（新高考）高考数学一轮复习讲练测第3章§3.6利用导数证明不等式(含解析)

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题型一 将不等式转化为函数的最值问题
例1 (2023·潍坊模拟)已知函数f(x)＝ex－ax－a，a∈R.
(1)讨论f(x)的单调性；
(2)当a＝1时，令g(x)＝eq \f(2fx,x2).证明：当x>0时，g(x)>1.
(1)解 函数f(x)＝ex－ax－a的定义域为R，求导得f′(x)＝ex－a，
当a≤0时，f′(x)>0恒成立，即f(x)在(－∞，＋∞)上单调递增，
当a>0时，令f′(x)＝ex－a>0，解得x>ln a，令f′(x)0时，eq \f(2ex－x－1,x2)>1⇔ex>1＋x＋eq \f(x2,2)⇔eq \f(\f(1,2)x2＋x＋1,ex)0，F′(x)＝eq \f(－\f(1,2)x2,ex)ln 2－1且x>0时，ex>x2－2ax＋1.
(1)解 由f(x)＝ex－2x＋2a(x∈R)知，f′(x)＝ex－2.
令f′(x)＝0，得x＝ln 2，
当x0，
函数f(x)在区间(ln 2，＋∞)上单调递增，
所以f(x)的单调递减区间是(－∞，ln 2)，单调递增区间是(ln 2，＋∞)，
f(x)的极小值为f(ln 2)＝eln 2－2ln 2＋2a＝2－2ln 2＋2a，无极大值．
(2)证明 要证当a>ln 2－1且x>0时，
ex>x2－2ax＋1，
即证当a>ln 2－1且x>0时，
ex－x2＋2ax－1>0，
设g(x)＝ex－x2＋2ax－1(x>0)，
则g′(x)＝ex－2x＋2a，
由(1)知g′(x)min＝2－2ln 2＋2a，
又a>ln 2－1，则g′(x)min>0，
于是对∀x∈(0，＋∞)，都有g′(x)>0，
所以g(x)在(0，＋∞)上单调递增，
于是对∀x>0，都有g(x)>g(0)＝0，
即ex－x2＋2ax－1>0，
故ex>x2－2ax＋1.
题型二 将不等式转化为两个函数的最值进行比较
例2 (2023·苏州模拟)已知函数f(x)＝eln x－ax(a∈R)．
(1)讨论f(x)的单调性；
(2)当a＝e时，证明f(x)－eq \f(ex,x)＋2e≤0.
(1)解 函数的定义域为(0，＋∞)，
∵f′(x)＝eq \f(e,x)－a＝eq \f(e－ax,x)(x>0)，
∴当a≤0时，f′(x)>0在(0，＋∞)上恒成立，故函数f(x)在区间(0，＋∞)上单调递增；
当a>0时，由f′(x)>0，得00)，则g′(x)＝eq \f(x－1ex,x2)，
∴当x∈(0,1)时，g′(x)0，函数g(x)单调递增，
∴g(x)min＝g(1)＝－e，
∴当x>0，a＝e时，f(x)－eq \f(ex,x)＋2e≤0.
思维升华 若直接求导比较复杂或无从下手时，可将待证式进行变形，构造两个函数，从而找到可以传递的中间量，达到证明的目标．本例中同时含ln x与ex，不能直接构造函数，把指数与对数分离两边，分别计算它们的最值，借助最值进行证明．
跟踪训练2 (2023·合肥模拟)已知函数f(x)＝ex＋x2－x－1.
(1)求f(x)的最小值；
(2)证明：ex＋xln x＋x2－2x>0.
(1)解 由题意可得 f′(x)＝ex＋2x－1，
则函数f′(x)在R上单调递增，且f′(0)＝0.
由f′(x)>0，得x>0；
由f′(x)－xln x＋x－1.
由(1)可知当x>0时，f(x)>0恒成立．
设g(x)＝－xln x＋x－1，x>0，
则g′(x)＝－ln x.
由g′(x)>0，得00.
题型三 适当放缩证明不等式
例3 已知函数f(x)＝aex－1－ln x－1.
(1)若a＝1，求f(x)在(1，f(1))处的切线方程；
(2)证明：当a≥1时，f(x)≥0.
(1)解 当a＝1时，
f(x)＝ex－1－ln x－1(x>0)，
f′(x)＝ex－1－eq \f(1,x)，k＝f′(1)＝0，
又f(1)＝0，
∴切点为(1,0)．
∴切线方程为y－0＝0(x－1)，即y＝0.
(2)证明 ∵a≥1，
∴aex－1≥ex－1，
∴f(x)≥ex－1－ln x－1.
方法一 令φ(x)＝ex－1－ln x－1(x>0)，
∴φ′(x)＝ex－1－eq \f(1,x)，
令h(x)＝ex－1－eq \f(1,x)，
∴h′(x)＝ex－1＋eq \f(1,x2)>0，
∴φ′(x)在(0，＋∞)上单调递增，又φ′(1)＝0，
∴当x∈(0,1)时，φ′(x)0，
∴φ(x)在(0,1)上单调递减，
在(1，＋∞)上单调递增，
∴φ(x)min＝φ(1)＝0，
∴φ(x)≥0，
∴f(x)≥φ(x)≥0，
即f(x)≥0.
方法二 令g(x)＝ex－x－1，
∴g′(x)＝ex－1.
当x∈(－∞，0)时，g′(x)0，
∴g(x)在(－∞，0)上单调递减，在(0，＋∞)上单调递增，
∴g(x)min＝g(0)＝0，
故ex≥x＋1，当且仅当x＝0时取“＝”．
同理可证ln x≤x－1，
当且仅当x＝1时取“＝”．
由ex≥x＋1⇒ex－1≥x(当且仅当x＝1时取“＝”)，
由x－1≥ln x⇒x≥ln x＋1(当且仅当x＝1时取“＝”)，
∴ex－1≥x≥ln x＋1，
即ex－1≥ln x＋1，
即ex－1－ln x－1≥0(当且仅当x＝1时取“＝”)，
即f(x)≥0.
思维升华 导数方法证明不等式中，最常见的是ex和ln x与其他代数式结合的问题，对于这类问题，可以考虑先对ex和ln x进行放缩，使问题简化，简化后再构建函数进行证明．常见的放缩公式如下：
(1)ex≥1＋x，当且仅当x＝0时取等号；
(2)ln x≤x－1，当且仅当x＝1时取等号．
跟踪训练3 (2022·南充模拟)已知函数f(x)＝ax－sin x.
(1)若函数f(x)为增函数，求实数a的取值范围；
(2)求证：当x>0时，ex>2sin x.
(1)解 ∵f(x)＝ax－sin x，∴f′(x)＝a－cs x，
由函数f(x)为增函数，则f′(x)＝a－cs x≥0恒成立，
即a≥cs x在R上恒成立，
∵y＝cs x∈[－1,1]，∴a≥1，
即实数a的取值范围是[1，＋∞)．
(2)证明 由(1)知，当a＝1时，f(x)＝x－sin x为增函数，
当x>0时，f(x)>f(0)＝0⇒x>sin x，
要证当x>0时，ex>2sin x，只需证当x>0时，ex>2x，
即证ex－2x>0在(0，＋∞)上恒成立，
设g(x)＝ex－2x(x>0)，则g′(x)＝ex－2，令g′(x)＝0解得x＝ln 2，
∴g(x)在(0，ln 2)上单调递减，在(ln 2，＋∞)上单调递增，
∴g(x)min＝g(ln 2)＝eln 2－2ln 2＝2(1－ln 2)>0，
∴g(x)≥g(ln 2)>0，∴ex>2x成立，故当x>0时，ex>2sin x.
课时精练
1．已知函数f(x)＝ax＋xln x，且曲线y＝f(x)在点(e，f(e))处的切线与直线4x－y＋1＝0平行．
(1)求实数a的值；
(2)求证：当x>0时，f(x)>4x－3.
(1)解 f(x)的定义域为(0，＋∞)，f′(x)＝ln x＋1＋a，
由题意知，f′(e)＝2＋a＝4，则a＝2.
(2)证明 由(1)知，f(x)＝2x＋xln x，
令g(x)＝f(x)－(4x－3)＝xln x－2x＋3，
则g′(x)＝ln x－1，
由ln x－1>0得x>e，由ln x－14x－3.
2．(2023·淄博模拟)已知函数f(x)＝ex－x－1.
(1)求函数f(x)的单调区间和极值；
(2)当x≥0时，求证：f(x)＋x＋1≥eq \f(1,2)x2＋cs x.
(1)解 易知函数f(x)的定义域为R，
∵f(x)＝ex－x－1，∴f′(x)＝ex－1，
令f′(x)>0，解得x>0，f(x)在(0，＋∞)上单调递增，
令f′(x)eq \f(1,ex＋1)－eq \f(2,e2x)成立．
(1)解 函数f(x)＝xln x－ax的定义域为(0，＋∞)，
当a＝－1时，f(x)＝xln x＋x，f′(x)＝ln x＋2，
由f′(x)＝0，得x＝eq \f(1,e2)，
当00时，ln x＋1>eq \f(1,ex＋1)－eq \f(2,e2x)，
等价于x(ln x＋1)>eq \f(x,ex＋1)－eq \f(2,e2)，
由(1)知，当a＝－1时，f(x)＝xln x＋x≥－eq \f(1,e2)，当且仅当x＝eq \f(1,e2)时取等号，
设G(x)＝eq \f(x,ex＋1)－eq \f(2,e2)，x∈(0，＋∞)，
则G′(x)＝eq \f(1－x,ex＋1)，易知G(x)max＝G(1)＝－eq \f(1,e2)，
当且仅当x＝1时取到，从而可知对一切x∈(0，＋∞)，都有f(x)>G(x)，即ln x＋1>eq \f(1,ex＋1)－eq \f(2,e2x).
4．(2022·新高考全国Ⅱ)已知函数f(x)＝xeax－ex.
(1)当a＝1时，讨论f(x)的单调性；
(2)当x>0时，f(x)ln(n＋1)．
(1)解 当a＝1时，f(x)＝(x－1)ex，x∈R，
则f′(x)＝xex，
当x0，
故f(x)在(－∞，0)上单调递减，在(0，＋∞)上单调递增．
(2)解 设h(x)＝xeax－ex＋1，
则h(0)＝0，
又h′(x)＝(1＋ax)eax－ex，
设g(x)＝(1＋ax)eax－ex，
则g′(x)＝(2a＋a2x)eax－ex，
若a>eq \f(1,2)，
则g′(0)＝2a－1>0，
因为g′(x)为连续不间断函数，
故存在x0∈(0，＋∞)，
使得∀x∈(0，x0)，总有g′(x)>0，
故g(x)在(0，x0)上单调递增，
故g(x)>g(0)＝0，
故h(x)在(0，x0)上单调递增，
故h(x)>h(0)＝0，与题设矛盾．
若00，总有ln(1＋x)0，
故S′(x)＝eq \f(1,1＋x)－1＝eq \f(－x,1＋x)