含参不等式恒成立问题的求解策略

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  “含参不等式”相关的题目从解题目标上看,基本上有三种,即求参数的取值范围,使得含参数的不等式恒成立、能成立或恰成立.
  本文就结合实例谈谈这类问题的一般求解策略.
  
  一、不等式的恒成立、能成立、恰成立等问题的操作程序
  (一)恒成立问题
  若不等式[f(x)>A]在区间[D]上恒成立,则等价于函数[f(x)]在区间[D]上的最小值大于[A];
  若不等式[f(x)  (二)能成立问题
  若在区间[D]上存在实数[x]使不等式[f(x)>A]成立,即[f(x)>A]在区间[D]上能成立,则等价于函数[f(x)]在区间[D]上的最大值大于[A];
  若在区间[D]上存在实数[x]使不等式[f(x)  (三)恰成立问题
  若不等式[f(x)>A]在区间[D]上恰成立, 则等价于不等式[f(x)>A]的解集为[D];
  若不等式[f(x)  
  二、含参不等式恒成立求解方法
  (一)判别式法
  若所求问题可转化为二次不等式,则可考虑应用判别式法解题.一般地,对于二次函数[f(x)=ax2+bx+c(a≠0,x∈R)],有
  (1)[f(x)>0]对[x∈R]恒成立[⇔a>0Δ<0];
  (2)[f(x)<0]对[x∈R]恒成立[⇔a<0Δ<0.]
  例1 已知函数[y=lg[x2+(a-1)x+a2]]的定义域为[R],求实数[a]的取值范围.
  解 由题设可将问题转化为不等式[x2+(a-1)x+a2>0]对[x∈R]恒成立,即有[Δ=(a-1)2-4a2<0],解得[a<-1]或[a>13.]
  所以实数[a]的取值范围为[(-∞,-1)⋃(13,+∞).]
  注 若二次不等式中[x]的取值范围有限制,则可利用根的分布解决问题.
  例2 设[f(x)=x2-2mx+2],当[x∈[-1,+∞)]时,[f(x)≥m]恒成立,求实数[m]的取值范围.
  解 设[F(x)=x2-2mx+2-m],
  则当[x∈[-1,+∞)]时,[F(x)≥0]恒成立.
  当[Δ=4(m-1)(m+2)≤0],即[-2≤m≤1]时,[F(x)>0]显然成立;
  
  当[Δ>0]时,如图,
  [F(x)≥0]恒成立的充要条件为:
  [Δ>0,F(-1)≥0,--2m2≤-1,] 解得[-3≤m<-2.]
  综上可得实数[m]的取值范围为[[-3,1]].
  (二)最值法
  将不等式恒成立问题转化为求函数最值问题的一种处理方法,其一般类型有:
  (1)[f(x)>a]恒成立[⇔a  (2)[f(x)f(x)max].
  例3 已知[f(x)=7x2-28x-a,][g(x)=2x3+4x2][-40x,]当[x∈[-3,3]]时,[f(x)≤g(x)]恒成立,求实数[a]的取值范围.
  解 设[F(x)=f(x)-g(x)=-2x3+3x2+12x-c],
  由题设可知[F(x)≤0]对任意[x∈[-3,3]]恒成立,
  [F′(x)=-6x2+6x+12=0],得[x=-1]或[x=2,]
  而[F(-1)=-7a,F(2)=20-a,]
  [F(-3)=45-a,F(3)=9-a,]
  ∴[F(x)max=45-a≤0].
  ∴[a≥45]即实数[a]的取值范围为[[45,+∞).]
  例4 设数列[an]的前[n]项和为[Sn],点[n,Snn(n∈N∗)]均在函数[y=3x-2]的图象上.
  (Ⅰ)求数列[an]的通项公式;
  (Ⅱ)设[bn=3anan+1],[Tn]是数列[bn]的前[n]项和,求使得[Tn  解 (Ⅰ)依题意得,[Snn=3n-2,]
  即[Sn=3n2-2n].
  当[n≥2]时,
  [an=Sn-Sn-1=(3n2-2n)-3n-12-2(n-1)]
  [=6n-5];
  当[n=1]时,[a1=S1=3×1-2=1=6×1-5.]
  所以[an=6n-5(n∈N∗)].
  (Ⅱ)由(Ⅰ)得
  [bn=3anan+1=1(6n-5)6(n+1)-5=1216n-5-16n+1,]
  故[Tn=i=1nbi]
  [=121-17+17-113+⋯+16n-5-16n+1]
  =[121-16n+1].
  因此,使得[121-16n+1  注 在求得参数的范围时,什么时候有等号,什么时候没有等号?
  例5 函数[f(x)=x2+2x+ax,][x∈[1,+∞)],若对任意[x∈[1,+∞)],[f(x)>0]恒成立,求实数[a]的取值范围.
  解 若对任意[x∈[1,+∞)],[f(x)>0]恒成立,即对[x∈[1,+∞)],[f(x)=x2+2x+ax>0]恒成立, 考虑到不等式的分母[x∈[1,+∞)],只需[x2+2x+a>0]在[x∈[1,+∞)]时恒成立,而抛物线[g(x)=x2+2x+a]在[x∈[1,+∞)]的最小值[gmin(x)=g(1)=3+a>0],得[a>-3].
  注 本题还可将[f(x)]变形为[f(x)=x+ax+2],讨论其单调性从而求出[f(x)]的最小值.
  (三)分离变量法
  若所给的不等式能通过恒等变形使参数与主元分离于不等式两端,从而问题转化为求主元函数的最值,进而求出参数范围.这种方法本质也还是求最值,但它思路更清晰,操作性更强.一般地有:
  (1)[f(x)f(x)max];
  (2)[f(x)>g(a)(a]为参数)恒成立[⇔g(a)  实际上,上题就可利用此法解决.
  略解 [x2+2x+a>0]在[x∈[1,+∞)]时恒成立,只要[a>-x2-2x]在[x∈[1,+∞)]时恒成立.而易求得二次函数[h(x)=-x2-2x]在[[1,+∞)]上的最大值为-3,所以[a>-3].
  例6 已知函数[f(x)=ax-4x-x2,x∈(0,4]]时[f(x)<0]恒成立,求实数[a]的取值范围.
  解 问题可转化为[a<4x-x2x]对[x∈(0,4]]恒成立.
  令[g(x)=4x-x2x],则[a  由[g(x)=4x-x2x=4x-1],可知[g(x)]在[(0,4]]上为减函数,故[g(x)min=g(4)=0],
  ∴[a<0],即[a]的取值范围为[(-∞,0)].
  注 分离参数后,方向明确,思路清晰能使问题顺利得到解决.
  (四)变换主元法
  处理含参不等式恒成立的某些问题时,若能适时的把主元变量和参数变量进行“换位”思考,往往会使问题降次、简化.
  例7 对任意[x∈[-1,1]],不等式[x2+(a-4)x+4-2a>0]恒成立,求[x]的取值范围.
  分析 题中的不等式是关于[x]的一元二次不等式,但若把[a]看成主元,则问题可转化为一次不等式[(x-2)a+x2-4x+4>0]在[x∈[-1,1]]上恒成立的问题.
  解 令[f(a)=(x-2)a+x2-4x+4],原问题可转化为[f(a)>0]恒成立([x∈[-1,1]]).
  当[x=2]时,可得[f(a)=0],不合题意.
  当[x≠2]时,应有[f(1)>0,f(-1)>0,]
  解之得[x<1]或[x>3],
  故[x]的取值范围为[(-∞,1)⋃(3,+∞).]
  注 一般地,一次函数[f(x)=kx+b(k≠0)]在[[α,β]]上恒有[f(x)>0]的充要条件为[f(α)>0f(β)>0].
  (五)数形结合法
  数学家华罗庚曾说过:“数缺形时少直观,形缺数时难入微”,这充分说明了数形结合思想的妙处,在不等式恒成立问题中它同样起着重要作用.我们知道,函数图象和不等式有着密切的联系:
  (1)[f(x)>g(x)⇔]函数[f(x)]图象恒在函数[g(x)]图象上方;
  (2)[f(x)  例8 设[f(x)=-x2-4x] ,[g(x)=43x+1-a,]若恒有[f(x)≤g(x)]成立,求实数[a]的取值范围.
  分析 在同一直角坐标系中作出[f(x)]及[g(x)] 的图象.
  如图所示,[f(x)]的图象是半圆[(x+2)2+y2=4][(y≥0)],
  [g(x)]的图象是平行的直线系[4x-3y+3-3a=0].
  
  要使[f(x)≤g(x)]恒成立,
  则圆心[(-2,0)]到直线[4x-3y+3-3a=0]的距离满足[d=|-8+3-3a|5≥2,]
  解得[a≤-5]或[a≥53](舍去).
  由上可见,含参不等式恒成立问题因其覆盖知识点多,方法也多种多样,但其核心思想还是等价转化,抓住了这点,才能以“不变应万变”,当然这需要我们不断的去领悟、体会和总结.
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