恒成立问题中的端点分析

恒成立是一个很强的条件,意味着题中不等式对于某范围内所有的自变量的值都成立,所以自变量取边界值和某些特殊值时,不等式都成立,由此可以得到一些关于参数的不等式,缩小参数的范围,有效地减少讨论.

本文从端点情况出发,去揭示通过一些必要条件缩小参数范围、确定讨论的分界点这种方法的威力.为了简便,本文选择的例题中,缩小后的参数范围就恰好是所求的范围,虽然这看上去很巧,但事实上,在大部分这类问题中,我们遇到的情况都是如此.

例题一 已知$ax^2-4\ln (x-1)<1$对$x\in [2,\mathrm e+1]$恒成立,求$a$的取值范围.

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分析与解 将不等式左边记为$$f(x)=ax^2-4\ln (x-1),$$则题目条件等价于$$\forall x\in[2,\mathrm e+1],f(x)<1.$$对$f(x)$求导得$$f'(x)=\dfrac {2(ax^2-ax-2)}{x-1}.$$直接对$a$进行讨论情况太多,考虑边界条件即$$f(2)<1\land f(\mathrm e+1)<1,$$解得$a<\dfrac 14$.

下面尝试证明$a<\dfrac 14$就是所求的范围.

因为$$f(x)<\dfrac 14x^2-4\ln(x-1),$$故只需要证明$$\forall x\in[2,\mathrm e+1],\dfrac 14x^2-4\ln (x-1)<1.$$记$$g(x)=\dfrac 14x^2-4\ln (x-1),x\in [2,\mathrm e+1],$$则$g'(x)=\dfrac {x^2-x-8}{2(x-1)}$,易知它有一个零点$m\in(2,\mathrm e+1)$,于是$g(x)$在$(2,m)$上单调递减,在$(m,\mathrm e+1)$上单调递增,于是$$\max\{g(x)\}=\max\{g(2),g(\mathrm e+2)\}<1.$$故$a<\dfrac 14$即为所求.


例题二 已知不等式$2x\ln x<(1-k)(x^2-1)$对任意$x>1$恒成立,求$k$的取值范围.

分析与解 为了让函数更简单,我们对题中条件进行处理,条件等价于$$\forall x>1,2\ln x-(1-k)\left(x-\dfrac 1x\right )<0,$$记$$f(x)=2\ln x-(1-k)\left(x-\dfrac 1x\right ),$$则$\forall x>1,f(x)<0$.对$f(x)$求导得$$f'(x)=\dfrac {1}{x^2}\big((k-1)x^2+2x+(k-1)\big),$$

分析端点,考虑到$f(1)=0$,于是$f(x)$在$x=1$附近单调不增,从而有$$f'(1)=2k\leqslant 0,$$于是得到必要条件$k\leqslant 0$.

(否则,$f'(1)>0$,就能得到$f(x)$在$x=1$右侧的小邻域内单调递增,从而在这个小邻域内$f(x)>f(1)=0$,与条件不符)

接下来证明充分性:

当$k\leqslant 0$时,有$$f(x)\leqslant 2\ln x-\left(x-\dfrac 1x\right ),$$而$$\left(2\ln x-\left(x-\dfrac 1x\right )\right )'=-\dfrac {(x-1)^2}{x^2}\leqslant 0,$$于是有\[\forall x>1,2\ln x-\left(x-\dfrac 1x\right)<\left.\left(2\ln x-\left(x-\dfrac 1x\right )\right)\right |_{x=1}=0,\]从而有题中不等式恒成立.

必要性给我们提供了参数的一个非常好的分界点,便于我们讨论.最后我们对必要性提供另外一个角度的严格证明:

由$2x\ln x>0$知$k<1$.如果$k>0$,记$$g(x)=(k-1)x^2+2x+(k-1),$$与$f'(x)$正负相同,考虑$g(x)$的零点,由$$k-1<0,g(1)=2k>0$$知$g(x)$有两个零点$x_1,x_2$,且满足$x_1<1<x_2$,于是在$(1,x_2)$上$g(x)>0$,$f'(x)>0$,从而有$f(x)$在$(1,x_2)$上单调递增,所以$$x\in(1,x_2),f(x)>f(1)=0,$$与题意矛盾.

综上知$k$的取值范围为$k\leqslant 0$.


最后给出一道练习:

练习 已知函数$f(x)=\ln\dfrac{1+x}{1-x}$,设实数$k$使得$f(x)>k\left(x+\dfrac {x^3}{3}\right )$对$x\in(0,1)$恒成立,求$k$的最大值.

答案 $2$.

 对有些问题来说,端点处的情况可能比较复杂,比如端点处函数无定义或是端点在无穷远处,此时只能通过极限去分析,有兴趣的读者可以参考每日一题[281]零点分段讨论与分析端点.另外,对于上一期的参数不分离的例题,也可以尝试利用端点处的情况去缩小讨论范围或确定讨论分界点,简化讨论,读者可以尝试一下.

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