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构造函数法是数学中一种重要的解题方法,是通过对问题的观察、分析,恰当地构造函数模型来达到解题目的的方法,笔者试图通过一些典型试题的讲评,浅谈构造函数法的应用,供同行们所用。
1。构造函数法解不等式
我们知道,抽象不等式的求解一般是借助于函数的单调性完成的,根据题意巧妙地构造函数能使问题化繁为简,轻松解决。
例1 函数f(x)的定域为R,f(0)=2,对任意x∈R,f(x) f′(x)>1,则不等式ex·f(x)>ex 1的解集为。
分析 exf(x)′=ex·f(x) ex·f′(x)=ex(f(x) f′(x))因而本问题应构造函数g(x)=ex·f(x) ex-1,问题转化为g(x)>0即可。
解 令g(x)=exf(x)-ex-1,则g(0)=e0f(0)-e0-1=0,且
g′(x)=exf(x) exf′(x)-ex=exf(x) f′(x)-1>0,因而g(x)在R上单调递增,g(x)>0=g(0),故x>0,不等式的解集为{x|x>0}。
2。构造函数法比较大小
例2 设函数f(x)是定义在[0,∞)上的非负可导函数,且满足xf′(x) f(x)≤0,对任意的函数a,b,若a A。af(b)≤bf(a) B。bf(a)≤af(b)
C。af(a)≤f(b)D。bf(b)≤f(a)
分析 由xf′(x) f(x)≤0得,理应联想到xf(x)′≤0,从而应构造函数g(x)=xf(x),由g′(x)≤0得g(x)=xf(x)在[0,∞)上单调递减,又a 观察A,B选项的结构可知,f(a)a和f(b)b的大小问题,再此联想到构造函数h(x)=f(x)x,则h′(x)=xf′(x)-f(x)x2,由xf′(x) f(x)≤0,f(x)≥0,得
xf′(x)≤0,xf′(x) f(x)≤0,所以h′(x)≤0,从而h(x)在[0,∞)上单调递减,又a0,b>0,故bf(a)≤af(b),选B。
本题巧妙地构造函数h(x)=f(x)x,从而利用函数的单调性比较了大小,此解法中构造函数h(x)=f(x)x是解决本题的关键。
3。构造函数法解决函数综合问题
例3 已知函数f(x)=1x-1,0 1-1x,x≥1。
(Ⅰ)判断函数f(x)在区间(0,1)和[1, ∞)上的单调性(不必证明)。
(Ⅱ)当0 (Ⅲ)若存在实数a,b(1 求实数m的取值范围。
解 (Ⅰ)f(x)在(0,1)上单调递减,(1, ∞)上单调递增。
(Ⅱ)由已知1a-1=1-1b,故1a 1b=2。
(Ⅲ)由(Ⅰ)得,f(x)在x∈[a,b]上单调递增,故f(x)∈1-1a,1-1b。
由题意得1-1a=ma,
1-1b=mb
即ma2-a 1=0(m>0),
mb2-b 1=0。
含g(x)=mx2-x 1(m>0),则a,b是g(x)的两个大于1的零点。
因而m>0,
Δ>0,
x=12m>1,
g(x)>0,
解得0 解答(Ⅲ)的关键是构造函数g(x)=mx2-x 1(m>0),从而使问题等价转化为二次函数的零点问题。
4。构造函数法解决数列问题
例4 数列{an}满足a0=13,an=1 an[]2,n=1,2,3,…
证明:数列{an}是单调数列。
分析 对数列的递推关系an=1 an[]2,变形得到a2n=1 an-12,联想到三角函数的降幂公式cos2θn=1 cos2θn2,所以不妨令an=cosθn,an-1=cos2θn=cosθn-1,考虑数列θn是公比为12 的等比数列,故有以下解法。
解 令a0=cosθ=13,且θ∈(0,π2),又an=1 an-1[]2,所以有a1=cosθ2,a2=cosθ4,a3=cosθ8,…,an=cosθ2n,
又因为0<θ2n<θ2n-1<…<θ4<θ2<θ<π2,所以cosθ2n>cosθ2n-1>…>cosθ4>cosθ2>cosθ,即 an>an-1>…>a2>a1>a0,所以数列{an}是单调递增数列。
本文通过数列说明了构造函数法在解答数学问题中的重要性,有时巧妙地构造会使得问题变得更清晰和易于处理,思维新颖独特,过程简洁直观,其难点和关键是构造,这需要实践中不断地尝试和运用才能熟练掌握。
1。构造函数法解不等式
我们知道,抽象不等式的求解一般是借助于函数的单调性完成的,根据题意巧妙地构造函数能使问题化繁为简,轻松解决。
例1 函数f(x)的定域为R,f(0)=2,对任意x∈R,f(x) f′(x)>1,则不等式ex·f(x)>ex 1的解集为。
分析 exf(x)′=ex·f(x) ex·f′(x)=ex(f(x) f′(x))因而本问题应构造函数g(x)=ex·f(x) ex-1,问题转化为g(x)>0即可。
解 令g(x)=exf(x)-ex-1,则g(0)=e0f(0)-e0-1=0,且
g′(x)=exf(x) exf′(x)-ex=exf(x) f′(x)-1>0,因而g(x)在R上单调递增,g(x)>0=g(0),故x>0,不等式的解集为{x|x>0}。
2。构造函数法比较大小
例2 设函数f(x)是定义在[0,∞)上的非负可导函数,且满足xf′(x) f(x)≤0,对任意的函数a,b,若a A。af(b)≤bf(a) B。bf(a)≤af(b)
C。af(a)≤f(b)D。bf(b)≤f(a)
分析 由xf′(x) f(x)≤0得,理应联想到xf(x)′≤0,从而应构造函数g(x)=xf(x),由g′(x)≤0得g(x)=xf(x)在[0,∞)上单调递减,又a 观察A,B选项的结构可知,f(a)a和f(b)b的大小问题,再此联想到构造函数h(x)=f(x)x,则h′(x)=xf′(x)-f(x)x2,由xf′(x) f(x)≤0,f(x)≥0,得
xf′(x)≤0,xf′(x) f(x)≤0,所以h′(x)≤0,从而h(x)在[0,∞)上单调递减,又a0,b>0,故bf(a)≤af(b),选B。
本题巧妙地构造函数h(x)=f(x)x,从而利用函数的单调性比较了大小,此解法中构造函数h(x)=f(x)x是解决本题的关键。
3。构造函数法解决函数综合问题
例3 已知函数f(x)=1x-1,0
(Ⅰ)判断函数f(x)在区间(0,1)和[1, ∞)上的单调性(不必证明)。
(Ⅱ)当0 (Ⅲ)若存在实数a,b(1 求实数m的取值范围。
解 (Ⅰ)f(x)在(0,1)上单调递减,(1, ∞)上单调递增。
(Ⅱ)由已知1a-1=1-1b,故1a 1b=2。
(Ⅲ)由(Ⅰ)得,f(x)在x∈[a,b]上单调递增,故f(x)∈1-1a,1-1b。
由题意得1-1a=ma,
1-1b=mb
即ma2-a 1=0(m>0),
mb2-b 1=0。
含g(x)=mx2-x 1(m>0),则a,b是g(x)的两个大于1的零点。
因而m>0,
Δ>0,
x=12m>1,
g(x)>0,
解得0
4。构造函数法解决数列问题
例4 数列{an}满足a0=13,an=1 an[]2,n=1,2,3,…
证明:数列{an}是单调数列。
分析 对数列的递推关系an=1 an[]2,变形得到a2n=1 an-12,联想到三角函数的降幂公式cos2θn=1 cos2θn2,所以不妨令an=cosθn,an-1=cos2θn=cosθn-1,考虑数列θn是公比为12 的等比数列,故有以下解法。
解 令a0=cosθ=13,且θ∈(0,π2),又an=1 an-1[]2,所以有a1=cosθ2,a2=cosθ4,a3=cosθ8,…,an=cosθ2n,
又因为0<θ2n<θ2n-1<…<θ4<θ2<θ<π2,所以cosθ2n>cosθ2n-1>…>cosθ4>cosθ2>cosθ,即 an>an-1>…>a2>a1>a0,所以数列{an}是单调递增数列。
本文通过数列说明了构造函数法在解答数学问题中的重要性,有时巧妙地构造会使得问题变得更清晰和易于处理,思维新颖独特,过程简洁直观,其难点和关键是构造,这需要实践中不断地尝试和运用才能熟练掌握。