溯其源追其本悟其道
1.试题呈现
题目(2023年全国数学新高考Ⅰ卷第19题)已知函数f(x)=aex+a-x.
(1)讨论f(x)的单调性;
2.试题溯源
(1)课本题源:(人教版选择性必修第二册P99综合运用12题)
利用函数的单调性,证明下列不等式,并通过函数图象直观验证:(1)ex>1+x,x≠0;(2)lnx<x<ex,x>0.
(人教版选择性必修第二册P104拓广探索18题)已知函数f(x)=ex-ln(x+m).当m≤2时,求证f(x)>0.
(3)竞赛题源:(2019年全国高中数学联赛(福建省赛区)预赛)已知f(x)=ex,(1)当x≥0时,不等式x-1f(x)≥mx2-1恒成立,求m的取值范围.(2)求证:当xgt;0时,f(x)gt;4lnx+8-8ln2.
3.试题探究
第(1)问是考查函数的单调性,需要先对函数求导,再进行分类讨论:
f(x)的定义域为R,f′(x)=aex-1,当a≤0时,f′(x)lt;0,f(x)在R上单调递减;当agt;0时,令f′(x)=0,得x=-lna,所以,当x∈-∞,-lna时,f′(x)lt;0,f(x)在(-∞,-lna)上单调递减;当x∈-lna,+∞时,f′(x)gt;0,f(x)在-lna,+∞上单调递增.综上,当a≤0时,f(x)在R上单调递减;当agt;0时,f(x)在-∞,-lna上单调递减,-lna,+∞上单调递增.
第(2)问是多元变量导数不等式证明,用导数证明不等式问题一般要通过构造函数,利用函数单调性来证明,其求解可以改变不等式结构,进行恰当的放缩处理,重新构造函数证明不等式.就本题解题思路探究如下:
3.1横向探究
思路1:本题是有关证明f(x)gt;k的题型,关于x的函数,先求出f(x)的最小值.
思路2:移项构造新函数g(x),求出新函数g(x)的最小值.
评注:把函数不等式的证明转化为利用导数研究函数的最值,构造差函数的证法是函数不等式证明中最常规的方法.
思路3:局部位置放缩处理,重新构造函数证明不等式处理.
评注:利用切线不等式ex≥x+1(当且仅当x=0时取到等号)进行放缩处理.
评注:利用切线不等式lnx≤x-1(当且仅当x=1时取到等号)进行放缩处理.
评注:本解法借助同构法与两个切线不等式lnx≤x-1,ex≥x+1同时进行放缩处理,体现转化与化归思想,也体现了微积分中以直代曲,无限逼近的思想.
3.2纵向探究
研究中可尝试从多角度对本题进行改编探究.
探究一:改变参数a的位置
已知函数f(x)=eax+a-x.
(1)讨论f(x)的单调性;
探究二:改变背景函数
已知函数f(x)=alnx+a-x.
(1)讨论f(x)的单调性;
探究三:加入三角元素
已知函数f(x)=ex-a-1x+cosx-2,证明:当a≤1,xgt;0时,f(x)gt;0.
简解:f′(x)=ex-a+1-sinx≥e0-a+1-sinx=1-a+1-sinx≥0,f(x)单调递增,f(x)gt;f0=e0-a-1·0+cos0-2=0.
3.3逆向探究
受上述探究的启发,我们还可对上述题型进行逆向探究,即对导数恒成立求参数范围的一类问题进行研究,例如,
例1(2017年全国Ⅱ卷文科第21题节选)已知函数f(x)=1-x2ex.(1)略;(2)当x≥0时,f(x)≤ax+1,求a的取值范围.
例2(2022年全国新高考Ⅱ卷第22题节选)已知函数f(x)=xeax-ex.(1)略;(2)当xgt;0时,f(x)lt;-1,求a的取值范围.
例3(2020年全国新高考Ⅰ卷第21题节选)已知函数f(x)=aex-1-lnx+lna.
(1)略;(2)若f(x)≥1,求a的取值范围.
对导数恒成立求参数范围问题,可采用通过分离参数、数形结合、变更主元、放缩法、端点效应、必要性探路等方法进行小结和归类,并对多种方法混合运用破解以上实例.
4.感悟反思
一道好的数学试题,应立足于考查考生的关键能力和数学学科核心素养.2023年全国新高考Ⅰ卷第19题其命题立意深刻、设计新颖,具有典型性、示范性、引领性,是教学研究的良好素材.教学中要善于研究高考试题命题的背景与意图,从教材例题、习题以及往年的高考题、竞赛试题中找到原型,通过对高考试题的多角度探究,寻找试题的命制本源和解法本源,挖掘数学本质,通过改变不同的数学问题情境,并达到灵活应用,从而有效落实数学学科的核心素养培育,实现解决一道题收获一系列题的学习目的.
[1]李加军.2022年高考北京卷导数试题的背景溯源、解析和推广[J].数学通讯,2022(24).
[2]王波.借助导数破解含参不等式问题[J].中学数学研究(江西师大),2020(10).
[3]闫二路,何百惠.函数与导数问题