原題
原題:已知函數f(x)=(1+lnx)/x-a(a∈R)。
⑴若f(x)≤0在(0,+∞)上恆成立,求a的取值範圍,並證明:對任意的n∈N+,都有1+1/2+1/3+…+1/n>ln(n+1);
⑵設g(x)=(x-1)^2·e^x,試討論方程f(x)=g(x)實數根的個數。
該題分為兩問,第一問又分為兩個小問,
第二問是討論方程f(x)=g(x)實數根的個數,且函數f(x)中存在字母a。
第一步,將字母a單獨的表示出來,即a=h(x)的形式;
第二步,將等式左邊看成直線y=a,將等式右邊看成一個函數,求出等式右邊的函數的曲線變化——函數的單調性和該函數的最大值和最小值;
第三步,根據字母a的變化區間得出與該函數h(x)的交點的個數。
下面就講解題的過程中詳細的説明常見方法的解題步驟。
第一問
第一問的第一小問是一個恆成立的問題,求實數a的取值範圍,這樣的題也是有常見的方法。
常見的方法:
第一步,根據f(x)≤0在(0,+∞)恆成立,導數a≥一個函數恆成立的形式(有的題中可能是小於等於);
第二步,求出該函數的最大值;
第三步,a大於等於該函數的最大值,就得出該a的範圍。
因為a大於等於該函數的最大值了,所以a大於等於該函數是恆成立的,即滿足了f(x)≤0在(0,+∞)恆成立這一條件。
根據f(x)≤0在(0,+∞)恆成立,則有(1+lnx)/x-a≤0在(0,+∞)恆成立,則有a≥(1+lnx)/x在(0,+∞)恆成立。
設t(x)=(1+lnx)/x,則有一次導數t'(x)=-lnx/x^2,x>0.
當0<x<1時,lnx<0,則-lnx>0,則一次導數t'(x)>0,所以此時函數t(x)單調遞增;
當x>1時,lnx>0,則-lnx<0,則一次導數t'(x)<0,所有此時函數t(x)單調遞減。
所以函數t(x)在區間(0,+∞)上是先增後減函數,則該函數有最大值,即t(x)max=t
綜上所述a≥1,所以a的取值範圍為[1,+∞)。
該證明需要藉助第一問的第一小問來證明,即使我們不知道第一小問給出的已知,這樣的題也是要找到中間的媒介來傳達大於的這種關係,而常見的不等式中就存在着很多不等式的媒介,是需要我們平時積累的內容,詳細可見
上述我們已經求出函數t(x)的最大值1,所以我們得出的結論就是(1+lnx)/x≤1,即lnx≤x-1。
因為這裏的是對任意的n∈N+,當x=1是該不等式lnx≤x-1等號成立,當x>1時,則有lnx<x-1恆成立。
令x=(n+1)/n>1,則有ln[(n+1)/n]<(n+1)/n-1=1/n。
所以1+1/2+1/3+…+1/n>ln(2/1)+ln(3/2)+ln(4/3)+…+ln[(n+1)/n]。
因為ln(2/1)+ln(3/2)+ln(4/3)+…+ln[(n+1)/n]=ln[2/1×3/2×4/3×…×(n+1)/n]=ln(n+1)。
所以有1+1/2+1/3+…+1/n>ln(n+1).
第二問
第二問實際上是求帶字母的方程零點的個數,該等式不管如何變形,它的解是不會變的,所以將該方程變形只是將該方程賦予一個新的幾何意義罷了。
第一步,將字母a單獨表示出來。
因為g(x)=(x-1)^2·e^x,f(x)=(1+lnx)/x-a,且g(x)=f(x),則有(x-1)^2·e^x=(1+lnx)/x-a。
將上述方程變形得到a=(1+lnx)/x-(x-1)^2·e^x。
設h(x)=(1+lnx)/x-(x-1)^2·e^x,則有a=h(x)。
第二步,求出函數h(x)的最大值和最小值。
因為h(x)=(1+lnx)/x-(x-1)^2·e^x,(x>0),則一次導數h'(x)=-lnx/x^2-(x^2-1)e^x。
當0<x<1時,-lnx>0,-(x^2-1)>0,則有h'(x)>0,此時函數h(x)單調遞增;
當x>1時,-lnx<0,-(x^2-1)<0,則有h'(x)<0,此時函數h(x)單調遞減。
當x趨近0時,h(x)趨近於-∞;
當x趨近正無窮時,函數h(x)趨近於-∞.
根據函數h(x)的單調性和最大值以及最小值,可以畫出該函數的大致圖像,如圖:
第三步,分別説明方程f(x)=g(x)實數根的個數。
當a>1時,方程f(x)=g(x)實數根的個數為0個;
當a=1時,方程f(x)=g(x)實數根的個數為1個;
當a<1時,方程f(x)=g(x)實數根的個數為2個不同的實數解。
總結
函數的綜合題一般結合了恆成立的問題,方程零點問題,數列問題等等。
這些問題一般都有普遍的解題方法,但是也存在個別的特殊情況,但是無論是常見的方法還是特殊的情況的解法都需要大家掌握。
數學雖然要靠不斷的計算和練習來達到孰能生巧,靈活運用各個知識點,但是僅僅靠這些還是不夠的,數學也是需要積累的,積累的不僅僅是一些公式和拓展公式,更要積累些常見的方法和特殊的方法。
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