必要条件探路

数学中的问题通常探究的是充分必要条件,比如求参数范围的问题.但对于有些复杂的问题来说,先通过必要条件探探路,有时会给解题带来便利,比如可以缩小讨论的范围或者需要考虑的情形.


例题一 若关于$x$的不等式$x^2-mx+m+2>0$对$x\in[-2,4]$恒成立,则$m$的取值范围是_______.cover分析与解 因为不等式对于$x\in [-2,4]$恒成立,所以当$x=-2$与$x=4$时不等式一定成立,即$m$满足下面的不等式组$$\begin{cases} 4+2m+m+2>0,\\16-4m+m+2>0,\end{cases} $$解得$m\in (-2,6)$,这是一个必要条件,即$m$一定在此范围内.于是得到二次函数$$f(x)=x^2-mx+m+2$$的对称轴$x=\dfrac m2\in(-1,3)\subseteq [-2,4]$内.即二次函数$f(x)$在$[-2,4]$内必取到最小值,要保证不等式成立,必须有判别式$$\Delta=m^2-4(m+2)<0,$$解得$m\in(2-2\sqrt 3,2+2\sqrt 3)$.


例题二 (2015年北京西城高三期末理科)设\(D\)为不等式组\[\begin{cases}x+y\leqslant 1,\\2x-y\geqslant -1,\\x-2y\leqslant 1,\end{cases}\]表示的平面区域,点\(B(a,b)\)为坐标平面\(xOy\)内的一点,若对于区域\(D\)内的任一点\(A(x,y)\),都有\(\overrightarrow{OA}\cdot\overrightarrow{OB}\leqslant 1\)成立,则\(a+b\)的最大值是________.

分析与解 一方面,取平面区域\(D\)内的一点\(A\left(\dfrac 12,\dfrac 12\right)\),由题意可得\[\frac 12a+\frac 12b\leqslant 1,\]于是\[a+b\leqslant 2.\]另一方面,取点\(B(1,1)\),则此时\[\overrightarrow{OA}\cdot\overrightarrow{OB}=x+y,\]根据\(D\)的不等式组表达,有\(x+y\leqslant 1\),于是\(a+b\)可以取到\(2\).

综上所述,\(a+b\)的最大值为\(2\).


每日一题中涉及到必要条件探路的题常常会引起一些读者的质疑,可能是因为这与我们通常的解题思维区别较大.由必要条件得出的范围是必须满足的范围,所以讨论只需要限定在这个范围内进行就可以.而如果我们同时又证明了这个范围内所有数都可以取到,那么这个过程在逻辑上就是严密的.


最后给出两道练习:

练习一 设函数\(f(x)=x^2-ax+a+3\),\(g(x)=ax-2a\),若存在\(x_0\in\mathcal{R}\),使得\(f(x_0)<0\)与\(g(x_0)<0\)同时成立,则实数\(a\)的取值范围为____.

答案    \((7,+\infty)\)

提示    本题中要使得\(f(x_0)<0\)成为可能,必须有\[\Delta=(-a)^2-4(a+3)>0,\]从而有\[a>6\ \lor\ a<-2.\]结合图象知,无论\(a>6\)还是\(a<-2\),都只需要\(f(2)<0\),从而得到结果.


练习二 若\(a\geqslant 0\),\(b\geqslant 0\),且当\[\begin{cases}x\geqslant 0\\y\geqslant 0\\x+y\leqslant 1\end{cases}\]时,恒有\(ax+by\leqslant 1\),则\(P(a,b)\)所形成的平面区域的面积等于_____.

答案 $1$

提示 因为$(1,0)$与$(0,1)$都在区域内,所以\(0\leqslant a\leqslant 1\),\(0\leqslant b\leqslant 1\)为必要条件.又当$0\leqslant a\leqslant 1$且$0\leqslant b\leqslant 1$时,恒有$ax+by\leqslant x+y\leqslant 1$,所以这就是$(a,b)$的约束条件.

更多相关问题见每日一题[468]必要条件探路

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