分离参数法
前言
在高中数学教学实践中,有一种使用频度比较高的数学方法,叫分离参数法,她和许多数学素材有关联,高三学生大多都耳熟能详,但对其具体的来由和需要注意的问题却不是很清楚,本博文试着对此做个总结,以廓清我们认识上的误区,帮助我们提高教学,也帮助学生顺利掌握这一方法。
使用场景
【法1】:不完全分离参数法,先确定函数的定义域为\((0,+\infty)\),将函数 \(f(x)\) 有两个零点转化为方程 \(kx^2=lnx\) 有两个不同的实数根,再转化为函数\(y=kx^2\)与函数\(y=lnx\)的图像有两个不同的交点,如图设两个函数的图像相切于点为\((x_0,y_0)\),则必有以下关系式成立[列等式的角度是难点]从三个角度列方程:两曲线在切点 \((x_0,y_0)\) 处的斜率相等;切点 \((x_0,y_0)\) 在曲线一上;切点 \((x_0,y_0)\) 在曲线二上;
由 ① 得到\(2kx_0^2=1\),代入 ② 式,解得\(y_0=\cfrac{1}{2},x_0=\sqrt{e}\),即切点为\((\sqrt{e},\cfrac{1}{2})\),
再代入函数\(y=kx^2\),求得此时的\(k=\cfrac{1}{2e}\),
再结合函数\(y=kx^2\)的系数\(k\)的作用,可得两个函数要有两个不同的交点,
则\(k\in(0,\cfrac{1}{2e})\)。 故选\(D\).
【法2】:完全分离参数法,首先确定函数的定义域为\((0,+\infty)\),将函数有两个零点转化为方程 \(kx^2\)\(=\)\(\ln x\) 有两个不同的实数根, 再完全分离参数转化为 \(k\)\(=\)\(\cfrac{lnx}{x^2}\) 有两个不同的实数根, 再转化为函数 \(y\)\(=\)\(k\) 和函数 \(y\)\(=\)\(g(x)\) \(=\) \(\cfrac{lnx}{x^2}\) 的图像有两个不同的交点, 用导数研究函数 \(g(x)\) 的单调性,
由于\(g'(x)=\cfrac{\cfrac{1}{x}\cdot x^2-lnx\cdot 2x}{(x^2)^2}=\cfrac{1-2lnx}{x^3}\),
令 \(1-2lnx>0\),得到 \(0<x<\sqrt{e}\) ;令 \(1-2lnx<0\),得到\(x >\sqrt{e}\),
即函数\(g(x)\)在区间\((0,\sqrt{e}]\)上单调递增,在\([\sqrt{e},+\infty)\)上单调递减,
故\(g(x)_{max}=g(\sqrt{e})=\cfrac{1}{2e}\),
作出函数 \(g(x)\) 的图象和函数 \(y=k\) 的简图,由图像可得 \(k\) 的取值范围是\(k\in(0,\cfrac{1}{2e})\),故选 \(D\).
- 从上述的解法中我们体会到,如果一个数学题目从数的角度直接来求解,结果很有可能要么不会求解,要么解不出,更或者没有思路;此时若换个角度思考,从形入手分析,将参数或含有参数的代数式(比如\(k+1\))和自变量分别放置在等号的两端,即\(k=f(x)\)的形式,然后数的问题就转化为形的问题了,从而直观快捷,思路简单明了。 一句话,当我们从形的角度入手分析解题时,接下来使用的方法常常是分离参数法。
常见类型
- ①完全分离参数法:如\(\lambda f(x)=g(x)\Rightarrow \lambda=\cfrac{g(x)}{f(x)}\);
引例,已知函数\(f(x)=kx^2-lnx\)有两个零点,求参数\(k\)的取值范围,用常规法分离参数,即得到方程\(k=\cfrac{lnx}{x^2}\)有两个不同实根,具体解法链接。
分析:由题目可知,\(f'(x)≥0\)在\((1,+∞)\)上恒成立,且\(f'(x)\)不恒为零,
则有\(f'(x)=\cfrac{m}{x}+2x-m=\cfrac{2x^2-mx+m}{x}≥0\)在\((1,+∞)\)上恒成立,
即\(2x^2-mx+m≥0\)在\((1,+∞)\)上恒成立,常规法分离参数得到
\(m≤\cfrac{2x^2}{x-1}=\cfrac{2(x-1)^2+4x-2}{x-1}=\cfrac{2(x-1)^2+4(x-1)+2}{x-1}=2(x-1)+\cfrac{2}{x-1}+4\)
由于\(x>1\),故\(2(x-1)+\cfrac{2}{x-1}+4≥2\sqrt{4}+4=8\),当且仅当\(x=2\)时取到等号。
故\(m≤8\),当\(m=8\)时,函数不是常函数,也满足题意,故\(m\in (-\infty,8]\)。
- ②倒数法分离参数:如\(\lambda f(x)=g(x)\Rightarrow \cfrac{1}{\lambda}=\cfrac{f(x)}{g(x)}\);
引例,方程\(kx^2=e^x\),若常规法分离参数得到\(k=\cfrac{e^x}{x^2}\),就没有倒数法分离为\(\cfrac{1}{k}=\cfrac{x^2}{e^x}\)优越,
原因是函数\(y=\cfrac{e^x}{x^2}\)在\(x=0\)处有断点,而函数\(y=\cfrac{x^2}{e^x}\)在\(x\in R\)上是处处连续的,函数相对简单一些。
分析:不妨设\(m>n\),则函数\(f_1(x)\)在区间\([0,1]\)上单调递增,故\(f_1(m)-f_1(n)>0\),
又\(f_2(x)=a(x-1)^2+b-a\),对称轴是\(x=1\),开口向上,
故函数\(f_2(x)\)在区间\([0,1]\)上单调递减,故\(f_2(m)-f_2(n)<0\),
这样对任意的\(m,n\in [0,1](m>n)\),\(|f_1(m)-f_1(n)|>|f_2(m)-f_2(n)|\)恒成立,
就可以转化为\(f_1(m)-f_1(n)>f_2(n)-f_2(m)\)恒成立,
即\(f_1(m)+f_2(m)>f_1(n)+f_2(n)\)恒成立,
令\(h(x)=f_1(x)+f_2(x)=e^x+ax^2-2ax+b\),
则到此的题意相当于已知\(m>n\)时,\(h(m)>h(n)\),
故函数\(h(x)\)在区间\([0,1]\)上单调递增,故\(h'(x)≥0\)在区间\([0,1]\)上恒成立;
即\(h'(x)=e^x+2ax-2a≥0\)在区间\([0,1]\)上恒成立;
即\(2a(1-x)≤e^x\)恒成立,这里我们使用倒数法分离参数得到,
\(\cfrac{1}{2a}≥\cfrac{1-x}{e^x}\)在区间\([0,1]\)上恒成立;
再令\(p(x)=\cfrac{1-x}{e^x}\),即需要求\(p(x)_{max}\),
\(p'(x)=\cfrac{-1×e^x-(1-x)e^x}{(e^x)^2}=\cfrac{x-2}{e^x}\),
容易看出,当\(x∈[0,1]\)时,\(p'(x)<0\)恒成立,故\(p(x)\)在区间\([0,1]\)上单调递减,
则\(p(x)_{max}=p(0)=1\),故\(\cfrac{1}{2a}≥1\),又\(a>0\),
故解得\(0<a≤1\)。故\(a_{max}=1\).
- ③讨论法分离参数:如\(\lambda f(x)\ge g(x)\);
比如,\(\lambda(x-1)\ge 2lnx\)对任意的\(x\in(0,1]\)恒成立,接下来分\(x=1\)和\(0<x<1\)分类讨论分离参数,具体见博文的后半部分的对应例题。
分析:对任意\(x>0\)且\(x\neq 1\),不等式\(\cfrac{x-m}{lnx}>\sqrt{x}\)恒成立等价于
当\(0<x<1\)时,\(m>x-\sqrt{x}lnx①\)恒成立,或者当\(x>1\)时,\(m<x-\sqrt{x}lnx②\)恒成立,
令\(h(x)=x-\sqrt{x}lnx(x>0,x\neq 1)\),\(h'(x)=\frac{2\sqrt{x}-lnx-2}{2\sqrt{x}}\)
令\(\phi(x)=2\sqrt{x}-lnx-2\),则\(\phi'(x)=\frac{\sqrt{x}-1}{x}\);
易知\(\phi(x)\)在\((0,1)\)上单调递减,在\((1,\infty)\)上单调递增,
所以\(\phi(x)>\phi(1)=0\),即得到\(h'(x)>0\),
因此由①式可得,\(m\ge h(1)=1\),由②式得\(m\leq h(1)=1\)
取两种结果的交集 [1],所以\(m=1\)。
故不等式\(\cfrac{x-m}{lnx}>\sqrt{x}\)恒成立的充要条件是\(m=1\)。
- ④整体法分离参数:如\(\lambda^2+2\lambda=f(x)\);
分析:由题目可知,命题“\(\neg P:\forall x\in R,2^x-2> a^2-3a\)”是真命题,
即\(2^x-2> a^2-3a\)对\(\forall x\in R\)恒成立,故\((2^x-2)_{min}>a^2-3a\),
只需求\((2^x-2)_{min}\),而\(2^x-2>-2\),则有\(-2\ge a^2-3a\),即\(a^2-3a+2\leq 0\),
解得\(1\leq a\leq 2\),故实数\(a\)的取值范围是\([1,2]\)。
分析:先由\(f(1-x)=f(1+x)\)得到,二次函数的对称轴\(x=-\cfrac{a}{-2}=1\),解得\(a=2\),
故题目转化为\(-x^2+2x+b^2-b+1>0\)对任意\(x\in [-1,1]\)恒成立,
用整体法分离参数,得到\(b^2-b>x^2-2x-1\)对任意\(x\in[-1,1]\)恒成立。
令\(g(x)=x^2-2x-1,x\in[-1,1]\),需要求函数\(g(x)_{max}\);
\(g(x)=x^2-2x-1=(x-1)^2-2,x\in[-1,1]\),
故\(g(x)\)在区间\([-1,1]\)上单调递减,则\(g(x)_{max}=g(-1)=2\),
故\(b^2-b>2\),解得\(b<-1\)或\(b>2\)。
法2:还可以利用对称轴与给定区间的关系求解;
- ⑤不完全分离参数法:如\(kx^2=lnx\);
比如,已知函数\(f(x)=kx^2-lnx\)有两个零点,求参数\(k\)的取值范围,用不完全分离参数法,即得到方程\(kx^2=lnx\)有两个不同实根,具体解法链接。
局限之处
并不是所有的含参问题都适合分离参数,比如\(ax^2-a^2x+3<0\)在区间\([1,2]\)上恒成立,求\(a\)的范围,就不能用分离参数的方法,因为你没法将参数和自变量有效的分开,所以此时你可能需要借助二次函数的图像来考虑,而不是一味的使用分离参数法。
一般来说,以下的一些情形都不适合使用分离参数法:
- (1)不能将参数和自变量有效的分离开的;
比如,已知方程\(e^{-x}=ln(x+a)\)在\(x>0\)时有解,求参数的取值范围;
本题目就不能将参数和自变量有效的分离开的,此时我们就可以考虑用数形结合的思路求解。解法
- (2)如果参数的系数能取到正、负、零三种情形的,
引例,已知函数\(f(x)=x^2+ax-2a\ge 0\)对\(x\in [1,5]\)上恒成立,求参数\(a\)的取值范围。
如果用分离参数的方法,则先转化为\((x-2)a\ge -x^2,x\in [1,5]\)
接下来就转化成了三个恒成立的命题了,不管会不会做,从效率上都已经很不划算了。具体的解法已经隐藏。
- (3)分离参数后,得到的新函数变得复杂无比的;
比如函数\(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1})\)有唯一的零点,分离参数后,得到\(a=\cfrac{-x^2+2x}{e^{x-1}+e^{-x+1}}=h(x)\),
你确信你能研究清楚函数\(h(x)\)的性质,并用手工做出函数的图像吗?省省吧,您呐。
- (4)分离参数后,得到的新函数中有\(sinx\)和\(cosx\)的,他们都有无穷阶导数,所以求导会一直做下去,一般不会使得函数式变得简单。
比如已知\(2a-1+sin2x+a(sinx-cosx)\ge 0\)在\(x\in [0,\cfrac{\pi}{2}]\)上恒成立,求参数\(a\)的取值范围。\([1,+\infty)\)
接下来的思路有:
思路一:分离参数,当分离为\(a\ge \cfrac{1-sin2x}{2+sinx-cosx}=g(x)\)时,你会发现,求函数\(g(x)_{max}\)很难,所以放弃;
思路二:转化化归,令\(sinx-cosx=t=\sqrt{2}sin(x-\cfrac{\pi}{4})\),由于\(x\in [0,\cfrac{\pi}{2}]\),故\(t\in [-1,1]\)
由\((sinx-cosx)^2=t^2\),得到\(sin2x=1-t^2\),故不等式转化为\(at+1-t^2+2a-1\ge 0\),
即\(t^2-at-2a\leq 0\)在\(t\in [-1,1]\)上恒成立,令\(h(t)=t^2-at-2a,t\in [-1,1]\),
则\(h(t)\leq 0\)等价于\(\begin{cases}h(-1)=1+a-2a\leq 0\\h(1)=1-a-2a\leq 0 \end{cases}\),解得\(a\ge 1\),
或在转化化归后又可以分离参数为 \(a\geqslant \cfrac{t^2}{t+2}=g(t)\),\(t\in[-1,1]\) 恒成立问题,求 \(g(t)\) 的最大值即可 .
- (5)看题目的选项确定方法
法1:先考虑分离参数法,若能成功分离参数,那么得到的形式必然是\(m>g(x)\)或\(m<g(x)\)的形式,接下来需要求解函数\(g(x)\)的最值,其必然是数字化的,则结果和给定的选项的形式是不一致的,故这个思路做了大致分析后放弃;
法2:由函数\(f(x)>0\)恒成立,则需要求在\((0,+\infty)\)上的函数\(f(x)_{min}>0\)即可,故考虑用导数方法;
\(f'(x)=\cfrac{(x+1)[mx+(1-m)]}{x^2}\), 故函数在\(x=\cfrac{m-1}{m}\)处取到最小值,则要使得函数\(f(x)>0\)恒成立,只需要\(f(\cfrac{m-1}{m})>0\)即可,
对此化简整理得到,正实数\(m\)应该满足\(\cfrac{m-1}{m}\cdot e^{2m-1}>1\),故选\(C\)。
解后反思:本题目的解法有点漏洞,条件中应该使得\(m>1\),而不仅仅是\(m>0\),否则当\(0<m\leq 1\)时,函数\(f(x)\)在\((0,+\infty)\)上单调递增,其最小值的极限为\(f(0)\),题目就有了问题。
策略延伸
在具体的解题实践中,我们会发现绝大多数的题目可以用分离参数法解决,但是如果简单尝试后发现此法行不通,则需要及时调整解题思路和策略,比如做差构造新函数的思路。
已知函数\(f(x)=x^2-ax\),\(g(x)=mx+nlnx\),函数\(f(x)\)的图像在点\((1,f(1))\)处的切线的斜率为\(1\),函数\(g(x)\)在\(x=2\)处取到极小值\(2-2ln2\);
(1)求函数\(f(x)\)与\(g(x)\)的解析式;
分析:由题可知\(f'(x)=2x-a\),又\(f'(1)=2-a=1\),解得\(a=1\),即\(f(x)=x^2-x\);
又\(g'(x)=m+\cfrac{n}{x}\),由\(g'(2)=m+\cfrac{n}{2}=0\)及\(g(2)=2m+nln2=2-2ln2\),解得\(m=1,n=-2\),即\(g(x)=x-2lnx\);
(2)已知函数\(f(x)+g(x)\ge x^2-\lambda(x-1)\)对任意的\(x\in(0,1]\)恒成立,求实数\(\lambda\)的取值范围。
分析:由于\(f(x)+g(x)=x^2-2lnx\),则\(x^2-2lnx\ge x^2-\lambda(x-1)\)对任意的\(x\in(0,1]\)恒成立,可以有以下的思路:
法1:带参分析法,先令\(h(x)=\lambda(x-1)-2lnx\),则问题转化为\(h(x)\ge 0\)对任意的\(x\in(0,1]\)恒成立,
\(h'(x)=\lambda-\cfrac{2}{x}=\cfrac{\lambda x-2}{x}\)
当\(\lambda\leq 0\)时,\(h'(x)<0\),\(h(x)\)在区间\((0,1]\)上单调递减,
\(h(x)_{min}=h(1)=0\),即\(h(x)\ge 0\)恒成立;
当\(0<\lambda \leq 2\)时,\(h'(x)<0\),\(h(x)\)在区间\((0,1]\)上单调递减,
\(h(x)_{min}=h(1)=0\),即\(h(x)\ge 0\)恒成立;
当\(\lambda>2\)时,\(h'(x)<0\)在\((0,\cfrac{2}{\lambda})\)上恒成立,\(h'(x)>0\)在\((\cfrac{2}{\lambda},1)\)上恒成立,
即\(h(x)\)在\((0,\cfrac{2}{\lambda})\)单调递减,在\((\cfrac{2}{\lambda},1)\)上单调递增,
所以\(h(\cfrac{2}{\lambda})<h(1)=0\),故不满足题意,注意\(h(1)=0\),即函数\(h(x)\)恒过点\((1,0)\)
综上所述,实数\(\lambda\)的取值范围为\((-\infty,2]\)。
法2:讨论法分离参数,先转化为\(\lambda(x-1)\ge 2lnx\)对任意的\(x\in(0,1]\)恒成立,
当\(x=1\)时,\(\lambda\cdot 0\ge 2ln1=0\),\(\lambda\in R\);
当\(x\in (0,1)\)时,分离参数得到\(\lambda \leq \cfrac{2lnx}{x-1}\);令\(h(x)= \cfrac{2lnx}{x-1}\),
\(h'(x)=\cfrac{\cfrac{2}{x}(x-1)-2lnx}{(x-1)^2}=\cfrac{2(1-\cfrac{1}{x}-lnx)}{(x-1)^2}\);
令\(m(x)=1-\cfrac{1}{x}-lnx\),则\(m'(x)=\cfrac{1}{x^2}-\cfrac{1}{x}=\cfrac{1-x}{x^2}\),
则\(m'(x)>0\),则\(m(x)\)在\((0,1)\)上单调递增,故\(m(x)<m(1)=0\),故\(h'(x)=\cfrac{2m(x)}{(x-1)^2}<0\),
则\(h(x)\)在\((0,1)\)上单调递减,故\(h(x)>h(1)=2\)(由洛必达法则求得),即\(\lambda\leq 2\)
综上所述求交集得到,\(\lambda \in(-\infty,2]\)。
法3:不完全分离参数法,由\(\lambda(x-1)\ge 2lnx\)对任意的\(x\in(0,1]\)恒成立,
做函数\(y=\lambda(x-1)\)和函数\(y=2lnx\)的图像,示意图
设直线\(y=\lambda(x-1)\)与曲线\(y=2lnx\)相切于点\((x_0,y_0)\),则有\(\cfrac{2}{x_0}=\lambda\),\(y_0=2lnx_0\),\(y_0=\lambda(x_0-1)\),
求得切点坐标\((1,0)\),此时\(\lambda=2\),由\(\lambda\)的几何意义可知,\(\lambda\)的取值范围是\((-\infty,2]\)。
注意事项
- 分离参数法,一般常用于恒成立问题、能成立问题(有解),或无解问题,或已知函数零点个数命题中的参数取值范围问题,又或是从数的角度不好解决需要从形的角度入手的问题。
- 分离参数时,尽可能的使函数形式简单,这样求导数判断单调性就简单些,而参数形式复杂些或者简单些都无所谓,
(1)若函数\(f(x)\)在区间\((0,\cfrac{1}{2})\)上无零点,求实数\(a\)的最小值。
【法1】(分离参数,参数形式简单,函数复杂)
碰到这类问题,我们的第一反应往往是分离参数,然后数形结合求解,但是这个方法不见得是很恰当和很灵活的。
先变形为\(a(1-x)=2+2lnx-2x\),再分离参数为\(a=\cfrac{2+2lnx-2x}{1-x}\),其中\(x\in (0,\cfrac{1}{2})\),
令函数\(h(x)=\cfrac{2+2lnx-2x}{1-x}\),接下来用导数研究单调性,准备做函数的大值图像,
\(h'(x)=\cfrac{(\cfrac{2}{x}-2)(1-x)-(2+2lnx-2x)(-1)}{(1-x)^2}=\cfrac{2lnx+\cfrac{2}{x}-2}{(1-x)^2}\)
暂时没法看透\(h'(x)\)的正负值,也无法判断原函数\(h(x)\)的增减性,
故再设\(h'(x)\)的分子函数为\(m(x)=2lnx+\cfrac{2}{x}-2\),
\(m'(x)=\cfrac{2}{x}-\cfrac{2}{x^2}=\cfrac{2x-2}{x^2}\),
由于\(0< x <\cfrac{1}{2}\),故\(m'(x) <0\),即\(m(x)\)单调递减,
故函数\(m(x)\)的最小值的极限为\(m(\cfrac{1}{2})=2ln\cfrac{1}{2}+4-2=2(1-ln2)>0\)
编外话:由分子函数\(m(x)\)的最小值的极限为正,说明函数\(h'(x)\)的分子都为正,
故\(h'(x)=\cfrac{m(x)}{(1-x)^2}>0\),故函数\(h(x)\)在\(x\in (0,\cfrac{1}{2})\)上单调递增,
故\(h(x)\)的最大值的极限为\(h(\cfrac{1}{2})=\cfrac{2+2ln\cfrac{1}{2}-2\times\cfrac{1}{2}}{1-\cfrac{1}{2}}=2(1-2ln2)\)
要使直线\(y=a\)与函数\(y=h(x)(0< x <\cfrac{1}{2})\)没有交点,
则\(a\)的取值范围是\(a\ge 2(1-2ln2)\),故\(a_{min}=2-4ln2\)。
【法2】(分离参数,参数形式复杂,函数简单)
将原方程\((2-a)x-2(1+lnx)+a=0\),先变形为\((2-a)x+(a-2)-2lnx=0\),再变形为\(\cfrac{2-a}{2}=\cfrac{lnx}{x-1}\),
令\(h(x)=\cfrac{lnx}{x-1}\),
则\(h'(x)=\cfrac{\cfrac{1}{x}(x-1)-lnx}{(x-1)^2}=\cfrac{1-\cfrac{1}{x}-lnx}{(x-1)^2}\)
令\(m(x)=1-\cfrac{1}{x}-lnx\),
则\(m'(x)=\cfrac{1}{x^2}-\cfrac{1}{x}=\cfrac{1-x}{x^2}>0\)在\((0,\cfrac{1}{2})\)上恒成立,
故函数\(m(x)\)在\((0,\cfrac{1}{2})\)单调递增,
故\(m(x)_{max}\)的极限为\(m(\cfrac{1}{2})=1-2-ln\cfrac{1}{2}=ln2-1<0\)
则函数\(h'(x)=\cfrac{m(x)}{(x-1)^2}<0\)在\((0,\cfrac{1}{2})\)上恒成立,
函数\(h(x)\)在\((0,\cfrac{1}{2})\)上单调递减,
则\(h(x)_{min}\)的极限为\(h(\cfrac{1}{2})=\cfrac{ln\cfrac{1}{2}}{\cfrac{1}{2}-1}=2ln2\)
要使得原方程无解,必须满足函数\(y=\cfrac{2-a}{2}\)与函数\(y=h(x)\)没有交点,
即\(\cfrac{2-a}{2}\leq 2ln2\),即\(a\ge 2-4ln2\)
故\(a_{min}=2-4ln2\)。
【法3】要是不用分离参数的方法,我们还可以这么分析呢?我们这样想,分离参数法是从数的角度来求解的,那么我们可以换个思路,想想能不能从形上入手分析?这时候,最好将原方程\(f(x)=0\)变形得到两个函数\(h(x)=m(x)\),其中这两个函数最好是基本初等函数,这样它们的图像我们不用费事就能做出来,同时让参数配备个几何意义那是最好的选择,比如斜率等等,故求解如下:
由于函数\(f(x)=0\)在\(x\in (0,\cfrac{1}{2})\)上没有零点,
则\((2-a)x-2(1+lnx)+a=0\)在\(x\in (0,\cfrac{1}{2})\)上没有零点,
变形为\((2-a)(x-1)=2lnx(0< x <\cfrac{1}{2})\)
这样左端为函数\(h(x)=(2-a)(x-1)\),是过定点\((1,0)\)斜率是\(2-a\)的直线段,
右端为函数\(m(x)=2lnx\),是过定点\((1,0)\)的对数型函数的一部分,图像
当直线段过点\((1,0)\)和\((\cfrac{1}{2},2ln\cfrac{1}{2})\)时,斜率为\(k=\cfrac{2-2ln\cfrac{1}{2}}{1-\cfrac{1}{2}}=4ln2\),
由图像可知,要让这两个定义在\(x\in (0,\cfrac{1}{2})\)上的函数没有交点,
只需要函数\(h(x)\)的斜率\(2-a\)小于等于斜率\(k=4ln2\)即可,
故\(2-a\leq 4ln2\),即则\(a\)的取值范围是\(a\ge 2(1-2ln2)\),
故\(a_{min}=2-4ln2\)。
解后反思:
1、法1是这类问题的通用解法,但是分离参数后得到的右端的函数,其单调性用导数判断可能很辛苦,这个题目就说明了这一点,而且用到了二阶导数,一般学生根本分不清一阶导数和二阶导数的关系,所以慎重使用。
2、法2比法1虽然都是分离参数法,但是我们感觉法2比法1要简单,其主要原因是法2采用的策略是,让函数简单些,让参数复杂些,这样运算量就小很多了。
3、法3将方程分离成立两个基本初等函数的形式,这样就可以很快很容易的使用形来解决问题了,到此我们也能体会命题人的意图,能将问题简化为我们学习过的,简单模型的学生,是不是其思维具有更好的可塑性。
通过以上七个方面的粗浅探索,相信各位会对分离参数法有更深入的理解,使用会更加得心应手。
对应练习
提示:选\(C\)。
法1:分别作出两个函数的图像,由图像可知\(a\geqslant 1\),故选\(C\).
法2:转化法,转化为函数\(h(x)=f(x)-g(x)=x^2-2lnx-a\)有零点,分析单调性,令\(h(x)_{min}\leqslant 0\),故选\(C\).
法3:转化法+分离参数法,转化为\(a=x^2-2lnx\)有解,即函数\(y=a\)和函数\(y=x^2-2lnx\)图像有交点,故选\(C\).
引申:可能还会同时考查整体思想,比如以下的题目;
函数\(f(x)=x^2\),\(g(x)=2lnx+b^2-b\)有公共点,则\(b\)的取值范围是____________.
函数\(f(x)=x^2\),\(g(x)=2lnx+a+\cfrac{1}{a}\)有公共点,则\(a\)的取值范围是____________.
思路补充
碰到函数有零点等问题时,我们一般优先选取分离参数法,但是如果分离后得到的函数的最值求解有难度或不太好分离参数时,次之选择分类讨论;
分析:当我们首选分离参数法时, \(a=\cfrac{x-\sqrt{x}}{\ln x}=h(x)\),接下来用导数求解 \(h(x)\) 的最值会非常麻烦,所以舍弃这个思路,采用分类讨论如下:
解析: 因为函数 \(f(x)=x-\sqrt{x}-a \ln x\), 所以 \(f'(x)=1-\cfrac{1}{2\sqrt{x}}-\cfrac{a}{x}=\frac{2x-\sqrt{x}-2 a}{2x}\),
令 \(g(x)=2 x-\sqrt{x}-2a\), 因为 \(g'(x)=2-\cfrac{1}{2\sqrt{x}}=\cfrac{4\sqrt{x}-1}{2\sqrt{x}}\)
当 \(x\in(1,+\infty)\) 时, \(4\sqrt{x}-1>0\),\(2\sqrt{x}>0\), 所以 \(g'(x)>0\),
所以 \(g(x)\) 在 \((1,+\infty)\) 上为增函数, 则 \(g(x)>g(1)=1-2a\),
当 \(1-2a\geqslant 0\) 时, \(g(x)>0\), 所以 \(f'(x)>0\), 所以 \(f(x)\) 在 \((1,+\infty)\) 上为增函数,
则 \(f(x)>f(1)=0\), 所以 \(f(x)\) 在 \((1,+\infty)\) 上没有零点;
当 \(1-2a<0\)时, 即 \(a>\cfrac{1}{2}\) 时, 因为 \(g(x)\) 在 \((1,+\infty)\) 上为增函数,
则存在唯一的 \(x_{0}\in(1,+\infty)\), 使得 \(g(x_{0})=0\),
且当 \(x \in(1, x_{0})\) 时, \(g(x)<0\), 当 \(x\in(x_{0},+\infty)\) 时,\(g(x)>0\);
所以当 \(x\in(1, x_{0})\) 时, \(f^{\prime}(x)<0\), \(f(x)\) 为减函数,
当 \(x \in(x_{0},+\infty)\) 时 \(, f^{\prime}(x)>0\), \(f(x)\) 为增函数,
当 \(x=x_{0}\) 时,\(f(x)_{\min }=f(x_{0})\),
因为 \(f(x_{0})<f(1)=0\), 当 \(x \rightarrow+\infty\) 时,\(f(x) \rightarrow+\infty\),
所以在 \(x\in(x_{0},+\infty)\) 内, \(f(x)\) 一定存在唯一一个零点,
所以 \(a \in(\cfrac{1}{2},+\infty)\), 故选 \(D\).