恒成立问题中的参数分离

已知某含参的函数不等式恒成立,求参数的取值范围是高中一类常见的问题.对于这类问题的处理,有两种常见的思路:一种是分离参数,再去求分离后得到的不含参函数的最值;另一种是不分离参数,直接去处理这个函数.很多问题两种思路的处理难度上差别不大,也有些问题其中一种思路明显优于另一种思路(甚至只有一种思路可以行得通),需要大家解题时先观察判断,解完题多思考总结.我们今天先来看看适合参数分离的问题.比如:

已知不等式$x\ln x\geqslant kx-1$恒成立,求$k$的取值范围.

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在这个问题中,$k$很容易分离出来,即$$\forall x>0,k\leqslant \ln x+\dfrac 1x.$$而这个不等式恒成立当且仅当$k$不大于右边函数的最小值.

而右边的函数$f(x)=\ln x+\dfrac 1x$的最小值容易求:对$f(x)$求导得$$f'(x)=\dfrac {x-1}{x^2},$$故$f(x)$在$(0,1)$上单调递减,在$(1,+\infty)$上单调递增,从而$$\min\{f(x)\}=f(1)=1,$$所以$k\leqslant 1$.

在有些问题中右边的函数因为定义域不包含边界,所以取不到对应的最值,只有一个上确界或下确界(注:上下确界是指无限接近,永远取不到,比如$y=\dfrac 1x,x>0$有下确界$0$),此时可以在构造函数时把边界添上,方便书写.如下面的例题:


例题一 已知函数$f(x)={\mathrm e}^x+ax-1$,若$f(x)\geqslant x^2$在$(0,1)$上恒成立,求$a$的取值范围.

分析与解 题中条件等价于$$\forall x\in(0,1),a\geqslant \dfrac {x^2+1-{\mathrm e}^x}{x}.$$记右侧对应的函数为$$g(x)=\dfrac {x^2+1-{\mathrm e}^x}{x},x\in [0,1],$$则$a\geqslant \max\{g(x)\}$.对$g(x)$求导得$$g'(x)=\dfrac {(x-1)(x+1-{\mathrm e}^x)}{x^2}.$$易知$$\forall x\ne 0,x+1-{\mathrm e}^x<0.$$所以$g'(x)\geqslant 0$,$g(x)$在$(0,1)$上单调递增,故$$\max\{g(x)\}=g(1)=2-{\mathrm e},$$从而有$a\geqslant 2-{\mathrm e}$.


有些问题不能直接进行参数分离,但经过一些处理后,将参数独立出来就可以分离了,比如下面的问题:

例题二 已知函数$f(x)=\ln\left(x+\dfrac 1a\right )-ax$,若不等式$f(x)<ax$恒成立,求实数$a$的取值范围.

分析与解 题中条件即不等式$\ln\left(x+\dfrac 1a\right )<2ax$恒成立,这里参数$a$在两个地方出现,我们进行换元,令$t=x+\dfrac 1a$,则条件转化为$$\forall t>0,\ln t<2at-2.$$现在可以分离参数$a$,得到$$\forall t>0,a>\dfrac {\ln t+2}{2t}.$$记$g(t)=\dfrac {\ln t+2}{2t}$,则$$g'(t)=-\dfrac {\ln t+1}{2t^2},$$所以$g(t)$在$\left(0,\dfrac 1{\mathrm e}\right )$上单调递增,在$\left(\dfrac {1}{\mathrm e},+\infty\right )$上单调递减,所以$$\max\{g(t)\}=g\left(\dfrac 1{\mathrm e}\right )=\dfrac {\mathrm e}{2},$$所以$a>\dfrac {\mathrm e}{2}$.


最后给出两道练习:

练习一 已知${\mathrm e}^{2x+1}-ax\geqslant 0$对$x\in[0,1]$恒成立,求$a$的取值范围.

答案 $a\leqslant 2{\mathrm e}^2$.

练习二 已知函数$f(x)=\ln x+\dfrac mx-x$在定义域上单调递减,求$m$的取值范围.

答案 $m\geqslant \dfrac 14$.

提示 题意即$$\forall x>0,f'(x)=\dfrac 1x-\dfrac m{x^2}-1\leqslant 0.$$

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