談?wù)劷陙?lái)高考?jí)狠S題中導(dǎo)數(shù)綜合應(yīng)用問(wèn)題的解決策略
——以解析式中含有ex,lnx 為例

張雪麗

(安徽省蕭城一中)

導(dǎo)數(shù)的綜合應(yīng)用問(wèn)題是高考的必選題,基本上出現(xiàn)在第20或21題,難度較大,能拉開區(qū)分度.這類考題一般圍繞y＝ex,y＝lnx與其他初等函數(shù),綜合考查函數(shù)的單調(diào)性、最值、零點(diǎn)、極值點(diǎn)、恒成立等,技巧性高、綜合性強(qiáng),更能充分考查學(xué)生的數(shù)學(xué)抽象、直觀想象、邏輯推理、數(shù)學(xué)建模等核心素養(yǎng),彰顯學(xué)生思維的靈活性及多樣性.近5年來(lái)高考全國(guó)卷的14份考卷中有10份涉及ex或lnx函數(shù)模型,下面結(jié)合幾道典型的高考題說(shuō)明這類導(dǎo)數(shù)綜合應(yīng)用問(wèn)題的解決策略.

1 含有ex 的函數(shù)模型構(gòu)造法

例1(2018年全國(guó)Ⅱ卷理21)已知函數(shù)f(x)＝ex－ax2.

(1)若a＝1,證明:當(dāng)x≥0時(shí)f(x)≥1;

(2)若f(x)在(0,＋∞)只有一個(gè)零點(diǎn),求a.

(1)略.

(2)方法1直接利用原函數(shù)模型

當(dāng)a≤0時(shí),f(x)＞0恒成立,所以f(x)在(0,＋∞)上無(wú)零點(diǎn).

當(dāng)a＞0時(shí),f′(x)＝ex－2ax,再次求導(dǎo)可得

從而 當(dāng)x∈(0,ln2a)時(shí),f″(x)＜0,當(dāng)x∈(ln2a,＋∞)時(shí),f″(x)＞0,所以f′(x)在(0,ln2a)上單調(diào)遞減,在(ln2a,＋∞)上單調(diào)遞增.

當(dāng)x＝ln2a時(shí),有

當(dāng)1－ln2a＞0,即a＜時(shí),f′(x)＞0,即f(x)在(0,＋∞)上單調(diào)遞增,且f(0)＝1,從而f(x)無(wú)零點(diǎn),所以1－ln2a＜0,f′(ln2a)＜0.

又因?yàn)閒′(0)＝1＞0,所以存在x0∈(0,ln2a)使f′(x0)＝0,從而當(dāng)x∈(0,x0)時(shí),f′(x)＞0,當(dāng)x∈(x0,ln2a)時(shí),f′(x)＜0.又因?yàn)椋?,所以存在x1＞ln2a,使f′(x1)＝0,即ex1－2ax1＝0.從而當(dāng)x∈(x0,x1)時(shí),f′(x)＜0.

當(dāng)x∈(0,x0)或(x1,＋∞)時(shí),f′(x)＞0,所以函數(shù)f(x)在(x0,x1)上單調(diào)遞減,在(0,x0),(x1,＋∞)上單調(diào)遞增.

然而,端點(diǎn)值f(0)＝1,極小值f(x1)＝ex1－,所以f(x)有唯一的零點(diǎn)x1,即ex1－＝0,結(jié)合ex1－2ax1＝0,可以求得x1＝2,a＝.

方法2 構(gòu)造成“常數(shù)＋因式·et”型.

構(gòu)造函數(shù)h(x)＝＝1－ax2e－x(x∈(0,＋∞)).f(x)在(0,＋∞)上只有一個(gè)零點(diǎn)?h(x)在(0,＋∞)上只有一個(gè)零點(diǎn),接著研究h(x)＝1－ax2e－x.

當(dāng)a≤0時(shí),h(x)＞0,h(x)沒(méi)有零點(diǎn).

當(dāng)a＞0時(shí),h′(x)＝e－xax(x－2).當(dāng)x∈(0,2)時(shí),h′(x)＜0;當(dāng)x∈(2,＋∞)時(shí),h′(x)＞0,所以h(x)在(0,2)上單調(diào)遞減,在(2,＋∞)上單調(diào)遞增,故h(2)＝1－是h(x)在(0,＋∞)上的最小值.

若h(2)＞0,即a＜,則h(x)在(0,＋∞)上沒(méi)有零點(diǎn);若h(2)＝0,即a＝,則h(x)在(0,＋∞)上只有一個(gè)零點(diǎn);若h(2)＜0,即a＞,因?yàn)閔(0)＝1＞0,所以h(x)在(0,2)上有一個(gè)零點(diǎn).

由(1)知,當(dāng)x＞0時(shí),ex＞x2,所以

故h(x)在(2,4a)上有一個(gè)零點(diǎn),因此h(x)在(0,＋∞)上有兩個(gè)零點(diǎn).

綜上,f(x)在(0,＋∞)上只有一個(gè)零點(diǎn)時(shí),a＝

方法3分離參數(shù)構(gòu)造函數(shù)模型

因?yàn)閒(x)＝ex－ax2在(0,＋∞)上只有一個(gè)零點(diǎn),所以方程ex－ax2＝0在(0,＋∞)上只有一個(gè)解,等價(jià)于＝a在(0,＋∞)上只有一個(gè)根.

含有ex的函數(shù)模型常用的構(gòu)造方法如下,1)直接利用原函數(shù),有時(shí)也可分為兩個(gè)初等函數(shù)模型;2)構(gòu)造成“常數(shù)＋因式·et”型,求導(dǎo)后的運(yùn)算不易受ex的干擾;3)分離參數(shù)法構(gòu)造函數(shù)模型,沒(méi)有參數(shù),避免了分類討論,但是有時(shí)函數(shù)較復(fù)雜需多次求導(dǎo).本題考查了導(dǎo)數(shù)與原函數(shù)的關(guān)系、函數(shù)的單調(diào)性、零點(diǎn)等知識(shí),涉及函數(shù)與方程思想、隱零點(diǎn)問(wèn)題,考查學(xué)生的邏輯推理能力、運(yùn)算能力、轉(zhuǎn)化能力、數(shù)形結(jié)合能力等.

2 含有l(wèi)nx 的函數(shù)模型“獨(dú)立與不獨(dú)立”法

例2(2017年全國(guó)Ⅱ卷21)已知函數(shù)f(x)＝ax2－ax－xlnx,且f(x)≥0.

(1)求a;

(2)證明:f(x)存在唯一的極大值點(diǎn)x0,且e－2＜f(x0)＜2－2.

(1)f(x)＝x(ax－a－lnx),因?yàn)閤∈(0,＋∞),所以f(x)≥0,即ax－a－lnx≥0恒成立.直接構(gòu)造函數(shù)g(x)＝ax－a－lnx,從而

分a≥0,a＜0兩種情況討論,求得a＝1.

(2)利用條件f(x)存在唯一的極大值點(diǎn)x0,一次求導(dǎo)f′(x)＝2x－2－lnx,兩次求導(dǎo)可得

所以函數(shù)f′(x)在(0,x1),(x2,＋∞)上單調(diào)遞增,在(x1,x2)上單調(diào)遞減,所以f(x)的唯一的極大值點(diǎn)為x1.

故f′(x0)＝2x0－2－lnx0,從而

綜上,e－2＜f(x0)＜2－2.

消掉x使lnx的系數(shù)為常數(shù),即“獨(dú)立”lnx,可一次求導(dǎo)解決單調(diào)性問(wèn)題;當(dāng)lnx的系數(shù)不能消掉時(shí),即lnx“不獨(dú)立”,需兩次求導(dǎo),才能依次推導(dǎo)出單調(diào)性、零點(diǎn)、極值點(diǎn)等問(wèn)題.本題考查了轉(zhuǎn)化的思想、分類討論的思想,也考查了學(xué)生邏輯推理、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)建模等核心素養(yǎng).

變式(2018年全國(guó)Ⅲ卷理21)已知函數(shù)

(1)若a＝0,證明:當(dāng)－1＜x＜0時(shí),f(x)＜0;當(dāng)x＞0時(shí),f(x)＞0;

(2)若x＝0是f(x)的極大值點(diǎn),求a.本題解析式復(fù)雜,難度較大,仍然可以用例2的兩種方法,獨(dú)立lnx一次求導(dǎo),得到可解的不等式或方程.此方法對(duì)于含lnx的函數(shù)模型解決如魚得水.

總之,以y＝ex,y＝lnx為載體,融合其他初等函數(shù)的導(dǎo)數(shù)綜合應(yīng)用問(wèn)題,千姿百態(tài)、形式不同的表象背后,應(yīng)歸納研究出解答它們的一般路徑和方法,使后續(xù)類似的探究有序可循、思維有法可依,避免學(xué)習(xí)過(guò)程中的盲目性,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的整體性思維,這可謂由一棵樹木,看到整片森林.

(完)