构造函数习题1
分析:令\(h(x)=\cfrac{f(x)}{g(x)}\),则可知\(h(x)\)为奇函数,
则\(h'(x)=\cfrac{f'(x)g(x)-f(x)g'(x)}{g^2(x)}\),
由\(x<0\)时\(f'(x)g(x)>f(x)g'(x)\),
可得\(x\in(0,+\infty)\)时,\(h'(x)>0\),即\(h(x)\)单调递增,
由奇函数可知,\(x\in (-\infty,0)\)时,\(h(x)\)单调递增,
且\(h(0)=0\),由\(f(-3)=0\)还可得到\(h(-3)=h(3)=0\)
做出示意图,由图可知,
故由\(h(x)=\cfrac{f(x)}{g(x)}<0\),可得\(x\in(-\infty,-3)\cup(0,3)\)。
又\(\cfrac{f(x)}{g(x)}<0\)等价于\(f(x)g(x)<0\),
故不等式\(f(x)g(x)<0\)的解集是\(x\in(-\infty,-3)\cup(0,3)\)。
分析:令\(\cfrac{x_1}{x_2}=t\),则\(t>1\);
\(ln(\cfrac{x_1}{x_2})>2\cfrac{x_1-x_2}{x_1+x_2}\)等价于\(lnt>2\cfrac{t-1}{t+1}\);
然后作差构造函数\(g(t)=lnt-2\cfrac{t-1}{t+1}\),想办法证明\(g(t)>0\)恒成立即可。
解析:\(g'(t)=\cfrac{1}{t}-2\cfrac{1\cdot(t+1)-(t-1)\cdot 1}{(t+1)^2}=\cfrac{1}{t}-\cfrac{4}{(t+1)^2}=\cfrac{(t-1)^2}{t(t+1)^2}\ge 0\)
故函数\(g(x)\)在区间\((1,+\infty)\)上单调递增,
\(g(x)_{min}\rightarrow g(1)=0\),
故\(g(x)>0\)在区间\((1,+\infty)\)上恒成立,故原命题得证。
求证:\(x_1<\cfrac{1}{k}<x_2\)。
分析:\(k=\cfrac{g(x_2)-g(x_1)}{x_2-x_1}=\cfrac{lnx_2-lnx_1}{x_2-x_1}\),
要证明\(x_1<\cfrac{1}{k}<x_2\),只需证明\(x_1<\cfrac{x_2-x_1}{lnx_2-lnx_1}<x_2\)。
(题注:两边同除以\(x_1\),以便于将两个变量转化为一个\(\cfrac{x_2}{x_1}\))
等价于\(1<\cfrac{\frac{x_2}{x_1}-1}{ln\frac{x_2}{x_1}}<\cfrac{x_2}{x_1}\),
令\(\cfrac{x_2}{x_1}=t\),则\(t>1\),只需证明\(1<\cfrac{t-1}{lnt}<t\),
由\(t>1\)可知,\(lnt>0\),故等价于\(lnt<t-1<t\cdot lnt\),
接下来分别证明\(lnt<t-1\)和\(t-x<t\cdot lnt\);做差构造函数,
设\(\phi(t)=t-1-lnt\),则\(\phi'(t)=1-\cfrac{1}{t}>0\),
所以\(\phi(t)\)在\((1,+\infty)\)上单调递增,则\(\phi(t)>phi(1)=0\),即\(t-1>lnt\);
又设\(h(t)=t\cdot lnt-(t-1)\),则\(h'(t)=lnt>0\),
所以\(h(t)\)在\((1,+\infty)\)上单调递增,则\(h(t)>h(1)=0\),即\(t\cdot lnt>t-1\);
故\(x_1<\cfrac{1}{k}<x_2\)。相关图像
分析:结合上述的构造函数的总结和感悟,我们可以看出来构造思路。
令\(g(x)=\cfrac{f(x)}{e^x}\),则\(g'(x)=\cfrac{f'(x)e^x-f(x)e^x}{e^{2x}}=\cfrac{f'(x)-f(x)}{e^x}\),
由题目条件\(f(x)-f'(x)<0\)可知,\(g'(x)=\cfrac{f'(x)-f(x)}{e^x}>0\),
故\(g(x)\)在\((-\infty,+\infty)\)上单调递增,
故有\(g(2)>g(0)\),即\(\cfrac{f(2)}{e^2}>\cfrac{f(0)}{e^0}\),即\(f(2)>e^2f(0)\);
同理有\(g(2017)>g(0)\),即\(\cfrac{f(2017)}{e^{2017}}>\cfrac{f(0)}{e^0}\),即\(f(2017)>e^{2017}f(0)\);故选\(B\).
反思:本题目中的条件\(f(x)>0\)似乎多余。
分析:构造函数\(g(x)=e^x\cdot f(x)-e^x-3\),
则\(g'(x)=e^x\cdot f(x)+e^x\cdot f'(x)-e^x=e^x[f(x)+f'(x)-1]>0\),
故\(g(x)\)在\(R\)上单调递增,且\(g(0)=e^0f(0)-e^0-3=0\),
不等式\(e^xf(x)>e^x+3\)即就是\(g(x)>0\),借助草图,可知解集是\((0,+\infty)\)。
分析:构造函数,令\(g(x)=e^x\cdot f(x)-e^x-7\),
则\(g'(x)=e^x\cdot f(x)+e^x\cdot f'(x)-e^x=e^x(f(x)+f'(x)-1)>0\),
故\(g(x)\)在R上单调递增;又\(g(0)=e^0\cdot f(0)-e^0-7=0\),
故\(g(x)>0\)的解集为\((0,+\infty)\) ,即不等式\(\cfrac{f(x)-1}{e^{ln7-x}}>1\)的解集为\((0,+\infty)\) ,选\(B\).
分析:这类题目往往从研究函数的特殊性质入手,当然研究的切入点就是给定式子的结构,
注意到自变量有\(2\)和\(\cfrac{1}{2}\),所以先探究\(f(x)+f(\cfrac{1}{x})\),
看看它的结果,由\(f(x)+f(\cfrac{1}{x})=1\),可以将所求得式子一部分求值,
其他部分变形为\(f(2)+\cfrac{1}{2^2}f(2)\),故接下来探究\(f(x)+\cfrac{1}{x^2}f(x)=1\),故整个题目可解了。
解:由\(f(x)+f(\cfrac{1}{x})=1\)和\(f(x)+\cfrac{1}{x^2}f(x)=1\),可将所求式子变形得到:
\(2f(2)+2f(3)+\cdots+2f(2017)+f(\cfrac{1}{2})+f(\cfrac{1}{3})+\cdots+f(\cfrac{1}{2017})+\cfrac{1}{2^2}f(2)+\cfrac{1}{3^2}f(3)+\cdots+\cfrac{1}{2017^2}f(2017)\)
\(=\{[f(2)+f(\cfrac{1}{2})]+[f(3)+f(\cfrac{1}{3})]+\cdots+[f(2017)+f(\cfrac{1}{2017})]\}\\+\{[f(2)+\cfrac{1}{2^2}f(2)]+[f(3)+\cfrac{1}{3^2}f(3)]+\cdots++[f(2017)+\cfrac{1}{2017^2}f(2017)]\}\)
\(=2016+2016=4032\).
分析:由\(f(x)<-xf'(x)\),得到\(f(x)+xf'(x)<0\),故令\(g(x)=x\cdot f(x)\),
则\(g'(x)=f(x)+xf'(x)<0\),即函数\(g(x)\)在\((0,+\infty)\)上单调递减,
又不等式\(f(x+1)>(x-1)f(x^2-1)\)等价于\((x+1)f(x+1)>(x^2-1)f(x^2-1)\),
即\(g(x+1)>g(x^2-1)\),由定义域和单调性可知\(0<x+1<x^2-1\),
解得\(x>2\),故选\(D\).
分析:当\(x> 0\)时,\(f'(x)+\cfrac{f(x)}{x}>0\),即\(xf'(x)+f(x)>0\),
故构造函数\(g(x)=x\cdot f(x)\),由于\(y=f(x)\)与\(y=x\)都是奇函数,则函数\(g(x)\)为偶函数,
当\(x>0\)时,\(g'(x)=f(x)+xf'(x)>0\),即函数\(g(x)\)在\([0,+\infty)\)上单调递增,
由偶函数可知,函数\(g(x)\)在\((-\infty,0]\)上单调递减。
而\(a=\cfrac{1}{3}f(\cfrac{1}{3})=g(\cfrac{1}{3})\),
\(b=-3f(-3)=g(-3)=g(3)\),
\(c=(ln\cfrac{1}{3})f(ln\cfrac{1}{3})=g(ln\cfrac{1}{3})=g(-ln3)=g(ln3)\),
又\(\cfrac{1}{3}<ln3<3\),故\(g(\cfrac{1}{3})<g(ln3)<g(3)\),即\(a<c<b\),故选B.
分析:构造函数\(h(x)=x^2\cdot f(x)\),
则\(h'(x)=2xf(x)+x^2f'(x)=x[2f(x)+xf'(x)]\),
当\(x>0\)时,\(h'(x)>0\),当\(x<0\)时,\(h'(x)<0\),
即函数\(h(x)\)在区间\((-\infty,0)\)单调递减,在区间\((0,+\infty)\)上单调递增;
对选项\(A\),\(h(-2)=(-2)^2f(-2)=4f(-2)\),\(h(-1)=(-1)^2f(-1)=f(-1)\),
又\(h(x)\)在区间\((-\infty,0)\)单调递减,\(h(-2)>h(-1)\),即\(4f(-2)>f(-1)\),故选项\(A\)错;
对选项\(B\),\(h(4)=(4)^2f(4)=16f(4)\),\(h(2)=(2)^2f(2)=4f(2)\),
又在区间\((0,+\infty)\)上单调递增,\(h(4)>h(2)\),即\(4f(4)>f(2)\),故选项\(B\)错;
对选项\(D\),\(h(\sqrt{3})=3f(\sqrt{3})\),\(h(2)=4f(2)\),
又在区间\((0,+\infty)\)上单调递增,\(h(\sqrt{3})>h(2)\),即\(3f(\sqrt{3})<4f(2)\),故选项\(D\)错;
对于选项\(C\),我们还需要进一步分析,挖掘条件。
由上可知,即函数\(h(x)=x^2\cdot f(x)\),\(h(x)\)在区间\((-\infty,0)\)单调递减,在区间\((0,+\infty)\)上单调递增;
当\(x=0\)时,函数\(h(x)\)有极小值,也就是最小值\(h(0)=0\),则\(h(x)\)恒大于等于\(0\),
当\(x\neq 0\)时,由\(h(x)=x^2f(x)>0\)恒成立,可得\(f(x)>0\)恒成立,
对可导函数\(f(x)\)而言,由\(xf'(x)+2f(x)>0\)得到,当\(x=0\)时,\(0f'(x)+2f(0)>0\)可得\(f(0)>0\),
综上\(x\in R\)时,\(f(x)>0\)恒成立。故\(4f(2)>0\),\(-f(-1)<0\),故有\(4f(2)>-f(-1)\),即选项\(C\)正确。
分析:由\(\sqrt{x}\cdot f(x)<\cfrac{1}{2}\),变形得到\(2\sqrt{x}f'(x)-1<0\),
即\(\cfrac{2\sqrt{x}f'(x)-1}{2\sqrt{x}}<0\),故想到构造函数\(g(x)=f(x)-\sqrt{x}\),
则\(g'(x)=\cfrac{2\sqrt{x}f'(x)-1}{2\sqrt{x}}<0\),
故函数\(g(x)\)在定义域\((0,\infty)\)上单调递减,
故\(g(1)>g(4)>g(9)\),即\(f(1)-\sqrt{1}>f(4)-\sqrt{4}>f(9)-\sqrt{9}\),
即\(f(1)-1>f(4)-2>f(9)-3\),整理得到\(f(1)+1>f(4)>f(9)-1\),故选\(A\).
法1:[构造函数法]将\(f(x_1)-f(x_2)\leq 4(x_1-x_2)\)转化为\(f(x_1)-4x_1\leq f(x_2)-4x_2\),
令\(g(x)=f(x)-4x=alnx+(x-1)^2\),则原题转化为存在\(x_1>x_2,g(x_1)\leq g(x_2)\)成立,
即就是\(x>0\)时,\(g(x)\)有单调递减区间或\(g(x)\)为常函数;即就是\(x>0\)时,\(g'(x)\leq 0\)有解,
而\(g'(x)=\cfrac{a}{x}+2x-2\leq 0\)有解,
分离参数即得\(a\leq -2x^2+2x\)对于\(x>0\)能成立,
即求解\(-2x^2+2x=g(x)\)在\(x>0\)上的最大值。
而\(g(x)=-2x^2+2x=-2(x-\cfrac{1}{2})^2+\cfrac{1}{2}\leq \cfrac{1}{2}\),
即\(g(x)_{max}=\cfrac{1}{2}\),
故\(a \leq \cfrac{1}{2}\),也即\(a\in(-\infty,\cfrac{1}{2}]\).
解析:\(a>0\)时,\(f'(x)=\cfrac{a}{x}+2x>0\),
即函数\(f(x)\)在\(x\in [1,e]\)上单增,又函数\(y=\cfrac{1}{x}\)在\(x\in [1,e]\)上单减,
不妨设\(1\leq x_1<x_2\leq e\),
则\(|f(x_1)-f(x_2)|\leq |\cfrac{1}{x_1}-\cfrac{1}{x_2}|\)等价于\(f(x_2)-f(x_1)\leq \cfrac{1}{x_1}-\cfrac{1}{x_2}\),
即\(f(x_1)+\cfrac{1}{x_1}\ge f(x_2)+\cfrac{1}{x_2}\)在\(x\in [1,e]\)上恒成立,
令\(g(x)=f(x)+\cfrac{1}{x}=alnx+x^2+\cfrac{1}{x}\),
则原命题等价于函数\(g(x)\)在区间\(x\in [1,e]\)上单调递减,
所以\(g'(x)=\cfrac{a}{x}+2x-\cfrac{1}{x^2}\leq 0\)在\(x\in [1,e]\)上恒成立;
分离参数得到\(a\leq \cfrac{1}{x}-2x^2\)在\(x\in [1,e]\)上恒成立;
又\(h(x)=\cfrac{1}{x}-2x^2\)在\(x\in [1,e]\)上单调递减,
则\(h(x)_{min}=h(e)=\cfrac{1}{e}-2e^2\);所以\(a\leq \cfrac{1}{e}-2e^2\)
又由题目可知\(a>0\),故\(a\in \varnothing\)。即满足条件的实数\(a\)不存在。
分析:本题目的难点在于要注意到\((e^x)'=e^x\)以及构造函数,
解析:由题目\(f'(x)+f(x)=2xe^{-x}\)可知,\(e^xf'(x)+e^xf(x)=2x\),
令\(g(x)=e^xf(x)\),则\(g'(x)=e^xf'(x)+e^xf(x)=2x\),
故\(g(x)=e^xf(x)=\int 2x\;\;dx=x^2+C\),由\(f(0)=1\),得到\(g(0)=1=0^2+C\),故\(C=1\)
所以\(e^xf(x)=x^2+1\),则\(f(x)=\cfrac{x^2+1}{e^x}\),
\(f'(x)=\cfrac{2xe^x-(x^2+1)e^x}{(e^x)^2}=\cfrac{2x-x^2-1}{e^x}\)
故\(\cfrac{f'(x)}{f(x)}=\cfrac{2x-x^2-1}{x^2+1}=\cfrac{2x}{x^2+1}-1\),
由于接下来需要变量集中到分母,故针对\(x\)分类讨论如下:
当\(x=0\)时,直接代入上式得到\(\cfrac{f'(x)}{f(x)}=-1\);
当\(x\neq 0\)时,\(\cfrac{f'(x)}{f(x)}=\cfrac{2}{x+\cfrac{1}{x}}-1\);
由于\(|x+\cfrac{1}{x}|\ge 2\),则\(0<\cfrac{1}{\left|x+\cfrac{1}{x}\right|}\leq \cfrac{1}{2}\),
即\(0<\left|\cfrac{2}{x+\frac{1}{x}}\right|\leq 1\),
所以\(-1\leq \cfrac{2}{x+\cfrac{1}{x}}<0或0< \cfrac{2}{x+\cfrac{1}{x}}\leq 1\);
\(-1-1\leq \cfrac{2}{x+\cfrac{1}{x}}-1<0-1或0-1< \cfrac{2}{x+\cfrac{1}{x}}-1\leq 1-1\);
即\(-2\leq \cfrac{f'(x)}{f(x)}<-1或-1< \cfrac{f'(x)}{f(x)}\leq 0\);
综上得到\(\cfrac{f'(x)}{f(x)}\in [-2,0]\)
分析:本题中的题眼是在\((0,+\infty)\)上\(f'(x)<x\),这句话是构造函数的关键所在。
解析:由题目“在\((0,+\infty)\)上\(f'(x)<x\)”,构造函数\(g(x)=f(x)-\cfrac{1}{2}x^2\),
从简原则,我们不需要构造\(\cfrac{1}{2}x^2+C\);
则在\((0,+\infty)\)上\(g'(x)=f'(x)-x<0\),\(g(x)\)单调递减,
又由于\(f(-x)+f(x)=x^2\),改写为\(f(-x)-\cfrac{1}{2}(-x)^2+f(x)-\cfrac{1}{2}(x)^2=0\),
即就是\(g(-x)+g(x)=0\),
即函数\(g(x)\)为定义在\(R\)上的奇函数,则\((-\infty,0)\)上单调递减,
所以函数\(g(x)\)在\((-\infty,+\infty)\)上单调递减。
又由于\(f(4-m)-f(m)\ge 8-4m\),
等价于\(f(4-m)-\cfrac{1}{2}(4-m)^2 \ge f(m)-\cfrac{1}{2}m^2\),
也等价于\(g(4-m)\ge g(m)\),
所以\(4-m\leq m\),解得\(m \ge 2\),即\(m\in [2,\infty)\).
变形构造
有些题目需要首先做适当的变形,在此基础上再做构造。
分析:令\(g(x)=f(x)-\cfrac{1}{2}x^2\),则\(g(x)+g(-x)=0\),可知\(g(x)\)为奇函数;
又由于 \(x<0\) 时,\(f'(x)-x<0\) 恒成立,即函数\(g(x)\)在区间\((-\infty,0)\)上单调递减,
则\(g(x)\)在区间\((-\infty , +\infty)\)上此处涉及到区间的并集问题,由于函数为奇函数,则\(g(0)=0\),又由于\((-\infty,0)\)上单调递减,则在\((0,+\infty)\)上也是单调递减,故此时区间可以联系到一起,故有函数\(g(x)\)在区间\((-\infty,+\infty)\)上单调递减\(\quad\)单调递减,
由 \(f(x)-f(1-x) \geqslant x-\cfrac{1}{2}\),先变形为\(f(x)\geqslant f(1-x)+x-\cfrac{1}{2}\);
再两边同减去\(\cfrac{1}{2}x^2\)变形得到 \(f(x)-\cfrac{1}{2}x^2\geqslant f(1-x)+x-\cfrac{1}{2}-\cfrac{1}{2}x^2\);
整理为 \(f(x)-\cfrac{1}{2} x^{2} \geqslant f(1-x)-\cfrac{1}{2}(1-x)^{2}\),即 \(g(x) \geqslant g(1-x)\),
由\(g(x)\)在区间\((-\infty,+\infty)\)上单调递减, 从而得到\(x \leqslant 1-x\),
解得\(x\leqslant \cfrac{1}{2},\) 所以所求不等式的解集为 \((-\infty, \cfrac{1}{2}]\),故选 \(A\)
分析:先求定义域\((0,+\infty)\)由题意可知,对任意两个不等的正数\(x_1,x_2\),
都有\(\cfrac{h(x_1)-h(x_2)}{x_1-x_2}>2\)恒成立,即为\(h(x_1)-2x_1>h(x_2)-2x_2\),
故构造函数令\(g(x)=h(x)-2x\),可得\(g(x)\)在\((0,+\infty)\)上单调递增。
由\(g'(x)=h'(x)-2=x+\cfrac{a}{x}-2\ge 0\)在\((0,+\infty)\)上恒成立。
可得\(a\ge x(2-x)\),由\([x(2-x)]_{max}=1\),故\(a\ge 1\),故实数\(a\)的取值范围为\([1,+\infty)\)。
解析:因为\(xf'(x)≤-f(x)\),\(f(x)≥0\),
所以\([\cfrac{f(x)}{x}]'=\cfrac{xf'(x)-f(x)}{x^2}≤\cfrac{-2f(x)}{x^2}≤0\),
则函数\(\cfrac{f(x)}{x}\)在\((0,+\infty)\)上是单调递减的,
由于\(0<a<b\),则\(\cfrac{f(a)}{a}\ge \cfrac{f(b)}{b}\),即\(af(b)≤bf(a)\),故选\(A\)。
反思总结:当函数为常函数\(f(x)=0\)时,能取到等号。
解析:不妨设\(p>q\),则\(p-q>0\),则\(\cfrac{f(p)-f(q)}{p-q}<1\)等价于\(f(p)-p<f(q)-q\)。
令\(g(x)=f(x)-x\),则由题意可知函数\(g(x)\)在\((0,1)\)内单调递减,
由\(g(x)=alnx-x^2+x-1\),知\(g'(x)=\cfrac{a}{x}-2x+1≤0\)在\((0,1)\)内恒成立,
\(a\leq x(2x-1),x\in (0,1)\)恒成立,
结合二次函数的性质,可得\([x(2x-1)]_{min}=-\cfrac{1}{8}\),故\(a\leq -\cfrac{1}{8}\)。
则不等式\((x+2016)^2f(x+2016)-4f(-2)>0\)的解集为 【 】
分析:由\(2f(x)+xf'(x)>x^2(x<0)\),得\(2xf(x)+x^2f'(x)<x^3\),
即\([x^2\cdot f(x)]'<x^3<0\),故令\(F(x)=x^2\cdot f(x)\),
则当\(x<0\)时,得\(F'(x)<0\),即\(F(x)\)在\((-\infty,0)\)上是单调递减的,
又\(F(x+2016)=(x+2016)^2f(x+2016)\),\(F(-2)=4f(-2)\),即不等式等价为\(F(x+2016)-F(-2)>0\),
因为\(F(x)\)在\((-\infty,0)\)上是单调递减的,所以由\(F(x+2016)>F(-2)\)得,\(x+2016<-2\),
即\(x<-2018\),故选C。
分析:不妨设\(p>q\),则\(p-q>0\),
则不等式\(\cfrac{f(p+1)-f(q+1)}{p-q}<1\)等价于\(f(p+1)-f(q+1)<p-q\),
即$ [f(p+1)-(p+1)]-[f(q+1)-(q+1)]<0$恒成立;
令\(g(x)=f(x)-x\),
则由题意可知函数\(g(x)\)在\((2,3)\)内单调递减,
又\(g(x)=aln(x+1)-x^2-x\),
则\(g'(x)=\cfrac{a}{x+1}-2x-1\leq 0\)在\((2,3)\)内恒成立
即\(\cfrac{a}{x+1}\leq 2x+1\),
也即\(a\leq (x+1)(2x+1)\)在\((2,3)\)内恒成立,
结合二次函数的性质,\(x\in (2,3)\)时,\((x+1)(2x+1)_{min}\)的极限为15,
故可知\(a\leq 15\)。
反思总结:
1、构造函数的技巧;
2、定义域的变化,由于题中\(p,q\in (1,2)\),故\(p+1,q+1\in (2,3)\)。
分析:作差构造函数,设\(F(x)=f(x)-\cfrac{1}{2}x-\cfrac{1}{2}\),
则\(F'(x)=f'(x)-\cfrac{1}{2}\),
因为\(f'(x)<\cfrac{1}{2}\),所以\(F'(x)=f'(x)-\cfrac{1}{2}<0\),
即函数\(F(x)\)在\(R\)上为减函数,
因为\(f(x^2)<\cfrac{x^2}{2}+\cfrac{1}{2}\),等价于\(F(x)<0=F(1)=f(1)-\cfrac{1}{2}-\cfrac{1}{2}\)
所以\(f(x^2)-\cfrac{x^2}{2}<f(1)-\cfrac{1}{2}\),
即\(F(x^2)<F(1)\) ,而函数\(F(x)\)在\(R\)上为减函数,
所以\(x^2>1\),即\(x\in(-\infty,-1)\cup(1,+\infty)\),