu)建,
則,
可知在上單調(diào)遞減,則時,,
所以時,.
(2)由題意可知:,
則
①若,則,由可得,
可知在上單調(diào)遞減,不合題意;
②若,則,
可知上為增函數(shù),符合題意;
③若,則,由可得,
可知在上單調(diào)遞減,不合題意;
綜上所述:.
(3)由(2)知:在上單調(diào)遞增,
所以時,,即,
由(1)知:時,,
則,
所以時,,
令得:,
即,
因為,
所以,
由知:,又因為,
所以,
所以.
2.(2024·湖南長沙·三模)已知函數(shù).
(1)判斷并證明的零點個數(shù)
(2)記在上的零點為,求證;
(i)是一個遞減數(shù)列
(ii).
【解析】(1)當為奇數(shù)時,有1個零點;當為偶數(shù)時,有2個零點.
證明如下:
當時,由,得,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,又,,
所以函數(shù)在內(nèi)有唯一零點;
當時,,
若為奇數(shù),,則,此時在內(nèi)無零點;
若為偶數(shù),設,
則,方程有一個解,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
且,此時在內(nèi)有1個零點.
綜上,當為奇數(shù)時,有1個零點;當為偶數(shù)時,有2個零點.
(2)(i)由(1)知,當時,在在內(nèi)的零點,
當時,,,
則,
故,所以數(shù)列是一個遞減數(shù)列;
(ii)由(i)知,當時,,
當時,,
有,所以,求和可得
,當且僅當時等號成立;
當時,,
故,則,得,
即,即,即,
即,即,
即,當時,,
所以當時,均有成立,求和可得
.
綜上,.
3.(2024·山東·模擬預測)已知函數(shù),其中.
(1)當時,判斷的單調(diào)性;
(2)若存在兩個極值點.
(ⅰ)證明:;
(ⅱ)證明:時,.
【解析】(1)函數(shù)的定義域為,
則,
令,,則,
所以當時,當時,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以在處取得極小值,即最小值,所以,
所以在上恒成立,
所以在上單調(diào)遞增;
(2)(ⅰ)由(1)可知在上的最小值為,
當時,當時,
若存在兩個極值點,則有兩個不相等的實數(shù)根,
所以,解得,
又,所以,
且當時,即,則單調(diào)遞增,
當時,即,則單調(diào)遞減,
當時,即,則單調(diào)遞增,
所以為的極大值點,為的極小值點,
因為,所以,
要證,即證,又,
只需證,
即證,即證,
令,則,
所以在上單調(diào)遞增,
所以,即成立,
所以;
(ⅱ)由(ⅰ)知,,
且當時,當時,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以
,
令,則,
所以在上單調(diào)遞增,
所以,即,
所以,
所以.
4.已知,.
(1)若,判斷函數(shù)在的單調(diào)性;
(2)設,對,,有恒成立,求k的最小值;
(3)證明:..
【解析】(1)由題意,函數(shù),.
則,又,故,而,
所以,故在上單調(diào)遞增.
(2)由題意知,,對,,有恒成立.
,設,則,
由于,故,時,單調(diào)遞增,
又,,因此在內(nèi)存在唯一零點,使,即,且當,,,單調(diào)遞減;
,,,單調(diào)遞增.
故,
故,由于,則,
故,即,
設,,,
又設,故在上單調(diào)遞增,
因此,即,在上單調(diào)遞增,
,又,所以,故所求k的最小值為2.
(3)由(1)可知時,,即,
設,則,
因此,
即,得證.
5.(2024·陜西西安·模擬預測)已知函數(shù).
(1)若函數(shù)在上單調(diào)遞增,求實數(shù)的值;
(2)求證:.
【解析】(1)由題意,得,
由函數(shù)在上單調(diào)遞增,得在上恒成立,
令,則,
當時,因為,所以恒成立,
則在上單調(diào)遞增,又,所以恒大于等于0不成立.
當時,由得,
所以當,當,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
則,
若恒成立,則,
令,則,
當時,,當時,,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
所以,
所以當時,.
綜上,若函數(shù)在上單調(diào)遞增,則.
(2)由(1)得,當時,恒成立,
即,當且僅當時等號成立,
令,則,
所以
令,則恒成立,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,
故當時,,即,
所以,
所以 ,
故得證.
6.(2024·河北·三模)已知函數(shù).
(1)若在恒成立,求實數(shù)a的取值范圍;
(2)證明:.
【解析】(1)在恒成立.
構(gòu)造函數(shù),則在恒成立.
當時,,所以在遞增,
所以,矛盾,故舍去
當時,由得,所以在遞增,
故,均有,矛盾,故舍去
當時,,所以在遞減,
所以,滿足題意;
綜上,實數(shù)a的取值范圍為
(2)由(1)知當時,恒成立,
即在恒成立
且當且僅當時取等號.
所以當時,可得
同理,,,
兩邊分別累加得:
即
即
7.(2024·河北滄州·模擬預測)已知函數(shù).
(1)求的值域;
(2)求證:當時,.
【解析】(1),,
令,則,,
則,
令,,則,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,所以,即,
故的值域為.
(2)令函數(shù),,則,
所以在上單調(diào)遞增,所以,
故當時,,所以.
由(1)知,當1時,
所以當時,,
所以,
令,其中,,2,3,,n,
則,
所以,,
,,,
以上n個式子相加得
,
即當時,.
8.已知函數(shù).
(1)當時,求的極值;
(2)當時,不等式恒成立,求的取值范圍;
(3)證明:.
【解析】(1)當時,,,
則,
令,得;令,得,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減;
所以在處取到極大值,無極小值.
(2)因為,恒成立,所以恒成立,
令,則,
令,則恒成立,
即在區(qū)間上單調(diào)遞減,
所以,即,所以時,,
所以在區(qū)間上單調(diào)遞減,故,所以,
所以實數(shù)的取值范圍為.
(3)由(2)可知,取,當時,,所以,
取,則有,即,
所以
將上述式子相加得
即
9.已知,函數(shù),.
(1)若函數(shù)的最小值是0,求實數(shù)m的值;
(2)已知曲線在點處切線的縱截距為正數(shù).
(?。┳C明:函數(shù)恰有兩個零點;
(ⅱ)證明:.
【解析】(1)因為,則,且,
令,解得;令,解得;
可知在內(nèi)單調(diào)遞減,在內(nèi)單調(diào)遞增,
則的最小值為,解得.
(2)由(1)可知:,,
可得,,
即切點坐標為,斜率,
則切線方程為,令,可得,
由題意可得:,且,解得;
(i)因為,
可知的定義域為,,
設,則在內(nèi)恒成立,
可知函數(shù)在上遞增,
由(1)可知:當時,,
即,當且僅當時,等號成立,
則,
可得,
又因,由零點的存在性定理可得,
存在,使得,即,(*)
當時,,即,為減函數(shù),
當時,,即,為增函數(shù),
又因為,,
設,則,
所以函數(shù)在上遞增,
所以,即,
因為,所以,即,所以,
則,
所以,且,
當時,,
所以由的單調(diào)性可知,且,
所以當時,,為減函數(shù),
當時,,為增函數(shù),
所以由零點的存在性定理可知,在區(qū)間上存在唯一的零點,
,且,
所以由零點的存在性定理可知,在區(qū)間上存在唯一的零點,
所以函數(shù)恰有兩個零點,
(ii)因為,即,
則,
所以,
有基本不等式可得,
當且僅當,即時,取等號,
由,由可得,這與矛盾,所以,
所以,
要證,即證,
設,
則
所以函數(shù)在上遞減,
所以當時,,
因為,所以,
所以,
又,所以.
10.(2024·河北邢臺·二模)已知函數(shù),
(1)當時,求函數(shù)在處的切線方程;
(2)若恒成立,求實數(shù)a的取值范圍;
(3)證明:.
【解析】(1)此時,故.
所以,,故所求切線經(jīng)過點,斜率為.
故該切線的方程為,即.
(2)結(jié)論即為.
設,則.
故當即時,當即時.
所以在上遞增,在上遞減,從而的最大值就是,且恰在時取到.
所以的取值范圍是.
(3)由(2)的結(jié)論,知當正數(shù)時,有,故.
從而
.
11.(2024·廣東廣州·三模)已知函數(shù).
(1)求的極值;
(2)已知,證明:.
【解析】(1)由題意知:定義域為,;
①當時,,,
在上單調(diào)遞增,無極值;
②當時,令,解得:,
當時,;當時,;
在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
的極小值為,無極大值;
綜上所述:當時,無極值;當時,的極小值為,無極大值.
(2)令,則,
由(1)知:,,即,
令,則且,,,
取,則,即,
令,則,
在上單調(diào)遞增,,即,
,
即.
12.已知函數(shù).
(1)證明:.
(2)已知,證明:.
【解析】(1)函數(shù)的定義域為R,,
由得,由得,
故在區(qū)間上單調(diào)遞增,在區(qū)間上單調(diào)遞減,
故的最小值是,所以.
(2)由(1)得,.令,其中,則,即,
令,則,
所以,.
令,則且不恒為零,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,故,則.
所以,.
所以
,問題得證.
13.已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的最大值.
(2)證明:當且時,.
【解析】(1)易知函數(shù)的定義域為.
因為,所以.
因為,所以當時,.
當時,,在上單調(diào)遞增;
當時,,在上單調(diào)遞減.
所以當時,.
(2)由(1)得,變形得,
當時等號成立.所以令,得,即;
令,得,即;
令,得,即.
所以當且時,.
由(1)得,變形得,當?shù)忍柍闪ⅲ?br>所以令,得,即;
令,得,即.
令,得,即.
所以當且時,.
又因為,所以當且時,.
14.(2024·貴州黔東南·二模)已知函數(shù)在處的切線為軸.
(1)求實數(shù)的值;
(2)若,證明:.
【解析】(1)由題可得,,
,
.
(2)證明:由(1)可知:,
函數(shù)在上單調(diào)遞增,
當時,,
,,,
,即,
,
.
15.(2024·福建莆田·三模)已知函數(shù),其中.
(1)當時,,求的取值范圍.
(2)若,證明:有三個零點,,(),且,,成等比數(shù)列.
(3)證明:().
【解析】(1)(解法一)由題意可知的定義域為,
,
設,其中.
①當,即時,,所以,單調(diào)遞增,
所以當時,,故滿足題意;
②當,且,即時,,
所以,單調(diào)遞增,
所以當時,,故滿足題意;
③當,且,即時,
設的兩根為,,
解得,,
則當時,,所以,單調(diào)遞減,
則,故不滿足題意 .
綜上,的取值范圍是 .
(解法二)由題意可知的定義域為,
,
因為,,所以,解得,
以下證明滿足題意.
由可知,,所以當時,,
設,,所以為遞增函數(shù),
所以,所以,
綜上,a的取值范圍是.
(2)由(1)可知,當時,在和上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
因為,所以,,
取,,
(其中,所以,即),
取,.
(其中,所以,即),
所以在上存在唯一零點,即在上存在唯一零點,在上存在唯一零點,即在上存在唯一零點,且,
所以,,
又,所以也是函數(shù)的零點,
顯然且,所以,即,所以,所以,,成等比數(shù)列.
(3)由(1)可知當時,為單調(diào)遞增函數(shù),
所以當時,,即,
整理得,即,
所以(),
則(),
故().
16.(2024·廣東揭陽·二模)已知函數(shù).
(1)當時,證明:是增函數(shù).
(2)若恒成立,求的取值范圍.
(3)證明:(,).
【解析】(1)當時,,定義域為,
則.
令,則在上恒成立,
則在上單調(diào)遞增,
則,故在上恒成立,是增函數(shù).
(2)當時,等價于,
令,則,
令,則,
當時,,單調(diào)遞增,
當時,,單調(diào)遞減,所以.
所以當時,,單調(diào)遞增,當時,,單調(diào)遞減,
則,所以,即,故的取值范圍為.
(3)證明:由(2)可知,當時,有,則,
所以,…,,
故.
17.已知函數(shù).
(1)證明:,總有成立;
(2)設,證明:.
【解析】(1)令,則因為,,
令,則,
又令,則,
當時,在上單調(diào)遞減,所以,
所以時,在上單調(diào)遞減,
所以,即,總有成立;
(2)由(1)知即對任意的恒成立.
所以對任意的,有,整理得到:,
故,
故不等式成立.
18.求證:.
【解析】令,由于,
因此在上單調(diào)遞減,
不妨令,于是,即,
即,所以,
又,所以,
可得,
所以,
令,,則,
所以,
所以
,
即.
19.(2024·河南·二模)已知函數(shù).
(1)討論的單調(diào)性;
(2)若對任意恒成立,求的取值范圍;
(3)證明:.
【解析】(1)由,有.
當時,,
所以在上單調(diào)遞減;
當時,有,
故當時,當時.
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.
綜上,當時,在上單調(diào)遞減;
當時,在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減.
(2)先證明一個結(jié)論:對任意實數(shù)都有,且不等號兩邊取等當且僅當.
證明:設,則,
從而當時有,當時有.
從而在上遞減,在上遞增,
故,即,且等號只在時成立,這就證明了結(jié)論.
回到原題.
代入的表達式,將題目中的不等式等價變形為.
整理得到,故我們要求的取值范圍使得對恒成立.
一方面,若該不等式恒成立,則特別地對于成立,即,從而;
另一方面,若,則對,利用之前證明的結(jié)論可以得到,再取對數(shù)又能得到,
所以,故原不等式對任意恒成立.
綜上,的取值范圍是.
(3)對,由于,故由(2)證明的結(jié)論,有,再取對數(shù)得到.
所以
,這就證明了結(jié)論.
20.已知函數(shù) (),.
(1)求函數(shù)的極值;
(2)若對任意的恒成立,求實數(shù)的取值范圍;
(3)求證:時,.
【解析】(1),
當,恒成立,無極值;
當時,令,解得,
所以在單調(diào)遞減;在上單調(diào)遞增;
所以極小值為;
因為恒成立,所以在上單調(diào)遞增,
所以無極值.
(2)因為對任意的恒成立,
即對任意的恒成立.
設,注意到,
,令,
則在為增函數(shù),且,
所以恒成立,即單調(diào)遞增,
其中,
若,則恒成立,此時單調(diào)遞增,又,
所以恒成立,
即在上恒成立,即結(jié)論成立;
若,則,
又,
故由零點存在性定理可知,在內(nèi)存在,使得,
當時,,所以單調(diào)遞減,又,
所以當時,,即,不合題意,舍去;
綜上:實數(shù)的取值范圍是.
(3)構(gòu)造函數(shù),,
,
令,
則,
當時,恒成立,
所以在上單調(diào)遞增,
所以,故在單調(diào)遞增,
,即,
構(gòu)造函數(shù),,
,
所以在上為單調(diào)遞增,
所以,即,
所以,
即時,,證畢.
21.(2024·全國·模擬預測)已知函數(shù).
(1)若函數(shù)有兩個極值點,求的取值范圍;
(2)若曲線在點處的切線與軸垂直,求證:.
【解析】(1)由題,,
函數(shù)的定義域為,
,
因為有兩個極值點,
所以方程有兩個不相等的正實根,
設為,且,得,
且,得.
當時,單調(diào)遞減;
當時,單調(diào)遞增;
當時,單調(diào)遞減.
所以在處有極小值,在處有極大值,
因此的取值范圍是.
(2)因為,則,
由題意知,得,
故,所以,
即,
即.
令,則,
當時,單調(diào)遞減,
當時,單調(diào)遞增,
所以.
令,則,
當時,單調(diào)遞增,
當時,單調(diào)遞減,
所以.
顯然與不同時為0,
所以,故.
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