导数与不等式证明

函数与导数B 档L2近3年考频 5 次

常见题型:choice、fill、short

导数与不等式证明 - 函数与导数

核心概念

要点

公式

公式:

f(x) \geq g(x) \Leftrightarrow h(x)=f(x)-g(x) \geq 0

适用条件:

f(x)和g(x)在定义域内可导

解释:

不等式证明转化为函数恒非负问题,通过导数求h(x)的最小值

公式:

\ln x \leq x-1 \quad (x>0)

适用条件:

x>0

解释:

常用对数放缩不等式,等号在x=1时成立

公式:

e^x \geq x+1 \quad (x \in $\mathbb{R}$)

适用条件:

x为任意实数

解释:

指数函数切线放缩,等号在x=0时成立

解题方法

常见误区

原因分析:

导数大小关系仅反映变化率,不能直接传递到函数值的大小,需通过构造函数求最值

正确做法:

将不等式移项构造新函数F(x)=f(x)-g(x),通过F(x)的导数研究其单调性和最值

错误做法:

直接对原不等式两边求导,认为导数大小关系能推出原函数大小关系

原因分析:

导数证明中常涉及ln x、1/x等,未考虑定义域会导致单调区间或最值点错误

正确做法:

解题前明确函数定义域,并在单调区间讨论时标注范围

错误做法:

忽略定义域限制,如对数函数x>0或分式分母不为0

原因分析:

对常见放缩不等式记忆不牢或未注意等号成立条件

正确做法:

熟记e^x ≥ x+1和ln x ≤ x-1,并验证等号成立点

错误做法:

使用切线放缩时混淆不等号方向,如误用e^x ≤ x+1

典型例题

例题 1

已知函数f(x)=e^x - ax - 1,a∈R。证明:当a=1时,f(x) ≥ 0对任意x∈R恒成立。

解答

步骤1:当a=1时,f(x)=e^x - x - 1。求导得f'(x)=e^x - 1。步骤2:令f'(x)=0,得x=0。当x<0时,f'(x)<0;当x>0时,f'(x)>0。故f(x)在(-∞,0)递减,在(0,+∞)递增。步骤3:f(x)的最小值为f(0)=1-0-1=0,因此f(x)≥0恒成立。

要点:

  • 通过求导确定函数单调性,找到最小值点
  • 验证最小值等于0完成证明

例题 2

已知函数f(x)=x\ln x,g(x)=ax^2 - x。若对任意x>0,f(x) ≥ g(x)恒成立,求实数a的取值范围。

解答

步骤1:由题意,x\ln x ≥ ax^2 - x ⇒ x\ln x + x ≥ ax^2。当x>0时,两边除以x得:\ln x + 1 ≥ ax。步骤2:令h(x)=\ln x + 1 - ax,则h(x)≥0恒成立。求导h'(x)=1/x - a。步骤3:讨论a≤0时,h'(x)>0,h(x)单调递增,但x→0+时h(x)→-∞,不满足。a>0时,令h'(x)=0得x=1/a。h(x)在(0,1/a)增,在(1/a,+∞)减,最大值h(1/a)= -\ln a。要求-\ln a ≥ 0,即\ln a ≤ 0,得0<a≤1。综上a∈(0,1]。

要点:

  • 分离参数后构造新函数h(x)
  • 利用导数求最值并建立不等式

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