2.7 构造辅助函数(小题):指数乘积法与商的单调性

忠实整理构造辅助函数的核心方法论:令辅助函数的导数出现题干条件的形式,掌握 f'(x)+g(x)f(x) 对应 F(x)=e^{∫g(x)dx}·f(x) 的构造,以及商的单调性、f·f' 对应 ½f² 的导数。

2.7 构造辅助函数(小题):指数乘积法与商的单调性

构造辅助函数的核心:令辅助函数的导数出现要证明的表达式(或题干条件)的形式!见到 f(x)+g(x)f(x)f'(x) + g(x)f(x),令 F(x)=eg(x)dxf(x)F(x) = e^{\int g(x)\,dx} \cdot f(x),掌握这个构造可以解决 90% 的题。

来源:邂逅遗憾 27 考研数学思维课,第二章”导数”,资料页 168—169。本文保留资料中的定理、例题、原解与手写批注。

一、核心构造方法

欲证 f(ξ)+g(ξ)f(ξ)=0f'(\xi) + g(\xi)f(\xi) = 0 F(x)=eg(x)dxf(x)F(x) = e^{\int g(x)\,dx} \cdot f(x)

验证:F(x)=eg(x)dx[f(x)+g(x)f(x)]F'(x) = e^{\int g(x)\,dx} \cdot [f'(x) + g(x)f(x)]

积分时忽略 ln\ln 中的绝对值(不影响单调性判断)。

常见模式

题干条件辅助函数F(x)F'(x) 的符号
f(x)+g(x)f(x)>0f'(x) + g(x)f(x) > 0F(x)=eg(x)dxf(x)F(x) = e^{\int g(x)\,dx} f(x)F(x)>0F'(x) > 0
f(x)g(x)f(x)g(x)<0f'(x)g(x) - f(x)g'(x) < 0F(x)=f(x)g(x)F(x) = \dfrac{f(x)}{g(x)}F(x)<0F'(x) < 0
f(x)f(x)>0f(x)f'(x) > 0F(x)=f2(x)F(x) = f^2(x)F(x)=2f(x)f(x)>0F'(x) = 2f(x)f'(x) > 0

二、指数乘积法

选择题例 2.69(2020 数二真题)

f(x)f(x)[2,2][-2, 2] 上可导,且 f(x)>f(x)>0f'(x) > f(x) > 0,则( )

  • A. f(2)f(1)>1\dfrac{f(-2)}{f(-1)} > 1
  • B. f(0)f(1)>e\dfrac{f(0)}{f(-1)} > e
  • C. f(1)f(1)<e2\dfrac{f(1)}{f(-1)} < e^2
  • D. f(2)f(1)<e3\dfrac{f(2)}{f(-1)} < e^3
解答

方法一(构造辅助函数):

f(x)>f(x)f'(x) > f(x),即 f(x)f(x)>0f'(x) - f(x) > 0

F(x)=f(x)ex=exf(x)F(x) = \dfrac{f(x)}{e^x} = e^{-x}f(x),则

F(x)=ex[f(x)f(x)]>0F'(x) = e^{-x}[f'(x) - f(x)] > 0

F(x)F(x)[2,2][-2, 2] 上严格单增。

F(0)>F(1)F(0) > F(-1),即 f(0)e0>f(1)e1\dfrac{f(0)}{e^0} > \dfrac{f(-1)}{e^{-1}},故 f(0)f(1)>e\dfrac{f(0)}{f(-1)} > e

答案:B

方法二(特值排除):取 f(x)=e2xf(x) = e^{2x},则 f(x)=2e2x>e2x=f(x)>0f'(x) = 2e^{2x} > e^{2x} = f(x) > 0,满足条件。

  • A:e4e2=e2<1\dfrac{e^{-4}}{e^{-2}} = e^{-2} < 1。✗
  • B:e0e2=e2>e\dfrac{e^0}{e^{-2}} = e^2 > e。✓
  • C:e2e2=e4>e2\dfrac{e^2}{e^{-2}} = e^4 > e^2,不满足 <e2< e^2。✗
  • D:e4e2=e6>e3\dfrac{e^4}{e^{-2}} = e^6 > e^3,不满足 <e3< e^3。✗

只有 B 正确。

三、商的单调性

选择题例 2.70(2000 真题)

f(x)f(x)g(x)g(x)(a,b)(a,b) 上可导且恒正,f(x)g(x)f(x)g(x)<0f'(x)g(x) - f(x)g'(x) < 0,则当 a<x<ba < x < b 时( )

  • A. f(x)g(b)>f(b)g(x)f(x)g(b) > f(b)g(x)
  • B. f(x)g(a)>f(a)g(x)f(x)g(a) > f(a)g(x)
  • C. f(x)g(x)>f(b)g(b)f(x)g(x) > f(b)g(b)
  • D. f(x)g(x)>f(a)g(a)f(x)g(x) > f(a)g(a)
解答

f(x)g(x)f(x)g(x)<0f'(x)g(x) - f(x)g'(x) < 0,即 (f(x)g(x))=f(x)g(x)f(x)g(x)g2(x)<0\left(\dfrac{f(x)}{g(x)}\right)' = \dfrac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{g^2(x)} < 0

F(x)=f(x)g(x)F(x) = \dfrac{f(x)}{g(x)},则 F(x)F(x)(a,b)(a,b) 上严格单减。

x<bx < bF(x)>F(b)F(x) > F(b),即 f(x)g(x)>f(b)g(b)\dfrac{f(x)}{g(x)} > \dfrac{f(b)}{g(b)},故 f(x)g(b)>f(b)g(x)f(x)g(b) > f(b)g(x)

答案:A

:若条件改为 f(x)g(x)+f(x)g(x)<0f'(x)g(x) + f(x)g'(x) < 0,则令 G(x)=f(x)g(x)G(x) = f(x)g(x)G(x)<0G'(x) < 0G(x)G(x) 单减,f(x)g(x)>f(b)g(b)f(x)g(x) > f(b)g(b)

四、fff \cdot f'

选择题例 2.71(2017 真题)

f(x)f(x) 在区间 II 上可导,且 f(x)f(x)>0f(x)f'(x) > 0,则( )

  • A. f(1)>f(1)f(1) > f(-1)
  • B. f(1)<f(1)f(1) < f(-1)
  • C. f(1)>f(1)|f(1)| > |f(-1)|
  • D. f(1)<f(1)|f(1)| < |f(-1)|
解答

见到 yyyy',要条件反射想到它是 12y2\dfrac{1}{2}y^2 的导数!

F(x)=f2(x)F(x) = f^2(x),则 F(x)=2f(x)f(x)>0F'(x) = 2f(x)f'(x) > 0,故 F(x)F(x) 严格单增。

F(1)>F(1)F(1) > F(-1),即 f2(1)>f2(1)f^2(1) > f^2(-1),故 f(1)>f(1)|f(1)| > |f(-1)|

答案:C

特值验证:取 f(x)=exf(x) = e^xf(1)=e>e1=f(1)f(1) = e > e^{-1} = f(-1),A 成立;取 f(x)=exf(x) = -e^xf(1)=e<e1=f(1)f(1) = -e < -e^{-1} = f(-1),A 不成立。故 A 不一定对,但 f(1)=e>e1=f(1)|f(1)| = e > e^{-1} = |f(-1)| 恒成立。

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