2023年函数凹凸性及其在高中数学中的应用探讨.pdf
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1、函数凹凸性及其在高中数学中的应用探讨 摘 要 在高中数学课本中,凹凸函数这一概念虽未曾出现,但观察近几年全国各地高考试题及一些有难度的高中题,涉及凹凸函数知识的题目已频繁出现事实上,让高中生掌握一些凹凸函数的简单应用,能起到承上启下,启迪学生思维,增强学生数形结合能力的作用例如有些对数函数,指数函数以及一些三角不等式的计算或证明,往往看起来很复杂,甚至无从下手,但如果利用凹凸函数的性质给予计算或证明,则会起到简捷明了、事半功倍的效果本文通过对函数凹凸性定义和相关性质定理的介绍,探讨运用这些定理去证明一些较复杂的不等式,求取值范围,求最值以及解数形结合类的题目,以使学生对相关知识有一个更全面、更
2、系统、更深刻的了解,进一步提高运用这些性质定理去解决相关题目的数学能力和应用能力.这体现了函数的凹凸性在高中数学解题中的巧妙作用 关键词:上凸函数;下凸函数;单调性;不等式 Exploring the Concavity and Convexity of Function and its Application of Mathematics in Senior Middle School Abstract:Although the concept of the concavity and convexity of function has not been introduced in the
3、high school textbook of mathematics,many difficult questions involved in the concavity and convexity of function had appeared frequently in the College Entrance Examination.In fact,to some high school students,mastering a simple application of the concavity and convexity of function can play a conne
4、cting,enhanceing the capacity of figures and graphics.For example,the calculation and proof of some logarithmic function,exponential function,as well as the triangle function often looks very complicated,even impossible to start,but the problem can be solved simply,clearly and effectively using the
5、concavity and convexity of function.In this paper,the basic definitions,the character and theorem of the concavity and convexity of function are introduced.The application in proving some complex inequalities,solving the rang of the figure and figures-graphics are discussed.So that the student can h
6、ave a more comprehensive,more systematic and deeper understanding and further enhance the ability of using these theorems to solve some related problems.This reflect the clever role of the Concavity and Convexity of Functionof mathematics in high school.Keywords:convex function;concave function;mono
7、tonicity;inequality 目 录 1 引言.4 2 文献综述.4 2 1 国内外研究现状.4 2 2 国内外研究现状评价.5 2 3 提出问题.5 3 凹凸函数基础知识.5 3 1 凹凸函数的定义.3 3 2 凹凸函数的相关定理.6 3 3 高中数学中常见函数的凹凸性.7 4 函数凹凸性在高中数学解题中的应用.9 4 1 函数凹凸性在证明不等式中的应用.9 4 2 利用函数凹凸性求取值范围.11 4 3 函数凹凸性在数形结合中的应用.13 4 4 利用函数凹凸性求最值.14 5 结论.16 5 1 主要发现.16 5 2 启示.16 5 3 局限性.16 5 4 努力方向.16
8、参考文献.17 资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除-完整版学习资料分享-1 引言 函数的凹凸性主要用于高等数学中,例如凸函数在泛函分析、最优化理论、数理经济学以及数学规划和控制论等领域有着广泛的应用,而高中课本中没有相关的概念 虽然函数的凹凸性在高中教材中没有给出系统定义、性质,但它的身影在高考中频频出现,充分说明了高考命题源于课本,又高于课本的原则,同时也体现了高考为高校输送优秀人才的选拔性功能在求解高中涉及函数的凹凸性的相关问题时,许多学生常常感到束手无策,部分学生由于计算量大和繁锁,产生厌学数学的情绪为了解除这种困惑,培养与提高学生学习数学的兴趣,让学生掌握函数凹凸
9、性及其在高中数学中的应用是很必要的 因此本毕业论文从凹凸函数的基础知识和函数凹凸性在高中数学解题中的应用两个大方面,对函数凹凸性定义、相关定理及其应用进行进一步的分析,探讨函数凹凸性在证明不等式、求取值范围以及求最值、解数形结合合问题方面的应用,皆在为解决高中有关函数凹凸性的相关问题提供比较清晰的解题思路和解题方法 2 文献综述 2 1 国内外研究现状 根据所查到的相关文献资料可知,目前有关函数凹凸性在高等数学和初等数学中的研究甚多,学者们从不同的方面和角度对其进行了较为广泛的探讨,比如:唐才祯、莫玉忠、李金继的凹凸函数在不等式证明中的巧用一文1和张建平的琴生不等式的应用一文2主要介绍了函数凹
10、凸性的定义和詹生不等式的证明过程;谢晓强的 函数凹凸性的几个应用一文3和魏远金的函数凹凸性在高考中的应用一文4主要论述了函数凹凸性在初等数学中的应用,解决了一些用初等数学知识难以解决的初等不等式;王强芳、魏远金的函数凹凸性在解题中的应用一文5探讨函数的凹凸性在高考数学中的应用;周再禹的巧用函数凸性证明不等式一文6探讨了用函数的凸性巧妙的来证明中学代数中的一些不等式;尚亚东、游淑军的凸函数及其在不等式证明中的应用一文7和刘海燕的凸函数在不等式证明中的应用一文8介绍了凸函数的定义性质及其在证明不等式的一些应用;郝建华的凸函数的性质及其在不等式证明中的应用一文9主要介绍了两个重要的不等式霍尔德不等式
11、和闵可夫斯基不等式;刘大谨的 凸函数与不等式 一文10探讨了)(x f 在区间 I 是凸函数的充要条件;江炳新的 构造凸函数证一类不等式 一文11针对目前高考数学的部分压轴题中体现的高等数学思想方法提出在教学中要引导学生进行函数凹凸性的探究;傅拥军的函数凸性在不等式证明中的应用 一文12针对在中学数学中不等式的证题方法较多,技巧资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除-完整版学习资料分享-性强的这一特点,通过例题说明函数凸性是函数在区间变化的整体形态,对于一些不等式,可以巧妙地构造凸函数,利用凸函数加以证明;夏红卫的凸函数与不等式一文13从凸函数的定义出发,得到函数的连续性,推
12、导出 Jensen 不等式,并由此得到 n 个正数的算术平均与几何平均之间的不等式关系;张景丽、陈蒂的凸函数在不等式证明中的应用一文14论述可导凸函数的几何特征和性质,并举例说明它们在不等式证明中的应用;晏忠红的凸函数的应用一文15主要论述了用凸函数方法和凸函数詹生不等式推证几种重要的不等式,并对某些结论作一些探讨,等等;朱庆喜的函数凹凸性的应用举例17一文主要根据函数凹凸性的定义形式通过例子反映出函数凹凸性的简捷有效应用;王萍珠的 例说高考函数图像题的解法 一文18是针对高考中的函数图像题这类问题该如何解决而提出应从学会看图和学会作图两方面着手;罗志斌,曾菊华的关于函数凹凸定义的一个注解19
13、一文针对不同教材的函数凹凸定义进行比较,对函数凹凸性的相关性质进行讨论,并对函数凹凸性的应用进行研究;赵春燕的构造函数,利用函数性质证明不等式20一文论述在构造函数的背景下运用函数的单调性、微积分中值定理、函数的极值和最值等,将不等式问题转化为函数问题,等等.2 2 国内外研究现状评价 综合国内外研究现状可以看出,关于函数凹凸性在高中数学中的应用的研究,仁者见仁、智者见智其中,较大多数只对一个或几个题目研究某一方面的问题,对高中出现的有关函数凹凸性的问题没有给出系统的归纳和分类 因此函数凹凸性在高中数学中的应用还有许多问题值得研究和探索 2 3 提出问题 经过查阅了国内外的参考文献以及对近几年
14、高考试题的分析,发现函数凹凸性在解决高中题时有巧妙作用,而目前文献对用函数凹凸性来解决高中题又没具体给出应用的归纳和分类于是本文在查阅了相关资料后,在前人研究的基础之上,对函数凹凸性的应用做了归纳和分类,总结出函数凹凸性在证明不等式、求取值范围、解数形结合问题以及求最值方面的应用,进而培养与提高学生学习数学的兴趣,为学生解决这些问题提供更广的解题思路和解题方法 3 凹凸函数基础知识 3 1 凹凸函数的定义 函数凹凸性在高中数学中有巧妙的作用,往往能起到事半功倍的效果,下面先介绍一下它的定义 资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除-完整版学习资料分享-定义 1:如果函数()f
15、x 对其定义域中任意的1x,2x 都有如下不等式)()(21)2(2 12 1 x f x fx xf(1)成立,则称)(x f 是下凸(凸)函数(如图 1 所示),当且仅当2 1x x 时等号成立 如果函数()f x 对其定义域中任意的1x,2x 都有如下不等式)()(21)2(2 12 1 x f x fx xf(2)成立,则称)(x f 是上凸(凹)函数(如图 2 所示),当且仅当2 1x x 时等号成立 从几何意义来看,不等式(1)表示定义域中任意两点1x,2x 的中点 M 所对应的曲线上的点 Q位于弦上对应点 P 的下面不等式(2)则有相反的意义 3 2 凹凸函数的相关定理 以下几个
16、有关凹凸函数相关定理在解题中非常重要,为了使以后的解题过程更加的方便,下面做一个归纳总结 定理 1(詹生不等式)16 若函数()f x 在区间 I 是上凸函数,则有不等式:)()()()(2 2 1 1 2 2 1 1 n n n nx f q x f q x f q x q x q x q f(3)若函数()f x 在区间 I 是下凸函数,则有不等式:)()()()(2 2 1 1 2 2 1 1 n n n nx f q x f q x f q x q x q x q f(4)其中 n i q I xi i,2,1,0,;12 1 nq q q 定理 2 若)(x f 是下凸函数,则其对应
17、定义域中的任意 n 个点nx x x,2 1恒有:)()()(1)(2 12 1nnx f x f x fn nx x xf 资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除-完整版学习资料分享-当且仅当nx x x 2 1时等号成立 类似地,对于上凸函数有:)()()(1)(2 12 1nnx f x f x fn nx x xf 定理 3 上的下凸函数 为区间 I x f)(对于 I 上的任意 3 2 1x x x,总有:2 32 31 21 2)()()()(x xx f x fx xx f x f成立 定理 4 设函数)(x f 在开区间 I 上可导,则)(x f 在区间 I
18、上为上凸函数 导函数)(x f 在区间 I 单调减少 对 I 上的任意两点2 1,x x 且2 1x x,总有)()()(1 2 1 1 2x x x f x f x f 推论:设函数)(x f 在开区间 I 上存在二阶导数:(1)若对任意 I x,有 0)(x f,则)(x f 在 I 上为下凸函数;(2)若对任意 I x,有 0)(x f,则)(x f 在 I 上为上凸函数 定理 5 对于上凸函数)(x f 有如下简单性质:(1)若)(x g 是线性函数,则函数)()(x g x f 与)(x f 凸性相同(2)当 0)(x f 时,函数 nx f)(与)(x f 的凸性相同)(R n(3
19、)函数)(x f 与函数)(x f、)(1x f的凸性相反 反之对于下凸函数也有相同的性质 对于一些比较复杂的函数凹凸性的判断,常根据定理 4 及推论利用导数,判断其二阶导数的正负 3 3 高中数学中常见函数的凹凸性 在高中数学中,对于一些常见函数我们可根据函数图像或求二阶导数对其凹凸性进行判断如二次函数2x y,因为开口向上,所以在区间(-,+)上是下凸函数,当然也可根据其二阶导数 0 2 y,得出它是下凸函数 下面对于一些常用的,在考试中出现频率高的函数的凹凸性作一个探讨 资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除-完整版学习资料分享-(1)对数函数 对于对数函数)1 0(l
20、og a a x ya且 而言,其凹凸性如下:若 1 0 a,则对数函数x yalog 为下凸函数;若 1 a,则对数函数 x yalog 为上凸函数(2)指数函数)1,0(a a a yx且 为下凸函数(3)三角函数sin(0,)sin(,2cos(,)2 23cos(,2 2tan(,0)2tan(02cot(,0)2cot(0,)2y x xy x xy x xy x xy x xy x xy x xy x x 是上凸函数,是下凸函数,)是上凸函数,是下凸函数,)是上凸函数,是下凸函数,)是下凸函数,是上凸函数,(4)二次函数 对于二次函数)0(2 a c bx ax y 而言,其凹凸性
21、如下:若 0 a,则二次函数c bx ax y 2为下凸函数;若 0 a,则二次函数 c bx ax y 2为上凸函数(5)反比例函数 对于反比例函数)0(kxky 而言,其凹凸性如下:当 0 k 时:若)0,(x,则反比例函数)0(kxky 为上凸函数;若),0(x,则反比例函数)0(kxky 为下凸函数 当 0 k 时:若)0,(x,则反比例函数)0(kxky 为下凸函数;若),0(x,则反比例函数)0(kxky 为上凸函数(6)双勾函数 对于双勾函数)0,0(b axbax y 而言,其凹凸性如下:资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除-完整版学习资料分享-当)0,(x
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- 2023 函数 凹凸 及其 高中数学 中的 应用 探讨
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