恒成立问题中的含参不分离

在上周那篇我们看到了参数分离带来的好处,但是对于有些问题来说,参数分离无法奏效,比如参数不容易分离出来或者分离参数后的函数很难处理.此时,可以直接去处理含参的函数,为了得到含参函数的最值,往往需要对参数进行分类,去讨论单调性与最值.

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例题一 已知f(x)=12x2ax+(a1)lnx,若函数y=f(x)+x(0,+)上为增函数,求a的取值范围.

分析与解 题意即x>0,f(x)=xa+a1x+1\forall x>0,x^2+(1-a)x+(a-1)\geqslant 0.g(x)=x^2+(1-a)x+(a-1),则\forall x>0,g(x)\geqslant 0当且仅当\begin{cases} -\dfrac {1-a}{2}\leqslant 0,\\g(0)\geqslant 0,\end{cases} \lor\begin{cases} -\dfrac {1-a}{2}>0,\\\Delta\leqslant 0,\end{cases} 解得1\leqslant a\leqslant 5

综上知a\in [1,5]

 本题也可以通过均值不等式求解,因为\forall x>0,x+\dfrac {a-1}{x}\geqslant a-1,所以a=1显然成立;a<1时不成立;a>1时,当且仅当2\sqrt{x\cdot\dfrac{a-1}{x}}=2\sqrt{a-1}\geqslant a-1.从而求得a的范围.

如果用分离参数法,集中参数得\forall x>0,a(x-1)\leqslant x^2+x-1.必须对x<1,x>1分情况讨论,而且还要求一个二次分式函数的值域,计算量偏大.


例题二 已知函数f(x)=a\ln x-\dfrac 12x^2+\dfrac 12,若对于x\geqslant 1,恒有f(x)\leqslant 0,求a的取值范围.

分析与解 分离参数后的函数y=\dfrac {x^2-1}{2\ln x}不容易处理,考虑不分离参数,直接对f(x)求导得f'(x)=\dfrac {a-x^2}{x}.考虑到x\geqslant 1,所以对a讨论的分界点为1

①若a\leqslant 1,则\forall x\geqslant 1,f'(x)\leqslant 0,f(x)(1,+\infty)上单调递减,有f(x)\leqslant f(1)=0,条件成立,故a\leqslant 1满足条件;

②若a>1,则当x\in (1,\sqrt a)时,f'(x)>0,即f(x)(1,\sqrt a)上单调递增,此时f(x)>f(1)=0不符合题意;

综上知a\leqslant 1


最后给出一道练习:

练习 已知函数f(x)=(a+1)\ln x+ax^2+1

(1)若a>0,且f'(x)\geqslant 4恒成立,求a的取值范围;

(2)若a<0,且|f'(x)|\geqslant 4恒成立,求a的取值范围.

答案 (1)[1,+\infty);(2)(-\infty,-2]

提示 f(x)的导函数为f'(x)=\dfrac {a+1}{x}+2ax.

(1)a>0时,题意即\forall x>0,\dfrac {a+1}{x}+2ax\geqslant 4,

由均值不等式知当且仅当2\sqrt{2a(a+1)}\geqslant 4,解得a\geqslant 1

转化成函数即\forall x>0,2ax^2-4x+(a+1)\geqslant 0.结合对称轴位置知\Delta \leqslant 0,解得a\geqslant 1

(2)a<0时,若a>-1,则f'(x)=\dfrac {2ax^2+(a+1)}{x}=0有正解,不符合题意,必有a\leqslant -1

 此时,f'(x)<0,故\forall x>0,f'(x)=\dfrac {a+1}{x}+2ax\leqslant -4.与(1)中方法类似可得a\geqslant -2

本文中的函数都相对简单,直接根据题目条件去讨论没有太大困难,或者像例题二可以一眼看出讨论的分界点.在下一篇中,我们会看看对于一些比较复杂的函数,找不到讨论的分界点,或者直接讨论情况众多时,我们有些什么招.

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