同构式下的函数体系.pdf
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1、 学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 1 专题专题 6 同构式下的函数体系同构式下的函数体系 秒杀秘籍:第一讲 同构式的三问三答 又到了最后一个章节,自从秒群在 2018 年跟大家交流同构式开始,全国各地的老师和学生似乎都很迷这个“神招”,同构式并不神秘,和很多之前的专题一样,我们需要细化它,透彻理解它,所以我们需要一个同构式的“说明书”问题一:同构式到底是什么?同构式源于指对跨阶的问题,xex与xxln属于跨阶函数,而xexln属于跳阶函数,所以指对跳阶的函数问题,在中学阶段没有解决它的巧妙方法,只能构造隐零点代换来简化,但通过指对跨阶函数进行同构,即1lnlnln)(ln1)(xx
2、xxxxxhxeexxexhxxx我们发现将一个指数、直线、对数三阶的问题通过跨阶函数的同构,变成了两阶问题,类似于二阶递推数列通过一次递推后变成了一阶数列,所以,通过构造跨阶函数的同构式,大大简化了分析和计算 问题二:同构式能解决什么问题?同构式是属于跨阶的复合函数,所以复合函数能解决的一切问题,同构式均能解决在一些求参数的取值范围、零点个数、证明不等式中,利用复合函数单调性,复合函数零点个数以及复合函数的最值保值性来快速解题 问题三:同构式怎么构造?如何选取函数?同构式需要一个构造一个母函数,即外函数,用)(xh表示,这个母函数需要满足:指对跨阶;单调性和最值易求;通常,1)(xeexxe
3、xhxxx,基本上搞定这三个母函数,就看内函数,即子函数的构造了 下面,我们分别利用同构式的单调性、保值性和零点个数问题来对同构式进行系统分析 秒杀秘籍:考点 1 利用同构式单调性秒杀【例 1】(2020武邑期中)设实数0,若对任意的(0,)x,不等式0 xlnxe恒成立,则的取值范围是 【解析】0 xxlnxeelnx,由于指数和对数的“跳阶”问题,故需要构造连续的“跨阶”函数来化简,故不等式两边同乘以x,构成xxexlnx,乘法的式子构造xxexh)(,故不等式满足)(ln)(xhxh,易知)(xh在区间),0(为增函数,即xxln恒成立,exx1)ln(max,故答案为),1e.学习数学
4、 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 2 注意:1)(xeexxexhxxx在区间),0(为增函数,当构造)()(xqhxph恒成立的时候,只需要)()(xqxp恒成立即可.由于()xh xxe在1,,这个在秒 1 中已经详细介绍,这里不再详述.xxxpln)(在区间(0,)e,在(,)e,易知eepxp1)()(max.【例 2】设0k,若存在正实数x,使得不等式2log20kxxk成立,则k的最大值为()A21log ee B12lne C2logee D122ln 注意:我们会介绍几个重要的“亲戚函数”,xxe、xxln、xex、xxln利用它们之间的同构式原理来快速求出最值【例 3】(2
5、019长郡中学月考)已知函数 ln133f xmxx,若不等式 3xf xmxe在0,x 上恒成立,则实数m的取值范围是 【解析】法一:ln1333ln13(1)3xxf xmxxmxemxxmxe,令()3xh xmxe即(ln(1)()hxh x恒成立,由于ln(1)xx,故函数()h x 对0,x 上恒成立,即()30 xh xme,解得min33xme,故答案为3m.法二:ln133333(1)ln1xxf xmxxmxeexmxmx,构造函数()1xh xex,则3()(ln(1)h xmhx,这里要用到我们接下来讲的同构式“保值性”,由于ln(1)xx恒成立,取等条件为0 x,不在
6、定义域内,故ln(1)xx恒成立,所以当3m 时,3()(ln(1)h xmhx恒成立,故答案为3m.【例 4】(2019衡水金卷)已知0a,不等式1ln0axxeax对任意的实数1x 恒成立,则实数a的最小值是()Ae21 Be2 Ce1 De【解析】由题意得:1ln1ln1111ln0lnlnlnaaxxxaaaaaaxxeaxxeexxxxxx对1x 恒成立,此时maxlnxax,即ae,故选 D.注意:这一类均是属于外函数xxexh)(的同构式模型,那么在xexxh)(或者1)(xexhx的模型会是什么情况呢?秒杀秘籍秒杀秘籍:考点 2 同构式问题构造恒等式:x+ex ex+lnex
7、构造函数xexxh)(,易知)(xh在区间),0(,根据01)(xexpx恒成立,则01ln)(lnxxxp恒成立,当仅当0lnx,即1x时等号成立.由此能得到恒等式:exxxln1ln,所以再利用同构式)(ln)(exhxh,即exexexxln恒成立,当仅当1x时等号成立.学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 3 【例 5】(2019榆林一模)已知不等式1xekxlnx,对于任意的(0,)x恒成立,则k的最大值 注意:若)()(xqhxph恒成立,且)()()(xxqhxph,则一定要满足0)(x,此方法属于同构式的单调性和同构式的“保值性”综合题,有一定难度,原理其实很简单,同构式
8、一旦搞定,剩下的就是基本的函数方程不等式的简单思想.以此题为背景的考题非常多,从选填题压轴到解答题压轴,无处不在,常规方法我们不在这里讲述了,大家可以去看一下常规的解答方案.【例 6】(2019武汉调研)已知函数 ln0 xfxeaaxaa a,若关于x的不等式 0fx 恒成立,则实数a的取值范围为()A,0(e B2,0 e C,1 2e D),1(2e【解析】由题意可知:lnlnln(1)xeaaxaaaaaxa,由于xe和)1ln(x明显存在“差一”的错位,无法构造出乘法同构式,思考加法的同构,由于不等式的右边可以提出公因式a,故将其除去,得到式子lnln+ln11lnln11xxaea
9、xeaxa,式子右边没有参数a,但左边存在,根据同构式的形式相似原理,我们需要将aln移至不等式左边,即lnlnln11xaeax,显然不等式的两边都加上x即可同构成功,ln1lnlnln1xxaexaex,构造函数xexxh)(,)1(ln()ln(xhaxh,易知)(xh在区间),0(,只需lnln1ln1lnxaxxxa,两边取指数得:axex1,这里求最值也可以利用同构式来解决,令xexgx)(,易知exg)(,aexegexexexx21)1(11,2ae,故选 B.注意:指数和对数的变量中出现xe和1lnx,或者1xe和xln,或者xe和)1ln(x,这些有着明显的指对不等式恒成立
10、的式子,通常是加法同构式xexxh)(的常客,在内函数的解不等式中,经常需要几个“亲戚函数”来帮忙,所以我们接下来介绍一下同构式的保值性.秒杀秘籍:考点 3 利用同构式的保值性秒杀 同构式保值性:若)(xh,)(xph,)(xqh中,Dx,Dxp)(,Dxq)(,故)(xh,)(xph,)(xqh的最值相等.概括起来就是构造了同构式,可以根据外函数的性质直接求出函数的最值 同构式倍值性:在)(xh和)()(xphmxg满足Dx,Dxp)(,则)()(xphmxg的最值是)(xh的m倍我们将这个性质概括为同构式的倍值性 下面我们仅以“亲戚函数”的图像和性质来验证这个理论 关于 xexxf的亲戚函
11、数 一、通过平移和拉伸得到的同构函数 如图 1:根据求导后可知:xexxf在区间1,,在区间,1,efxf11min 学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 4 图 1 图 2 图 3 图 4 如图 2:1111xefexeexxx,即将 xf向右平移 1 个单位,再将纵坐标扩大为原来的e倍,故可得xexy1在区间0,,在区间,0,当0 x时,1miny 如图 3:222222xfeexeexxx,即将 xf向右平移 2 个单位,再将纵坐标扩大为原来的2e倍,故可得xexy2在区间1,,在区间,1,当1x时,eymin 如图 4:111111xfeexeexxx,即将 xf向左平移 1 个
12、单位,再将纵坐标缩小为原来的e1倍,故可得xexy1在区间2,,在区间,2,当2x时,2min1ey 二、通过乘除和取倒数导致凹凸反转同构函数 如图 5:xfexexyxx,即将 xf关于原点对称后得到xexy,故可得xexy 在区间1,,在区间,1,当1x时,ey1max 图 5 图 6 图 7 图 8 如图 6:11111)1(xfeexeexyxx,即将 xf关于原点对称后,向右移一个单位,再将纵坐标缩小e1倍,得到xexy1,故可得xexy1在区间2,,在区间,2,当2x时,2max1ey 如图 7:110 xxeyxxx efx ,属于分式函数,将 xf1关于原点对称后得到,故可得x
13、eyx在区间1,0,在区间,1,当1x时,eymin 如图 8:111110111xxeyxxexee fx ,属于分式函数,将 xf1关于原点对称后,左移一个单位,再将纵坐标缩小e1倍,故可得1xeyx在区间 0,1,在区间,0,当0 x时,1miny 三、通过取反函数构成的同构函数 学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 5 图 9 图 10 图 11 图 12 如图 9:xfxexxxlnlnlnln,当1,lnx,即ex1,0,当,1ln x,即,1ex,ey1min 如图 10:xfxxxxlnlnln11,实现了凹凸反转,原来最小值反转后变成了最大值,当1,lnx,即,ex,当
14、,1ln x,即ex,0,ey1max 如图 11:exefexexexxlnln1ln,当1,lnex,即,1x,当,1lnex,即1,0 x,1maxy 如图 12:2222ln21ln21lnxfxxxx,当1,ln2x,即,ex,当,1ln2x,即ex,0,ey21max 注意:xxyln可以成为模型函数,也可以作为模板来进行同构,本专题之所以这样设计是让读者思考这一系列函数的同构原理,达到举一反三的目的例题中我们会以xxyln为模板进行求最值讨论.【例 7】(2019凌源市一模)若函数2()xf xeax在区间(0,)上有两个极值点1x,212(0)xxx,则实数a的取值范围是()A
15、2ea Bae Ca e D2ea 【例 8】(2019广州一模)已知函数|2()xf xeax,对任意10 x,20 x,都有2121()()()0 xxf xf x,则实数a的取值范围是()A2,(e B(,2e C0,2e D,02e【例 9】(2019荆州期末)函数1()lnxf xxx的单调增区间为()A(,1)B(0,1)C(0,)e D(1,)【例 10】(2019广州期末)函数2()f xxlnxmx有两个极值点,则实数m的取值范围是()A1(0,)2 B(,0)C(0,1)D(0,)学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 6【例 11】(2019深圳月考)已知函数()ln
16、xf xkxx在区间14e,e上有两个不同的零点,则实数k的取值范围为()A14 e,1)2e B1(4 e,1)2e C21e,14 e D21e,1e【解析】222ln21ln0lnxxxxkkxxxxf,当,41eex时,,2221eex,由于函数xxln在区间),0(e,),(e,则当,212eex 时,1,21ln22eexx,当,22eex 时,1,2ln222eexx,由于2221ee,故当)21,41ln2122eexxk时,()lnxf xkxx有两个不同零点,故选 A 秒杀秘籍秒杀秘籍:第二讲 同构式保值性定理 保值性定理 1:若)()(xqhxph恒成立,且满足)()()
17、(xxqhxph,则一定要满足0)(x;保值性定理 2:若)()(xqhxph恒成立,且满足)()(xqhmxph(0)(xh),则一定要满足1m;若要满足)()(xqmhxph有实根,则一定要满足1m;保值性定理 3:若0)(0)(xqhxph,且满足当mx 时,0)()(xqhxph,则一定满足不等式0)()(xqhxph;若0)(xph时和0)(xqh时的x取的值不相等,则0)()(xqhxph【例 12】(2019保山一模)若函数 lnxf xeaxx有两个极值点,则a的取值范围是()A(,)e B(,2)e C(,)e D(2,)e 【解析】由()0 xfxealnxa,得exexe
18、axeexaexxlnln构造xxexh)(,则 由于)(xh在),0(,且exxln,故)(ln)(exhxh恒成立,若)(ln)(exheaxh有两不等实根,则一定需要1ea,解得ae,故选:A 注意:相比此题的传统方法,同构式确实可以一步秒杀,还有什么理由不学习研究同构式呢?下面我们来讲解一下高考题中的同构式保值定理的应用【例 13】(2018新课标)已知函数()1xf xaelnx(1)设2x 是()f x的极值点,求a,并求()f x的单调区间;(2)证明:当1ae时,()0f x 【解析】(1)略;(2)当1ae时,11lnxxaelnxeexe,故只需证exeexln1,故只需证
19、exexexeexln1,即证明exexxexln恒成立,由于exxxgln)(中,xxg11)(,易知0)1()(min gxg,故exxln恒成立,构 学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 7 造函数xxexh)(,易知)(xh在区间),0(为增函数,故不等式满足)(ln)(exhxh,即()0f x 恒成立 注意:此题也可以采用反证法,当()0f x,只需exaexln,只需exexxeaexln恒,只需)(ln)(exhxhae恒成立,故只需1ae,即1ae.【例 14】.(2014全国卷 I)设函数 xbexaexfxx1ln,曲线 xfy 在点 1,1 f处的切线方程为21
20、xey.(1)求,a b;(2)证明:1xf.注意:保值性不仅仅是保大于零或者恒成立,也可以保最大值或者最小值,知道指对跨阶的同构式,基本上就是一步到位,怎么样?有点感觉了吧,再看看下一道高考题.【例 15】(2015新课标)设函数2()xf xealnx(1)讨论()f x的导函数()fx零点的个数;(2)证明:当0a 时,2()2f xaalna 注意:看不到乘法同构就用加法,xexxh)(的同构式通常用于单调性,因为无最值,所以无法采用保值性来使用,而1)(xexhx既能实现单调性,又能实现保值性,堪称同构式的桥头堡,下面关于同构式1)(xexhx,在涉及保值性问题上,有一个特殊的名词,
21、叫做改头换面 秒杀秘籍秒杀秘籍:第三讲 改头换面ln2xexmm类型 构造1)(xexhx,则1)ln()()(ln(mxmxmxh,故mmxhxhmmxmxxemxexx2)(ln()(21)ln()(1)ln(,由于0)(ln()(mxhxh,故mmxex2)ln(,当仅当0 x,且0)ln(mx时等号成立,这里就提出了一个问题就是,当仅当1m时可以取等,其余均是大于 此题也可以表示为mmxexfmx22)ln()(,当仅当21m时,1)(minxf【例 16】(2013新课标)已知函数()()xf xeln xm(1)设0 x 是()f x的极值点,求m,并讨论()f x的单调性;(2)
22、当2m 时,证明()0f x 【解析】(1)1()xfxexm,0 x 是()f x的极值点,1(0)10fm,解得1m 所以函数()(1)xf xeln x,其定义域为(1,)1(1)1()11xxexfxexx设()(1)1xg xex,则()(1)0 xxg xexe,所以()g x在(1,)上为增函数,又(0)0g,所以当0 x 时,()0g x,学习数学 领悟数学 秒杀数学 第五章 导数 8 即()0fx;当10 x 时,()0g x,()0fx所以()f x在(1,0)上为减函数;在(0,)上为增函数;(2)(常规方法)证明:当2m,(,)xm 时,()(2)ln xmln x,故
23、只需证明当2m 时()0f x 当2m 时,函数1()2xfxex在(2,)上为增函数,且(1)0f,(0)0f故()0fx在(2,)上有唯一实数根0 x,且0(1,0)x 当0(2,)xx 时,()0fx,当0(xx,)时,()0fx,从而当0 xx时,()f x取得最小值 由0()0fx,得0012xex,00(2)ln xx 故200000(1)1()()022xf xf xxxx 综上,当2m 时,()0f x (2)秒杀解法:构造()1xh xex,则()10 xh xe 时,故当0 x,min()0h x;ln=1()ln()1 2=()(ln()+22xxexmexxmxmm h
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