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(十二)利用函数的单调性与极值讨论方程根的存在性及个数
例 证明下列方程根的问题:
(1)证明方程有且仅有一个实根。
证明:令
因为,
由根的存在定理知,在内至少有一个零点
再证只有一个实根:
因为,而,
故,即在上单调增加。故结论得证。
(2)设在上连续,当时。证明若,则方程 在上有且仅有一个实根
证明:由拉格朗日中值定理得使得
由,知。由连续函数的介值定理知:使;又因当时知在上严格递增,故只有一个实根
(3)设在上可导,若有实数使,证明方程最多只有一个实根
证明:设,则,即在上递减,故方程最多只有一个实根,从而方程最多只有一个实根
(4)设在上二阶可导,当时,证明方程在内有且只有一个实根
证明:因,所以单调减少。故当时
从而在上单调减少,所以方程在内最多只有一个实根
下面证明方程在内至少有一个实根:
,由泰劳公式
由知,存在使;在上利用根的存在性定理可得方程在内至少有一个实根
(5)研究方程的实根,
解:令,则,得驻点,
当时,,故在内单调增加;当时,,故在内单调减少。所以是在内的极大值也是最大值
下面讨论与轴的相对位置,由此可以讨论出的零点:
若,则无零点;若,则有唯一零点;若,则由在内单调增加及知在内有唯一零点;再由在内单调减少及知在内有唯一零点。
综上所述,当时方程没有实根,当时方程有一个实根,当时方程有两个实根。
(6)试确定方程根的个数,并指出每个根所在的范围
解:若设,则,很难求驻点。因此可考虑将方程变形为:(因不是方程的根).设,则,得驻点,易知在和上单调递增,在上单调递减。由,,,
故若,则,从而方程有一个根在内
若,则,从而方程有两个根,一个是,另一个在内
若,则,从而方程有三个根,分别在、、内
讨论下列方程的根:
(1)证明方程只有一个实根,其中
证明:设,由,及零点存在定理知至少有一个实根;又知单调递增,故得证
(2)讨论方程的根
解:设
若,,由知,方程只有一个根;若,因,方程无根
若,得唯一驻点,此时,因,故是的唯一极小值点。又当,方程有唯一根;当,方程无根;当,方程有两个根
(3)讨论方程的实根个数()
解:设,则,,易知在上递增、在上递减、在处取得极大值
若,即,无零点;若,即,有唯一一个零点
若,即,由知有两个零点
(4)设是方程的大于1的根,其中,证明
证明:设,由于在上,故 在上严格递增。又因为
==
当时,而;故由的严格递增性与连续函数的介值性知,方程的大于1的根在内取到,即
(5)设,确定的值使方程存在正根
证明:设,则,而在0点附近大于0,即在0点附近严格递增,即 ,使,又,所以 ,使,得证
(6)证明方程有两个不同的实根
证明:令,通过求导数可知在上递增,在上递减,在上递增;又.
于是有两个根:
(7)讨论方程有三个不同实根的条件
证明:设
若为的三个根,则,使即,由于,
必有,
即……………………………(*)
由于上述推导过程可逆,故当满足(*)式时方程有三个不同实根
(8)讨论方程有两个不同实根的条件
证明:设
若方程有两个不同实根,则,使,即;又有;因此有,即。由于上述推导过程可逆,故当时方程有两个不同实根
(9)设函数在上可导且,证明方程至多有一个实根
证明:设则故在上严格递增,所以方程至多有一个实根
(十三)利用函数的单调性证明不等式
例 证明下列不等式:
(1)证明
证明:根据所证的不等式的特征,构造一个与之相似的辅助函数,
设,因为,
所以单调增加,而。故,
即
(2)证明不等式
思路:显然可利用函数的单调性,但直接证明有困难,因此可把不等式变成等价的问题(因为,再用单调性进行论证。
证明:设。则
因此在上递增,故。
即,所以
(3)设,证明
证明:不等式变成等价的问题,再用单调性进行论证。
(4) 设,证明
证明:先证右边不等式:设,用单调性可得证
再证左边不等式:可设,用单调性可得证;也可以用拉格朗日中值定理证明
(5)证明:当时,
证明:先证右边不等式:设,用单调性可得证. 再证左边不等式:
法一、所证不等式等价于;设,则
再令,则,故递减,即
即,从而,得证
法二、设,则;在内,递增,所以,在内,递减,所以,
(6)
证明:设,则
所以在上严格递增,故
从而在上严格递增,故
(7)设为自然数,求证且
证明:设,则,易知,因为,所以当时递减趋于0,于是当时,故当时递减趋于0,从而,即,即
设,用同样的方法可证当时,即
即.故,即
,由迫敛性定理得
例 证明下列不等式:
(1)设函数在上可导,且,,求证:
证明:令。则,
其中在上有定义,满足
因为且,故在上有,
故有,即为上的递增函数,故有,从而有,又因为,所以在上有 ,特别有,得证。
(2)设在上单调增加且连续,求
分析与证明:引入新参数,设,易知,在上可导,且。
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