導(dǎo)數(shù)應(yīng)用問(wèn)題中解題方向的確定
——從函數(shù)圖像入手

☉山東省肥城市第一高級(jí)中學(xué) 賈傳強(qiáng)

導(dǎo)數(shù)應(yīng)用問(wèn)題中解題方向的確定
——從函數(shù)圖像入手

☉山東省肥城市第一高級(jí)中學(xué) 賈傳強(qiáng)

導(dǎo)數(shù)是處理函數(shù)問(wèn)題的有力工具，在求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間、極值、最值等有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)于常規(guī)問(wèn)題，我們可按程序化的思路求解.對(duì)于某些創(chuàng)新型的問(wèn)題不知從何入手時(shí)，若借助函數(shù)的圖像分析，?？身樌业浇忸}的方向.下面舉例說(shuō)明.

例1已知函數(shù)f（x）=ex（x2+ax+a）.

（1）求f（x）的單調(diào)區(qū)間；

（2）求證：當(dāng)a≥4時(shí)，函數(shù)f（x）存在最小值.

解析：本題第（1）問(wèn)屬于常規(guī)題型，按導(dǎo)數(shù)法求函數(shù)單調(diào)區(qū)間的處理程序即可順利解答，其中對(duì)導(dǎo)函數(shù)正、負(fù)的判斷可借助導(dǎo)函數(shù)的圖像來(lái)實(shí)現(xiàn).具體過(guò)程如下：

函數(shù)的定義域?yàn)镽，對(duì)函數(shù)f（x）求導(dǎo)得f′（x）=ex（x2+ ax+a）+ex（2x+a）=ex［x2+（a+2）x+2a］.

令f′（x）=0，即x2+（a+2）x+2a=0，解得x=-a，x=-2.

①當(dāng)-a=-2，即a=2時(shí)，f′（x）≥0恒成立，所以函數(shù)f（x）的單調(diào)遞增區(qū)間為R.

②當(dāng)-a＞-2，即a＜2時(shí)，簡(jiǎn)略圖像如圖1所示，在區(qū)間（-∞，-2），（-a，+∞）內(nèi)，f′（x）＞0，在區(qū)間（-2，-a）內(nèi)f′（x）＜0，所以函數(shù)f（x）的單調(diào)遞增區(qū)間為（-∞，-2），（-a，+∞），單調(diào)遞減區(qū)間為（-2，-a）.

圖2

圖1

下面對(duì)第（2）問(wèn)的求解進(jìn)行詳細(xì)分析.

一、思路分析

因?yàn)閍≥4，所以-a≤-4＜-2，由第（1）問(wèn)情況③可知，函數(shù)f（x）的單調(diào)遞增區(qū)間為（-∞，-a），（-2，+∞），單調(diào)遞減區(qū)間為（-a，-2），函數(shù)f（x）的大致圖像如圖3所示.

圖4

圖3

若存在x0∈（-∞，-a），使得f（x0）＜0，則函數(shù)f（x）不存在最小值.

因此若函數(shù)f（x）存在最小值，則其大致圖像應(yīng)如圖4所示，即在（-∞，-a）內(nèi)f（x）＞0恒成立，且f（-2）≤0，則最小值為f（-2）.

根據(jù)上述形象分析，明確了解題的方向，即將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為判斷在（-∞，-a）內(nèi)f（x）＞0恒成立以及f（-2）≤0.

二、嚴(yán)謹(jǐn)解答

方法1：由第（1）問(wèn)可知，當(dāng)a≥4時(shí)，函數(shù)f（x）的單調(diào)遞增區(qū)間為（-∞，-a），（-2，+∞），單調(diào)遞減區(qū)間為（-a， -2）.函數(shù)f（x）在區(qū)間［-a，+∞）內(nèi)f（x）≥f（-2）=而4-a＜0，所以f（-2）＜0.

因?yàn)樵趨^(qū)間（-∞，-a）內(nèi)，x2+ax=x（x+a）≥0，所以x2+ ax+a＞0，而ex＞0，所以f（x）=ex（x2+ax+a）＞0，所以當(dāng)a≥4時(shí)，函數(shù)存在最小值f（-2）.

點(diǎn)評(píng)：本解法通過(guò)挖掘隱含條件、采用局部判斷，即在區(qū)間（-∞，-a）內(nèi)，函數(shù)f（x）的正負(fù)由x2+ax來(lái)決定，從而將陌生問(wèn)題轉(zhuǎn)化為熟悉的問(wèn)題，簡(jiǎn)潔求解.

方法2：由第（1）問(wèn)可知，當(dāng)a≥4時(shí)，函數(shù)f（x）的單調(diào)遞增區(qū)間為（-∞，-a），（-2，+∞），單調(diào)遞減區(qū)間為（-a，-2）.函數(shù)f（x）在區(qū)間［-a，+∞）內(nèi)f（x）≥f（-2）.

由二次函數(shù)y=x2+ax+a的性質(zhì)知，當(dāng)x→-∞時(shí)，x2+ax+ a＞0，且ex＞0，所以f（x）=ex（x2+ax+a）＞0.

所以當(dāng)a≥4時(shí)，函數(shù)f（x）存在最小值f（-2）.

點(diǎn)評(píng)：本解法采用有限與無(wú)限思想對(duì)函數(shù)f（x）的正、負(fù)進(jìn)行判斷，方法簡(jiǎn)單、易于入手，是學(xué)生解題中普遍采用的方法.

三、變式演練

（1）求f（x）的單調(diào)區(qū)間；

（2）若f（x）在［0，+∞）上存在最大值和最小值，求a的取值范圍.

本題第（2）問(wèn)，從形式上來(lái)看，與例1如出一轍，例1給出參數(shù)范圍，證明函數(shù)存在最小值.例2是若函數(shù)存在最小值，反過(guò)來(lái)求a的范圍.

圖5

圖6

那么當(dāng)x→+∞時(shí)，函數(shù)f（x）是否恒為正呢？

方法1：當(dāng)a＞0時(shí)，由一次函數(shù)y=2ax+a2-1的性質(zhì)知，當(dāng)x→+∞時(shí)，2ax+a2-1＞0，而x2+1＞0，所以f（x）=0，則函數(shù)在x=0取得最小值f（0），此時(shí)應(yīng)滿足f（0）＜0，即a2-1＜0，-1＜a＜1.

其實(shí)挖掘隱含條件不難發(fā)現(xiàn)，函數(shù)f（x）只有一個(gè)零點(diǎn)，即2ax+a2-1=0，且當(dāng)x→-∞時(shí)，恒有f（x）＜0； x→+∞時(shí)，恒有f（x）＞0，所以其正確的圖像如圖7所示.

圖7

圖8

方法2：設(shè)x0為f（x）的零點(diǎn)，易知.從而x＞x0時(shí)，f（x）＞0；x＜x0時(shí)，f（x）＜0.

若f（x）在［0，+∞）上存在最小值，必有f（0）≤0，解得-1≤a≤1.結(jié)合條件知0＜a≤1.

所以當(dāng)a＞0時(shí)，若f（x）在［0，+∞）上存在最大值和最小值，a的取值范圍是（0，1］.

所以a＜0時(shí)，若f（x）在［0，+∞）上存在最大值和最小值，a的取值范圍是（-∞，-1］.

綜上，a的取值范圍是（-∞，-1］∪（0，1］.

總之，通過(guò)利用導(dǎo)數(shù)法求出函數(shù)的單調(diào)區(qū)間、極值、最值后可快速描繪出函數(shù)的圖像，進(jìn)而明確了下一步問(wèn)題處理的方向.但要注意對(duì)題目隱含條件的挖掘，如本題中零點(diǎn)的唯一性，以及臨界狀態(tài)的分析，如本題中x→+∞或x→-∞時(shí)，函數(shù)值的恒正或恒負(fù)的情況.