不等式记录 Part2 有关高考题
100 的计划过于宏伟,慢慢来吧。
本篇文章将详细探讨高考相关的导数题目,以不等式为主。
材料几乎都来自于 《导数的秘密》,算是给这本书做注了。
记录的题目应该不是很难,主要写有关思路方面的东西,比如答案是怎么想到的,有无更加自然的解法。
1.
若 $a > 0,b > 0$ ,证明:
题目来自于 《导数的秘密》第一章思考题2
高中课内有点难度的不等式证明几乎核心只有一个——构造函数,研究函数的单调性。
先对题目做一个整体的感知:LHS 中 a 和 b 是混在一起的,但是 RHS 中它们是分开的。
那么 RHS 的形式已经相当美观了,a 和 b 都是分开的,难搞的是左边。
如何把 $2ab$ 中的 a 和 b 分开呢,并且还需要保证不等号的方向是对的?
显然有基本不等式 $2ab \le a^2 + b^2$
将这一步放缩带入,即证:
很显然我们可以构造函数了,令 $f(x)=e^{x-1} + x ln(x) - x^2$ 我们只需要证明当 $x > 0 $ 时,有 $f(x) \ge 0$
似乎已经是一个简单的问题了,是吗?
我们求导有 $f’(x) = e^{x - 1} + 1 + ln(x) - 2x$
虽然你瞪眼一下确实能够找到一个根 $x=1$ 但是你需要是的函数的单调性来分析值域;虽然你也许可以感觉到 $x=1$ 是最小值,但是好像没有什么很好的办法能够直接说明,然后你就去求二阶导,求完了之后还是懵逼,又求三阶导,分析一下单调性,逆推回去,当然是可以做的,而且这个方法也不错,计算量不大也很好想。
上面的思路其实是我在刚刚写的时候想到的,好像还比下面这个要一点注意力的方法好一些?
接下来是我自己在做这个题时的想法。
首先我毛估估了一下原函数 $f(x)$ 感觉非常的单调递增。着手开始考虑证明 $f’(x) \ge 0$ ,我没有再想求二阶导的事,我希望可以用一些优雅的不等式放缩解决这个问题,观察 $f’(x)$,不难联想到 $e^{x} \ge x + 1$,将 $f’(x)$ 按照这个模式进行整理,易得:
集中一下注意力就发现 $f’(x)$ 其实就是一个函数两个位置的差,也就是说:
令 $g(x) = e^{x-1} - x$ , 有 $f’(x) = g(x) - g(ln(x) + 1)$
并且我们还知道 $x \ge ln(x) + 1$ ,多么美好的性质。
研究一下函数 $g(x)$ ,再分类讨论一下 $x\ge 1$ 和 $x\le 1$ 的情况,容易得到我一开始的猜测是错误的,但是也完成了本题的证明。简单来说我做的事情就是,将同构进行到底。
标答给的函数构造太神奇了,完全看不出来动机在哪里,为什么有人想到构造的函数是 $\frac{f(x)}{x}$ 啊?