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2020数学(文)二轮教师用书:第3部分策略11.函数与方程思想
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1.函数与方程思想
函数思想
方程思想
函数思想的实质是抛开所研究对象的非数学特征,用联系和变化的观点提出数学对象,抽象其数学特征,建立各变量之间固有的函数关系,通过函数形式,利用函数的有关性质,使问题得到解决.
方程思想的实质就是将所求的量设成未知数,根据题中的等量关系,列方程(组),通过解方程(组)或对方程(组)进行研究,以求得问题的解决.
函数与方程思想在一定的条件下是可以相互转化的,是相辅相成的,函数思想重在对问题进行动态的研究,方程思想则是在动中求解,研究运动中的等量关系.
应用1 目标函数法求最值
【典例1】 (1)在平面直角坐标系中,已知点A(-1,0),B(2,0),E,F是y轴上的两个动点,且||=2,则·的最小值为________.
(2)已知斜率为1的直线l与椭圆+y2=1相交于A,B两点,则|AB|的最大值为________.
(1)-3 (2) [(1)∵E,F是y轴上的两个动点,且||=2,不妨设E(0,t),F(0,t+2),则=(0,t)-(-1,0)=(1,t).
=(0,t+2)-(2,0)=(-2,t+2),
·=t2+2t-2.
令f(t)=·=(t+1)2-3≥-3,当且仅当t=-1时取等号.即·的最小值为-3.
(2)设A,B两点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),直线l的方程为y=x+t,由消去y,得5x2+8tx+4(t2-1)=0.则x1+x2=-t,x1x2=,∴|AB|=|x1-x2|
=·
=·
=,
当t=0时,|AB|max=.]
目标函数法即是把所谓目标写成函数形式,然后再求其值域、最值的方法.
(1)有关长度、面积、体积以及数量积等的计算经常采用目标函数法.
(2)求值域、最值的方法,一般涉及换元法、配方法和均值不等式法以及单调性法.
【对点训练1】 已知在半径为2的扇形AOB中,∠AOB=120°,C是OB的中点,P为弧AB上任意一点,且=λ+μ,则λ+μ的最大值为________.
[建立如图所示的平面直角坐标系,则O(0,0),A(2,0),C,则=(2,0),=,设P(2cos θ,2sin θ),则λ(2,0)+μ=(2cos θ,2sin θ),即解得
则λ+μ=sin θ+cos θ=sin(θ+φ),其中tan φ=,据此可知,当sin(θ+φ)=1时,λ+μ取得最大值.]
【对点训练2】 一个直角三角形的三个顶点分别在底面棱长为2的正三棱柱的侧棱上,则该直角三角形斜边的最小值为________.
2 [如图,三棱柱ABCA1B1C1为正三棱柱.AB=2,三角形ADE为直角三角形,∠ADE=90°.
设BD=x,CE=y,
则AD2=4+x2,AE2=4+y2,
ED2=4+(y-x)2.
∵AE2=AD2+DE2,
∴4+y2=4+x2+4+(y-x)2,
解得y=x+.
∵AE2=4+y2=4+2≥4+(2)2=12.
∴AE≥2,当且仅当x=时取等号.
即直角三角形斜边的最小值为2.]
应用2 分离参数法求参数范围
【典例2】 (1)若方程cos2x-sin x+a=0在上有解,则实数a的取值范围为________.
(2)已知函数f(x)=x-,g(x)=x2-2ax+4,若任意x1∈[0,1],存在x2∈[1,2],使f(x1)≥g(x2),则实数a的取值范围是________.
(1)(-1,1] (2) [(1)由cos2x-sin x+a=0,得a=sin2x+sin x-1.
问题变成求函数a=sin2x+sin x-1在x∈上的值域问题.
∵a=2-,而0
∴-1
(2)由f(x)=x-得f′(x)=1+>0.
∴f(x)在[0,1]上单调递增.
∴f(x)min=f(0)=-1,∴存在x2∈[1,2]使-1≥x2-2ax+4,即2a≥x+在[1,2]上有解,∴2a≥min,易知y=x+在(0,]上递减,∴y=x+在[1,2]上递减.∴min=2+=,∴2a≥,a≥,∴a的取值范围为.]
(1)在求参数的取值范围时,应该先建立关于参数的等式或不等式,然后利用函数的定义域、值域或解不等式求解.在对式子变形的过程中,应优先选择分离参数的方法.
(2)①对于方程有解、不等式的恒成立问题或存在性问题,往往可以分离参数,然后再构造函数,把问题转化成求函数的值域或最值.
②不等式有解、恒成立求参数的方法:g(a)>f(x)恒成立,则g(a)>f(x)max.
g(a)
g(a)>f(x)有解,则g(a)>f(x)min,
g(a)
(3)分离参数法是求参数范围的常用方法,但应明确,不是万能方法,恰当又合理的参变分离有助于问题的解决,有时需要讨论!
【对点训练3】 对一切实数x,不等式x2+a|x|+1≥0恒成立,则实数a的取值范围是________.
[-2,+∞) [当x=0时,不等式x2+a|x|+1≥0恒成立,此时a∈R,当x≠0时,则有a≥=-,设f(x)=-,则a≥f(x)max,由基本不等式得|x|+≥2(当且仅当|x|=1时取等号),则f(x)max=-2,故a≥-2.]
【对点训练4】 已知函数f(x)=lg,其中a为常数,若当x∈(-∞,1]时,f(x)有意义,则实数a的取值范围为________.
[参数a深含在一个复杂的复合函数的表达式中,欲直接建立关于a的不等式(组)非常困难,故应转换思维角度,设法从原式中把a分离出来,重新认识a与其他变元x的依存关系,利用新的函数关系,使原问题“柳暗花明”.
由>0,且a2-a+1=2+>0,
得1+2x+4x·a>0,故a>-.
当x∈(-∞,1]时,y=与y=都是减函数,
因此,函数y=-在(-∞,1]上是增函数,
所以max=-,a>-,
故a的取值范围是.]
应用3 构造函数解不等式、比较大小
【典例3】 (1)已知函数f(x)满足f(x)>f′(x),在下列不等式关系中,一定成立的是( )
A.ef(1)>f(2) B.ef(1)<f(2)
C.f(1)>ef(2) D.f(1)<ef(2)
(2)已知偶函数f(x)(x≠0)的导函数为f′(x),且满足f(1)=0,当x>0时,xf′(x)<-2f(x),则使f(x)>0成立的x的取值范围为( )
A.(-∞,-1)∪(0,1)
B.(-1,0)∪(0,1)
C.(-1,0)∪(1,+∞)
D.(-∞,-1)∪(1,+∞)
(1)A (2)B [(1)∵f(x)>f′(x),∴f′(x)-f(x)<0.
∴令g(x)=,则g′(x)=<0,
∴g(x)单调递减,又1<2.∴g(1)>g(2),
即>,∴ef(1)>f(2).选A.
(2)令F(x)=x2f(x),则F′(x)=2xf(x)+x2f′(x)=x[2f(x)+xf′(x)].当x>0时,由题设可得F′(x)<0,即函数F(x)=x2f(x)是单调递减函数,当x<0时,函数F(x)=x2f(x)是单调递增函数.又由题设可知F(1)=F(-1)=0,所以不等式F(x)>0的解集是(-1,0)∪(0,1),则不等式f(x)>0的解集是(-1,0)∪(0,1).故选B.]
(1)根据式子结构构造指数函数、对数函数或幂函数.
(2)根据式子的结构构造相应函数:
①(xmf(x))′=xm-1(mf(x)+xf′(x));
②
③(exf(x))′=ex(f(x)+f′(x));
④
⑤(x·ln x)′=ln x+1.
【对点训练5】 若0<x1<x2<1,则( )
A.ex2-ex1>ln x2-ln x1 B.ex2-ex1<ln x2-ln x1
C.x2ex1>x1ex2 D.x2ex1<x1ex2
C [设f(x)=ex-ln x(0<x<1),
则f′(x)=ex-=.
令f′(x)=0,得xex-1=0.
根据函数y=ex与y=的图象可知两函数图象的交点x0∈(0,1),因此函数f(x)在(0,1)上不是单调函数,故A、B选项不正确.
设g(x)=(0<x<1),则g′(x)=.
又0<x<1,∴g′(x)<0.
∴函数g(x)在(0,1)上是减函数.
又0<x1<x2<1,∴g(x1)>g(x2),
∴x2ex1>x1ex2,故选C.]
【对点训练6】 定义域为R的可导函数y=f(x)的导函数为f′(x),满足f(x)>f′(x),且f(0)=1,则不等式<1的解集为( )
A.(-∞,0) B.(0,+∞)
C.(-∞,2) D.(2,+∞)
B [构造函数g(x)=,则g′(x)==.由题意得g′(x)<0恒成立,所以函数g(x)=在R上单调递减.又g(0)==1,所以<1,即g(x)<1,解得x>0,所以不等式的解集为(0,+∞).故选B.]
应用4 利用方程思想求值
【典例4】 (1)函数f(x)=xln x在点P(x0,f(x0))处的切线与直线x+y=0垂直,则切点P(x0,f(x0))的坐标为________.
(2)(2018·浙江高考)我国古代数学著作《张邱建算经》中记载百鸡问题:“今有鸡翁一,值钱五;鸡母一,值钱三;鸡雏三,值钱一.凡百钱,买鸡百只,问鸡翁、母、雏各几何?”设鸡翁,鸡母,鸡雏个数分别为x,y,z,则当z=81时,x=________,y=________.
(1)(1,0) (2)8 11 [(1)∵f(x)=xln x,∴f′(x)=ln x+1,
由题意得f′(x0)·(-1)=-1,即f′(x0)=1,
∴ln x0+1=1,ln x0=0,∴x0=1,∴f(x0)=0,
即P(1,0).
(2)法一:由题意,得
即解得
法二:100-81=19(只),
81÷3=27(元),
100-27=73(元).
假设剩余的19只鸡全是鸡翁,则
5×19=95(元).
因为95-73=22(元),
所以鸡母:22÷(5-3)=11(只),
鸡翁:19-11=8(只).]
方程思想无处不在,只要涉及含有等量关系的条件或结论时,均可考虑到通过列方程或方程组求解.
【对点训练7】 (2019·北京高考)设{an}是等差数列,a1=-10,且a2+10,a3+8,a4+6成等比数列.
(1)求{an}的通项公式;
(2)记{an}的前n项和为Sn,求Sn的最小值.
[解] (1)∵{an}是等差数列,a1=-10,且a2+10,a3+8,a4+6成等比数列.
∴(a3+8)2=(a2+10)(a4+6),
∴(-2+2d)2=d(-4+3d),解得d=2,
∴an=a1+(n-1)d=-10+2n-2=2n-12.
(2)法一:由a1=-10,d=2,得:
Sn=-10n+×2=n2-11n=2-,
∴n=5或n=6时,Sn取最小值-30.
法二:由(1)知,an=2n-12.
所以,当n≥7时,an>0;当n≤6时,an≤0.
所以,Sn的最小值为S5=S6=-30.
应用5 方程思想与不等式
【典例5】 关于x的一元二次不等式x2+ax+b>0的解集为(-∞,-3)∪(1,+∞),则不等式ax2+bx-2<0的解集为( )
A.(-3,1) B.∪(2,+∞)
C. D.(-1,2)
C [由关于x的一元二次不等式x2+ax+b>0的解集为(-∞,-3)∪(1,+∞),
可知方程x2+ax+b=0的两实数根分别为-3,1,则解得
所以不等式ax2+bx-2<0可化为2x2-3x-2<0,即(2x+1)(x-2)<0,解得-<x<2,
即所求不等式的解集为.]
方程的根是对应不等式解集区间的端点值,所以不等式与方程是紧密联系的!
【对点训练8】 已知函数f(x)=x2+ax+b(a,b∈R)的值域为[0,+∞),若关于x的不等式f(x)<c的解集为(m,m+6),则实数c的值为________.
9 [由题意知f(x)=x2+ax+b=2+b-.
因为f(x)的值域为[0,+∞),所以b-=0,即b=.
所以f(x)=2.
又f(x)<c,所以2<c,
即--<x<-+.
所以
②-①得2=6,所以c=9.]
1.函数与方程思想
函数思想
方程思想
函数思想的实质是抛开所研究对象的非数学特征,用联系和变化的观点提出数学对象,抽象其数学特征,建立各变量之间固有的函数关系,通过函数形式,利用函数的有关性质,使问题得到解决.
方程思想的实质就是将所求的量设成未知数,根据题中的等量关系,列方程(组),通过解方程(组)或对方程(组)进行研究,以求得问题的解决.
函数与方程思想在一定的条件下是可以相互转化的,是相辅相成的,函数思想重在对问题进行动态的研究,方程思想则是在动中求解,研究运动中的等量关系.
应用1 目标函数法求最值
【典例1】 (1)在平面直角坐标系中,已知点A(-1,0),B(2,0),E,F是y轴上的两个动点,且||=2,则·的最小值为________.
(2)已知斜率为1的直线l与椭圆+y2=1相交于A,B两点,则|AB|的最大值为________.
(1)-3 (2) [(1)∵E,F是y轴上的两个动点,且||=2,不妨设E(0,t),F(0,t+2),则=(0,t)-(-1,0)=(1,t).
=(0,t+2)-(2,0)=(-2,t+2),
·=t2+2t-2.
令f(t)=·=(t+1)2-3≥-3,当且仅当t=-1时取等号.即·的最小值为-3.
(2)设A,B两点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),直线l的方程为y=x+t,由消去y,得5x2+8tx+4(t2-1)=0.则x1+x2=-t,x1x2=,∴|AB|=|x1-x2|
=·
=·
=,
当t=0时,|AB|max=.]
目标函数法即是把所谓目标写成函数形式,然后再求其值域、最值的方法.
(1)有关长度、面积、体积以及数量积等的计算经常采用目标函数法.
(2)求值域、最值的方法,一般涉及换元法、配方法和均值不等式法以及单调性法.
【对点训练1】 已知在半径为2的扇形AOB中,∠AOB=120°,C是OB的中点,P为弧AB上任意一点,且=λ+μ,则λ+μ的最大值为________.
[建立如图所示的平面直角坐标系,则O(0,0),A(2,0),C,则=(2,0),=,设P(2cos θ,2sin θ),则λ(2,0)+μ=(2cos θ,2sin θ),即解得
则λ+μ=sin θ+cos θ=sin(θ+φ),其中tan φ=,据此可知,当sin(θ+φ)=1时,λ+μ取得最大值.]
【对点训练2】 一个直角三角形的三个顶点分别在底面棱长为2的正三棱柱的侧棱上,则该直角三角形斜边的最小值为________.
2 [如图,三棱柱ABCA1B1C1为正三棱柱.AB=2,三角形ADE为直角三角形,∠ADE=90°.
设BD=x,CE=y,
则AD2=4+x2,AE2=4+y2,
ED2=4+(y-x)2.
∵AE2=AD2+DE2,
∴4+y2=4+x2+4+(y-x)2,
解得y=x+.
∵AE2=4+y2=4+2≥4+(2)2=12.
∴AE≥2,当且仅当x=时取等号.
即直角三角形斜边的最小值为2.]
应用2 分离参数法求参数范围
【典例2】 (1)若方程cos2x-sin x+a=0在上有解,则实数a的取值范围为________.
(2)已知函数f(x)=x-,g(x)=x2-2ax+4,若任意x1∈[0,1],存在x2∈[1,2],使f(x1)≥g(x2),则实数a的取值范围是________.
(1)(-1,1] (2) [(1)由cos2x-sin x+a=0,得a=sin2x+sin x-1.
问题变成求函数a=sin2x+sin x-1在x∈上的值域问题.
∵a=2-,而0
∴f(x)在[0,1]上单调递增.
∴f(x)min=f(0)=-1,∴存在x2∈[1,2]使-1≥x2-2ax+4,即2a≥x+在[1,2]上有解,∴2a≥min,易知y=x+在(0,]上递减,∴y=x+在[1,2]上递减.∴min=2+=,∴2a≥,a≥,∴a的取值范围为.]
(1)在求参数的取值范围时,应该先建立关于参数的等式或不等式,然后利用函数的定义域、值域或解不等式求解.在对式子变形的过程中,应优先选择分离参数的方法.
(2)①对于方程有解、不等式的恒成立问题或存在性问题,往往可以分离参数,然后再构造函数,把问题转化成求函数的值域或最值.
②不等式有解、恒成立求参数的方法:g(a)>f(x)恒成立,则g(a)>f(x)max.
g(a)
g(a)
【对点训练3】 对一切实数x,不等式x2+a|x|+1≥0恒成立,则实数a的取值范围是________.
[-2,+∞) [当x=0时,不等式x2+a|x|+1≥0恒成立,此时a∈R,当x≠0时,则有a≥=-,设f(x)=-,则a≥f(x)max,由基本不等式得|x|+≥2(当且仅当|x|=1时取等号),则f(x)max=-2,故a≥-2.]
【对点训练4】 已知函数f(x)=lg,其中a为常数,若当x∈(-∞,1]时,f(x)有意义,则实数a的取值范围为________.
[参数a深含在一个复杂的复合函数的表达式中,欲直接建立关于a的不等式(组)非常困难,故应转换思维角度,设法从原式中把a分离出来,重新认识a与其他变元x的依存关系,利用新的函数关系,使原问题“柳暗花明”.
由>0,且a2-a+1=2+>0,
得1+2x+4x·a>0,故a>-.
当x∈(-∞,1]时,y=与y=都是减函数,
因此,函数y=-在(-∞,1]上是增函数,
所以max=-,a>-,
故a的取值范围是.]
应用3 构造函数解不等式、比较大小
【典例3】 (1)已知函数f(x)满足f(x)>f′(x),在下列不等式关系中,一定成立的是( )
A.ef(1)>f(2) B.ef(1)<f(2)
C.f(1)>ef(2) D.f(1)<ef(2)
(2)已知偶函数f(x)(x≠0)的导函数为f′(x),且满足f(1)=0,当x>0时,xf′(x)<-2f(x),则使f(x)>0成立的x的取值范围为( )
A.(-∞,-1)∪(0,1)
B.(-1,0)∪(0,1)
C.(-1,0)∪(1,+∞)
D.(-∞,-1)∪(1,+∞)
(1)A (2)B [(1)∵f(x)>f′(x),∴f′(x)-f(x)<0.
∴令g(x)=,则g′(x)=<0,
∴g(x)单调递减,又1<2.∴g(1)>g(2),
即>,∴ef(1)>f(2).选A.
(2)令F(x)=x2f(x),则F′(x)=2xf(x)+x2f′(x)=x[2f(x)+xf′(x)].当x>0时,由题设可得F′(x)<0,即函数F(x)=x2f(x)是单调递减函数,当x<0时,函数F(x)=x2f(x)是单调递增函数.又由题设可知F(1)=F(-1)=0,所以不等式F(x)>0的解集是(-1,0)∪(0,1),则不等式f(x)>0的解集是(-1,0)∪(0,1).故选B.]
(1)根据式子结构构造指数函数、对数函数或幂函数.
(2)根据式子的结构构造相应函数:
①(xmf(x))′=xm-1(mf(x)+xf′(x));
②
③(exf(x))′=ex(f(x)+f′(x));
④
⑤(x·ln x)′=ln x+1.
【对点训练5】 若0<x1<x2<1,则( )
A.ex2-ex1>ln x2-ln x1 B.ex2-ex1<ln x2-ln x1
C.x2ex1>x1ex2 D.x2ex1<x1ex2
C [设f(x)=ex-ln x(0<x<1),
则f′(x)=ex-=.
令f′(x)=0,得xex-1=0.
根据函数y=ex与y=的图象可知两函数图象的交点x0∈(0,1),因此函数f(x)在(0,1)上不是单调函数,故A、B选项不正确.
设g(x)=(0<x<1),则g′(x)=.
又0<x<1,∴g′(x)<0.
∴函数g(x)在(0,1)上是减函数.
又0<x1<x2<1,∴g(x1)>g(x2),
∴x2ex1>x1ex2,故选C.]
【对点训练6】 定义域为R的可导函数y=f(x)的导函数为f′(x),满足f(x)>f′(x),且f(0)=1,则不等式<1的解集为( )
A.(-∞,0) B.(0,+∞)
C.(-∞,2) D.(2,+∞)
B [构造函数g(x)=,则g′(x)==.由题意得g′(x)<0恒成立,所以函数g(x)=在R上单调递减.又g(0)==1,所以<1,即g(x)<1,解得x>0,所以不等式的解集为(0,+∞).故选B.]
应用4 利用方程思想求值
【典例4】 (1)函数f(x)=xln x在点P(x0,f(x0))处的切线与直线x+y=0垂直,则切点P(x0,f(x0))的坐标为________.
(2)(2018·浙江高考)我国古代数学著作《张邱建算经》中记载百鸡问题:“今有鸡翁一,值钱五;鸡母一,值钱三;鸡雏三,值钱一.凡百钱,买鸡百只,问鸡翁、母、雏各几何?”设鸡翁,鸡母,鸡雏个数分别为x,y,z,则当z=81时,x=________,y=________.
(1)(1,0) (2)8 11 [(1)∵f(x)=xln x,∴f′(x)=ln x+1,
由题意得f′(x0)·(-1)=-1,即f′(x0)=1,
∴ln x0+1=1,ln x0=0,∴x0=1,∴f(x0)=0,
即P(1,0).
(2)法一:由题意,得
即解得
法二:100-81=19(只),
81÷3=27(元),
100-27=73(元).
假设剩余的19只鸡全是鸡翁,则
5×19=95(元).
因为95-73=22(元),
所以鸡母:22÷(5-3)=11(只),
鸡翁:19-11=8(只).]
方程思想无处不在,只要涉及含有等量关系的条件或结论时,均可考虑到通过列方程或方程组求解.
【对点训练7】 (2019·北京高考)设{an}是等差数列,a1=-10,且a2+10,a3+8,a4+6成等比数列.
(1)求{an}的通项公式;
(2)记{an}的前n项和为Sn,求Sn的最小值.
[解] (1)∵{an}是等差数列,a1=-10,且a2+10,a3+8,a4+6成等比数列.
∴(a3+8)2=(a2+10)(a4+6),
∴(-2+2d)2=d(-4+3d),解得d=2,
∴an=a1+(n-1)d=-10+2n-2=2n-12.
(2)法一:由a1=-10,d=2,得:
Sn=-10n+×2=n2-11n=2-,
∴n=5或n=6时,Sn取最小值-30.
法二:由(1)知,an=2n-12.
所以,当n≥7时,an>0;当n≤6时,an≤0.
所以,Sn的最小值为S5=S6=-30.
应用5 方程思想与不等式
【典例5】 关于x的一元二次不等式x2+ax+b>0的解集为(-∞,-3)∪(1,+∞),则不等式ax2+bx-2<0的解集为( )
A.(-3,1) B.∪(2,+∞)
C. D.(-1,2)
C [由关于x的一元二次不等式x2+ax+b>0的解集为(-∞,-3)∪(1,+∞),
可知方程x2+ax+b=0的两实数根分别为-3,1,则解得
所以不等式ax2+bx-2<0可化为2x2-3x-2<0,即(2x+1)(x-2)<0,解得-<x<2,
即所求不等式的解集为.]
方程的根是对应不等式解集区间的端点值,所以不等式与方程是紧密联系的!
【对点训练8】 已知函数f(x)=x2+ax+b(a,b∈R)的值域为[0,+∞),若关于x的不等式f(x)<c的解集为(m,m+6),则实数c的值为________.
9 [由题意知f(x)=x2+ax+b=2+b-.
因为f(x)的值域为[0,+∞),所以b-=0,即b=.
所以f(x)=2.
又f(x)<c,所以2<c,
即--<x<-+.
所以
②-①得2=6,所以c=9.]
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