【最新】2023版高中高考数学二轮专题复习微专题39 同构函数
展开首先将题目中的等式或不等式经过适当的整理变形,表示成两侧具有相同的结构,然后利用这个结构式构造相对应的函数,再利用函数的单调性解题,我们通常称这种解题方法为“同构”.
类型一 地位同等同构型
1.含有同等地位的两个变量x1,x2或x,y或a,b的等式或不等式,如果进行整理(即同构)后,等式或不等式两边具有结构的一致性,往往暗示应构造函数,应用函数单调性解决.
2.含有二元变量x1,x2的函数,常见的同构类型有以下几种:
(1)g(x1)-g(x2)>λ[f(x2)-f(x1)]⇔g(x1)+λf(x1)>g(x2)+λf(x2),构造函数φ(x)=g(x)+λf(x);
(2)eq \f(f(x1)-f(x2),x1-x2)>k(x1
例1 (1)若2a+lg2a=4b+2lg4b,则( )
A.a>2b B.a<2b
C.a>b2 D.a
C.x2e x1>x1e x2D.x2e x1
解析 (1)由指数和对数的运算性质可得
2a+lg2a=4b+2lg4b=22b+lg2b.
令f(x)=2x+lg2x,则f(x)在(0,+∞)上单调递增.
又∵22b+lg2b<22b+lg2b+1=22b+lg2(2b),
∴2a+lg2a<22b+lg2(2b),
即f(a)
∴f′(x)=ex-eq \f(1,x)=eq \f(xex-1,x),
设g(x)=xex-1,则有g′(x)=(x+1)ex>0恒成立,所以g(x)在(0,1)单调递增,因为g(0)=-1<0,g(1)=e-1>0,从而存在x0∈(0,1),使得g(x0)=0.
由单调性可判断出,x∈(0,x0),g(x)<0⇒f′(x)<0;x∈(x0,1),g(x)>0⇒f′(x)>0,所以f(x)在(0,1)不单调,不等式不会恒成立,A不正确;
B选项,e x1-e x2>ln x2-ln x1⇔e x1+ln x1>e x2+ln x2,设函数f(x)=ex+ln x,
可知f(x)单调递增,所以f(x1)
则f′(x)<0在x∈(0,1)恒成立,所以f(x)在(0,1)单调递减,所以f(x1)>f(x2)成立,C正确,D错误.
训练1 (1)若2x-2y<3-x-3-y,则( )
A.ln(y-x+1)>0 B.ln(y-x+1)<0
C.ln|x-y|>0 D.ln|x-y|<0
(2)(2022·八省联考)已知a<5且ae5=5ea,b<4且be4=4eb,c<3且ce3=3ec,则( )
A.cC.a
解析 (1)设函数f(x)=2x-3-x.
因为函数y=2x与y=-3-x在R上均单调递增,所以f(x)在R上单调递增.
原已知条件等价于2x-3-x<2y-3-y,
即f(x)
因为|x-y|与1的大小不能确定,所以C,D不正确.
(2)由题得eq \f(a,ea)=eq \f(5,e5),eq \f(b,eb)=eq \f(4,e4),eq \f(c,ec)=eq \f(3,e3),
故令f(x)=eq \f(x,ex)(x>0),f′(x)=eq \f(1-x,ex),
∴f(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
∵f(a)=f(5),f(b)=f(4),f(c)=f(3),f(1)=eq \f(1,e),
如图所示,∴0类型二 指对跨阶同构型
1.对于一个指数,直线、对数三阶的问题可以通过跨阶函数的同构,转化为两阶问题解决,通常在一些求参数的取值范围、零点个数、证明不等式中应用跨阶同构来快速解题.跨阶同构需要构造一个母函数,即外层函数,这个母函数需要满足:①指对跨阶,②单调性和最值易求.
2.为了实现不等式两边“结构”相同的目的,需时时对指对式进行“改头换面”,常用的方法有:x=eln x,xex=eln x+x,x2ex=e2ln x+x,eq \f(ex,x)=e-ln x+x,ln x+ln a=ln ax,ln x-1=ln eq \f(x,e),有时也需要对两边同时加、乘某式等.
3.xln x与xex为常见同构式:xln x=eln xln x,xex=eln xex;x+ln x与x+ex为常见同构式:x+ln x=ln x+eln x,x+ex=eln x+ex.
例2 (1)已知函数f(x)=aex-1-ln x+ln a,若f(x)≥1,则a的取值范围是________.
(2)对于任意的x>0,若不等式ax>lgax(a>0,且a≠1)恒成立,则a的取值范围是________.
答案 (1)[1,+∞) (2)(eeq \f(1,e),+∞)
解析 (1)由f(x)=aex-1-ln x+ln a≥1,移项得aex-1+ln a≥ln x+1,
即eln a+x-1+ln a≥ln x+1,
两边同时加(x-1),
得eln a+x-1+x+ln a-1≥ln x+x,
即eln a+x-1+(x+ln a-1)≥ln x+eln x.
设g(t)=t+et,
则g′(t)=1+et>0,
所以g(t)单调递增,
所以ln a+x-1≥ln x,
即x-ln x+ln a-1≥0.
设h(x)=x-ln x+ln a-1,
则h′(x)=1-eq \f(1,x),x>0,
所以h(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,
所以h(x)min=h(1)=1+ln a-1≥0,
所以a≥1,
故a的取值范围为[1,+∞).
(2)当0lgax,
所以a>1,
由ax>lgax,得exln a>eq \f(ln x,ln a),x>0,
则xln a·exln a>xln x=eln xln x,
故只需xln a>ln x即可,
即ln a>eq \f(ln x,x).
因为f(x)=eq \f(ln x,x)在(0,e)上单调递增,
在(e,+∞)上单调递减,故f(x)max=f(e)=eq \f(1,e),所以ln a>eq \f(1,e),即a>eeq \f(1,e).
训练2 (1)已知函数f(x)=ex-aln(ax-a)+a(a>0),若f(x)>0,则实数a的取值范围为________.
(2)(2022·郑州模拟)若不等式x+aln x+eq \f(1,ex)≥xa对x∈(1,+∞)恒成立,则实数a的最小值是________.
答案 (1)(0,e2) (2)-e
解析 (1)由题意可知:ex>aln(ax-a)-a⇒eq \f(ex,a)-ln a>ln(x-1)-1⇒ex-ln a+x-ln a>x-1+ln(x-1),可化为ex-ln a+x-ln a>eln(x-1)+ln(x-1),
只需x-ln a>ln(x-1),
即x-ln(x-1)>ln a.
设g(x)=x-ln(x-1),
则g′(x)=eq \f(x-2,x-1),x∈(1,2),g′(x)<0,g(x)单调递减,x∈(2,+∞),g′(x)>0,g(x)单调递增,故g(x)≥g(2)=2,故ln a<2,故a
所以x+eq \f(1,ex)≥xa-aln x=xa-ln xa对x∈(1,+∞)上恒成立,
所以eq \f(1,ex)-lneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,ex)))≥xa-ln xa对x∈(1,+∞)恒成立.
构造函数f(t)=t-ln t,t>0,
所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,ex)))≥f(xa).
因为f′(t)=1-eq \f(1,t)=eq \f(t-1,t),
易得f(t)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增.
当x>1时,0
所以eq \f(1,ex)≤xa,
两边取对数得-x≤aln x,
所以a≥-eq \f(x,ln x).
令g(x)=-eq \f(x,ln x),
则g′(x)=eq \f(-ln x+1,ln2x),
所以g(x)在(1,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,
所以g(x)≤g(e)=-e,
故a的最小值是-e.
类型三 零点同构型
例3 (1)(2022·兰州质检)已知函数f(x)=xex-a(x+ln x)有两个零点,则实数a的取值范围是________.
(2)已知x0是函数f(x)=x2ex-2+ln x-2的零点,则e2-x0+ln x0=________.
答案 (1)(e,+∞) (2)2
解析 (1)f(x)=xex-a(x+ln x)=ex+ln x-a(x+ln x),
令t=x+ln x,t∈R,显然该函数单调递增.
由et-at=0有两个根,
即a=eq \f(et,t),即eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=\f(et,t),,y=a))有两个交点,
可画出函数图象得到a的范围是(e,+∞).
(2)x2ex-2+ln x-2=0,
可得x2ex-2=2-ln x,
即eq \f(x2ex,e2)=2-ln x,x2ex=2e2-e2ln x,xex=eq \f(2e2,x)-eq \f(e2,x)ln x,
即xex=eq \f(e2,x)ln eq \f(e2,x),
两边同取自然对数,ln x+x=lneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(ln \f(e2,x)))+ln eq \f(e2,x),
所以lneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(e2,x)))=x,即2-ln x=x,
即ln x=2-x,
∴e2-x=x,∴e2-x0+ln x0=x0+ln x0=2.
训练3 已知f(x)=xln x+eq \f(a,2)x2+1,若关于x的方程xex-a=f(x)-eq \f(a,2)x2+ax-1有两个不同的实数解,求a的取值范围.
解 由xex-a=f(x)-eq \f(a,2)x2+ax-1(x>0),
即xex-a=xln x+ax,
即ex-a=ln x+a,
即ex-a+x-a=x+ln x,
∴ln(ex-a)+ex-a=ln x+x,
令h(x)=ln x+x(x>0),
则h(ex-a)=h(x),
h′(x)=eq \f(1,x)+1>0,
∴h(x)在(0,+∞)上递增,
∴ex-a=x,
则x-a=ln x,a=x-ln x(x>0),
因为关于x的方程xex-a=f(x)-eq \f(a,2)x2+ax-1有两个不同的实数解,
则方程a=x-ln x(x>0)有两个不同的实数解.
令φ(x)=x-ln x,
则φ′(x)=1-eq \f(1,x)=eq \f(x-1,x),
当0<x<1时,φ′(x)<0,
当x>1时,φ′(x)>0,
所以函数φ(x)=x-ln x在(0,1)上递减,在(1,+∞)上递增,
所以φ(x)min=φ(1)=1,
当x→0时,φ(x)→+∞,
当x→+∞时,φ(x)→+∞,
所以a>1,
综上,a的范围为(1,+∞).
一、基本技能练
1.已知正实数ln eq \f(x,y)>lg eq \f(y,x),则( )
A.ln x>ln(y+1) B.ln(x+1)
答案 D
解析 ln x-ln y>lg y-lg x⇒ln x+lg x>ln y+lg y,
设f(x)=ln x+lg y,
∴f(x)>f(y)⇒x>y.
∴x-y>0,∴2x-y>1,故D正确.
2.(2022·湖南五市十校联考)已知x,y满足lg3x-lg3y
答案 D
解析 原不等式可化为lg3x-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))eq \s\up12(x)
显然f(x)在(0,+∞)上单调递增,
∴f(x)
3.函数f(x)=eq \f(ax,ex-1)+x-ln(ax)-2(a>0),若函数f(x)在区间(0,+∞)内存在零点,则实数a的取值范围是( )
A.(0,1] B.[1,+∞)
C.(0,e] D.[3,+∞)
答案 B
解析 由ex≥x+1得f(x)=eln(ax)+1-x+x-ln(ax)-2=eln(ax)+1-x-(ln(ax)+1-x)-1≥0,
当ln(ax)+1-x=0⇒ln(ax)=x-1≤ax-1,即a≥1时f(x)=0成立,f(x)在(0,
+∞)上有零点.
4.(2022·安庆模拟)已知m,n都是正整数,且em+ln n
C.nen
答案 A
解析 因为em+ln n
所以f′(x)=ex-1>0,
故f(x)在(0,+∞)上单调递增,由已知得f(m)
A.(0,1] B.[1,+∞)
C.(0,3] D.[1,2e)
答案 B
解析 不妨设x1>x2>0,
可得f(x1)-f(x2)>2x1-2x2,
可得f(x1)-2x1>f(x2)-2x2,
令g(x)=f(x)-2x=aln x+eq \f(1,2)x2-2x,
则g(x1)>g(x2),
所以,函数g(x)在(0,+∞)上为增函数,
∴g′(x)=eq \f(a,x)+x-2≥0对任意的x>0恒成立,所以a≥2x-x2,
当x>0时,2x-x2=-(x-1)2+1≤1,
当且仅当x=1时,等号成立,所以a≥1.
6.已知x0是方程2x2e2x+ln x=0的实根,则关于实数x0的判断正确的是( )
A.x0≥ln 2 B.x0≤eq \f(1,e)
C.2x0+ln x0=0 D.2ex0+ln x0=0
答案 C
解析 由题意得2xeq \\al(2,0)e2x0=-ln x0,
即2x0e2x0=e-ln x0(-ln x0),
令f(x)=xex,
所以f(2x0)=f(-ln x0),
则f′(x)=ex(x+1)>0,
函数f(x)在定义域内单调递增,结合函数的单调性有2x0=-ln x0,
即2x0+ln x0=0,故选C.
7.设实数m>0,若对任意的x≥e,不等式x2ln x-meeq \f(m,x)≥0恒成立,则m的最大值是( )
A.eq \f(1,e) B.eq \f(e,3)
C.e D.2e
答案 C
解析 x2ln x-meeq \f(m,x)≥0变形为ln x·eln x≥eq \f(m,x)·eeq \f(m,x),构造函数g(x)=xex(x>0),
则g′(x)=(x+1)ex>0,
所以g(x)在(0,+∞)上单调递增.
又f(ln x)≥feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(m,x))),所以ln x≥eq \f(m,x),
即m≤xln x,只需m≤(xln x)min=e.
8.已知α,β∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))),α≠β,若eα-eβ=sin α-2sin β,则下列结论一定成立的是( )
A.α+β=eq \f(π,4) B.α+β=eq \f(π,2)
C.α>β D.α<β
答案 D
解析 由α,β∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2)))可知:sin β>0,
所以eα-eβ=sin α-2sin β
故f(x)在x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2)))上单调递增,
所以α<β.
9.(2022·东北三省四市模拟)设x,y∈R,满足eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1((x-1)5+2x+sin(x-1)=3,,(y-1)5+2y+sin(y-1)=1,))则x+y=( )
A.0 B.2
C.4 D.6
答案 B
解析 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1((x-1)5+2x+sin(x-1)=3,,(y-1)5+2y+sin(y-1)=1,))
⇒eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1((x-1)5+2(x-1)+sin(x-1)=1,,(y-1)5+2(y-1)+sin(y-1)=-1.))
设f(t)=t5+2t+sin t,可得f(t)为奇函数,由题意可得:eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(f(x-1)=1,,f(y-1)=-1,))
∴f(x-1)=-f(y-1)=f(-y+1),
∴x-1=-y+1⇒x+y=2.
10.已知-eq \f(π,2)≤α≤eq \f(π,2),0≤β≤π,m∈R,α3+sin α+m=0,eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,2)-β))eq \s\up12(3)+cs β+m=0,则cs(α+β)的值为( )
A.-1 B.0
C.0.5 D.1
答案 B
解析 构造函数f(x)=x3+sin x,在-eq \f(π,2)≤x≤eq \f(π,2)上为奇函数且单调递增,
又0≤β≤π,
∴-eq \f(π,2)≤eq \f(π,2)-β≤eq \f(π,2),
变换α3+sin α=-m,eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,2)-β))eq \s\up12(3)+sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,2)-β))=-m,
即f(α)=feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,2)-β)),
∴α=eq \f(π,2)-β,
即α+β=eq \f(π,2),cs(α+β)=0,故选B.
11.已知a,b∈(eq \r(2),+∞),且满足eq \f(1,a2)-eq \f(1,b2)>ln eq \f(b,a),则a,b,eq \r(ab)的大小关系是________.
答案 a>eq \r(ab)>b
解析 eq \f(1,a2)-eq \f(1,b2)>ln b-ln a,eq \f(1,a2)+ln a>eq \f(1,b2)+ln b,
令g(x)=eq \f(1,x2)+ln x,x>eq \r(2),
g′(x)=-eq \f(2,x3)+eq \f(1,x)=eq \f(x2-2,x3)>0,g(x)在(eq \r(2),+∞)上单调递增.
∵g(a)>g(b),∴a>b,
又∵eq \r(a)eq \r(a)>eq \r(a)eq \r(b)>eq \r(b)eq \r(b),
∴a>eq \r(ab)>b.
12.若关于x的不等式x2e3x≥(k+3)x+2ln x+1对任意x>0恒成立,则k的取值范围是________.
答案 (-∞,0]
解析 原不等式可变形为e2ln x+3x-(3x+2ln x)≥kx+1,e2ln x+3x-(3x+2ln x)-1≥kx,利用ex≥x+1,可得kx≤0,又x>0,故k≤0.
二、创新拓展练
13.若不等式eq \f(ex-1,x)≥x-ln x+a对x∈(0,+∞)恒成立,则a的最大值为( )
A.1 B.eq \f(1,e)
C.0 D.-e
答案 C
解析 由题意,得ex-ln x-1≥x-ln x+a,
即ex-ln x-1≥x-ln x-1+1+a,
即ex-ln x-1-(x-ln x-1)≥1+a,
设t=x-ln x-1,x>0.
则t′=1-eq \f(1,x)=eq \f(x-1,x),
故当0
所以当x=1时,tmin=1-0-1=0,
设f(t)=et-t,t≥0,
f′(t)=et-1>0,故f(t)在[0,+∞)上单调递增,f(t)min=f(0)=1,
故1+a≤1,可得a≤0.
14.若关于x的方程eq \f(ln x,x)+eq \f(mx,ln x+x)+3=0有三个不相等的实数根x1,x2,x3,且x1
C.6 D.-8
答案 D
解析 由题意eq \f(ln x,x)+eq \f(mx,ln x+x)+3=0,x>0,
即eq \f(ln x,x)+eq \f(m,\f(ln x,x)+1)+3=0有3个不等实数根.
令t=eq \f(ln x,x)(x>0),则有t+eq \f(m,t+1)+3=0,
即t2+4t+m+3=0,(1)
令g(x)=eq \f(ln x,x)(x>0),
则g′(x)=eq \f(1-ln x,x2),g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减(如图),
则(1)有2个实数根t1和t2,且t1+t2=-4,t1t2=m+3,
不妨t1<0,t2>0,
则有eq \f(2ln x1,x1)+eq \f(ln x2,x2)+eq \f(ln x3,x3)=2t1+t2+t2=2(t1+t2)=-8.
15.(2022·济南模拟)若对于任意实数x>0,不等式2ae2x-ln x+ln a≥0恒成立,则a的取值范围是________.
答案 eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2e),+∞))
解析 法一 将2ae2x-ln x+ln a≥0变形为2ae2x≥ln eq \f(x,a),
则2e2x≥eq \f(1,a)ln eq \f(x,a),
两边同时乘以x得2xe2x≥eq \f(x,a)ln eq \f(x,a),
即2xe2x≥eq \f(x,a)ln eq \f(x,a)=eln eq \f(x,a)ln eq \f(x,a)(*).
设g(t)=tet(t>0),
则g′(t)=(1+t)et>0,
所以g(t)在(0,+∞)上单调递增,故由(*)得2x≥ln eq \f(x,a),
则ln a≥ln x-2x.
令h(x)=ln x-2x,x>0,
则h′(x)=eq \f(1,x)-2,
易知当x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(1,2)))时,h(x)单调递增,
当x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2),+∞))时,h(x)单调递减,
故h(x)max=heq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))=-ln 2-1,
所以ln a≥-ln 2-1,
即a≥eq \f(1,2e),故a的取值范围为eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2e),+∞)).
法二 将2ae2x-ln x+ln a≥0变形为eln 2a+2x-ln x+ln a≥0,
即eln 2a+2x+ln 2a≥ln 2x,
则eln 2a+2x+2x+ln 2a≥2x+ln 2x=eln 2x+ln 2x.
设g(t)=et+t,
易知g(t)单调递增,故2x+ln 2a≥ln 2x,以下同法一.
16.已知函数f(x)=ex-aln x(其中a为参数),若对任意x∈(0,+∞),不等式f(x)>aln a恒成立,则正实数a的取值范围是________.
答案 (0,e)
解析 由f(x)>aln a,得eq \f(ex,a)-ln a>ln x,
即ex-ln a-ln a>ln x,
两边同时加x得ex-ln a+x-ln a>eln x+ln x.
令g(t)=et+t,
则g(x-ln a)>g(ln x),
因为g(t)为单调增函数,
所以x-ln a>ln x,
即ln a
则h′(x)=eq \f(x-1,x).
所以h(x)在(0,1)上单调递减,
在(1,+∞)上单调递增,
所以h(x)min=h(1)=1,
所以ln a<1,解得0
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