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导数证明不等式与研究零点

当目标是 $A(x)\ge B(x)$,有两条值得先检查的入口:

不等式的两条入口

当目标是 $A(x)\ge B(x)$,有两条值得先检查的入口:

  1. 代数入口:因式分解、配方、基本不等式、分式型函数的等价变形能直接给出正负或等号条件时,优先使用它;
  2. 函数入口:差值结构复杂但可导时,令 $H(x)=A(x)-B(x)$,通过 $H'$ 找到其最小值。

导数不是更高级的装饰,而是在代数结构不透明时,研究整体变化的工具。两种方法得到的等号条件必须互相吻合。

切线不等式的来源

若函数 $f$ 在区间上是凸的,图像在该区间位于任意切线之上:

$$ f(x)\ge f(a)+f'(a)(x-a). $$

高中中不必先建立完整的凸性理论,也可以直接证明特定不等式:把“左边减右边”记作 $H(x)$,验证 $H(a)=0$ 且 $H$ 在 $a$ 左减右增,或验证 $H$ 取最小值 $0$。此时所谓“切线法”实际上仍是构造差函数。

例 1:指数函数的切线下界

证明对任意 $x\in\mathbb R$,$e^x\ge x+1$。

令 $H(x)=e^x-x-1$。则

$$ H'(x)=e^x-1. $$

当 $x<0$ 时 $H'<0$,当 $x>0$ 时 $H'>0$,故 $H$ 在 $0$ 处取最小值 $H(0)=0$。于是 $e^x\ge x+1$,等号当且仅当 $x=0$。

直线 $y=x+1$ 正是 $y=e^x$ 在 $x=0$ 处的切线;不等式来自“差函数最小”,不是来自图形直觉的跳步。

例 2:对数函数的切线上界

证明对任意 $x>0$,$\ln x\le x-1$。

令 $H(x)=x-1-\ln x$。$H'(x)=\frac{x-1}{x}$,所以 $H$ 在 $x=1$ 处取最小值 $0$。故结论成立,等号当且仅当 $x=1$。

这个结论在分式函数和值域题中常与基本不等式配合使用;先确认变量范围 $x>0$,否则 $\ln x$ 本身无意义。

零点问题的四个动作

研究 $F(x)=0$,按以下顺序组织:

  1. 写定义域与连续区间;
  2. 找到能使 $F$ 异号的两个点,证明存在;
  3. 用 $F'$ 的符号证明单调,得到唯一性或根数上界;
  4. 若问根的范围,再把区间缩小到题目要求的精度。

介值定理不能跨越不连续点使用。例如 $1/x$ 在 $[-1,1]$ 两端异号,却没有零点;因为 $x=0$ 不在定义域。

例 3:带根区间的唯一零点

证明 $F(x)=x^3+x-1$ 在 $(0,1)$ 内有且只有一个零点。

$F$ 是多项式,故在 $[0,1]$ 连续。$F(0)=-1<0$,$F(1)=1>0$,所以在 $(0,1)$ 内至少有一个零点。

又 $F'(x)=3x^2+1>0$ 对全体实数成立,因此 $F$ 严格递增,零点至多一个。综上,在 $(0,1)$ 内恰有一个零点。

根的个数上界:罗尔定理的逆向使用

若可导函数 $F$ 有两个不同零点 $x_1<x_2$,罗尔定理保证存在 $c\in(x_1,x_2)$ 使 $F'(c)=0$。因此:

$$ \text{$F'$ 在区间内至多有 $m$ 个零点}\quad\Longrightarrow\quad \text{$F$ 至多有 $m+1$ 个零点}. $$

这只是上界;要说“恰有”,仍需补存在性。

例 4:用导数控制零点数

证明 $F(x)=x^3-3x+3$ 恰有一个实根。

$$ F'(x)=3(x^2-1), $$

它只有两个零点 $-1,1$。若 $F$ 有四个不同实根,反复用罗尔定理可推出 $F'$ 至少有三个不同零点,矛盾。因此 $F$ 至多有三个实根;进一步,由 $F'$ 只有两个零点,只能得到至多三个,而不能仅凭这一点断言至多两个。

实际计算 $F(-1)=5$、$F(1)=1$,且两处均为正;又 $F$ 在 $(-\infty,-1)$ 递增、$(-1,1)$ 递减、$(1,+\infty)$ 递增,所以只可能在左侧有一个根,故 $F$ 恰有一个实根。这个例子提醒:罗尔定理给出的粗上界要结合极值符号才能收紧。

本地题源对应

本页对应考点 54:利用导数证明不等式考点 55:利用导数研究函数零点问题,并与“分式型函数求值域”资料形成方法边界:能代数解决时,要能说明为什么;需要研究变化、根数和最佳常数时,再让导数接手。

费曼复述卡

  1. 为什么 $e^x\ge x+1$ 的证明本质是最小值问题?
  2. 介值定理要先检查什么?
  3. “至多一个零点”和“恰有一个零点”分别缺哪一半论证?