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函数y=f(x)可微与可导等价 [导函数中的不等价转化问题]

时间:2019-01-18 来源:东星资源网 本文已影响 手机版

  等价转化要求转化过程中前因后果是充分必要的,才保证转化后的结果仍为原问题的结果.不等价转化其过程是充分或必要的,要对结论进行必要的修正,它能给人带来思维的闪光点,找到解决问题的突破口.
  “转化与化归”思想是处理数学问题的一种基本策略.转化和化归就是对原问题换一个方式、换一个角度、换一个观点加以考虑,就是在数学研究中,把要解决的问题通过某种转化,再转化,化归为一类已经解决或比较容易解决的问题,从而使问题得到圆满解决的思维方法. 转化有等价转化与不等价转化.等价转化要求转化过程中前因后果是充分必要的,才保证转化后的结果仍为原问题的结果.不等价转化其过程是充分或必要的,要对结论进行必要的修正,它能给人带来思维的闪光点,找到解决问题的突破口.在高中数学中,经常出现许多导函数不等价性的结论,例如:f(x)在区间I上为增函数(或减函数),则f′(x)≥0(f′(x)≤0),反之f′(x)≥0(f′(x)≤0),则f(x)不一定是增函数(或减函数),同样f′(x?0)=0,则f(x)在x=x?0处不一定有极值,他们显然不是充要条件,但是在解题中,我们经常将他们当作等价命题来使用,不加检验,以致错解,本文对此进行探讨.
  问题情境一:
  导函数f′(x)>0是否是函数f(x)在I内单调递增的充要条件? 提示:否,例如函数y=x?3.
  变形:函数在y=ax?3-1(-∞,+∞)上减函数,则实数a的取值范围?
  错解:有的同学这样做 ∵函数y=ax?3-1在(-∞,+∞)上减函数.∴f′(x)≤0在(-∞,+∞)上恒成立,即3ax?2≤0,又x?2≥0,再采用分离系数得a≤0,所以a的取值范围为(-∞,0].
  以上解法是我们学生做这种题型的常见做法,但是这是错误.我们可以检验一下,当a=0时,y=-1在(-∞,+∞)上为常值函数,不具备单调性,显然a≠0,所以a的取值范围为(-∞,0).
  一、 探究错因
  我们说函数f(x)为增函数(或减函数)一定有f′(x)≥0(f′(x)≤0),在不改变单调性的情况下,使f′(x)=0成立的原因,无非两种情况:
  第一、在函数y=f(x)图像上存在有限个可疑点,使得f′(x)=0,但不影响其单调性,比如:y=x?3,在x=0时,f′(x)=0,但函数y=x?3在R上仍然为单调增函数.
  第二、在函数y=f(x)图像上存在无限多个可疑点,而且它们离散的,不构成区间,不影响函数的单调性,比如:y=x+?sin?x,令y′=1+?cos?x=0,则x=2k?π?+?π?(k∈Z),在所有的x=2k?π?+?π?(k∈Z)点处,y′=0,但函数y=x+?sin?x在R上仍然为单调函数.
  第三、这就是f(x)为增函数,f′(x)≥0中f′(x)=0产生的原因,反之,却不一定成立,即f′(x)≥0不一定有f(x)为增函数.
  
  因为在函数y=f(x)图像上可能存在无限多个可疑点,使得f′(x)=0,但它们是连续的,构成一个小区间,在这个区间上f(x)=c为常值函数,而常值函数没有单调性,这就是f′(x)≥0,f(x)不一定为增函数的原因,也就是说这两者是不等价的,它们是不等价性,不是充要条件,
  这就是本题产生错解的原因,所以对上述的结果必须要检验,因为它们是不等价性命题.
  二、 解决途径
  
  方案1:结合图像求解,如右图所示,由y=ax?3-1得y′=3ax?2.
  当a=0时,y=-1为常值函数,无单调性,故舍去;
  当a≠0时,y′=3ax?2≤0在R上恒成立,只要a<0.综上所述a<0.故a的取值范围为(-∞,0).
  方案2:利用f′(x)≤0, 并对a值检验,舍去多余的解,这种方法在前面已经叙述过.
  方案3:利用f′(x)<0,再补上相应的a值.因为y′<3ax?20,则f(x)在(0,1)上为增函数,又在x=0处,不讨论单调性,故f(x)在(0,1]上为增函数.综上所述:a的取值范围为[-1,+∞).
  例2 已知f(x)=2x?3-3(a+1)x?2+6ax+8,在(-∞,0)上为增函数,求a的取值范围.
  分析:先求导得:f′(x)=6x?2-6(a+1)x+6a,因为原函数在(-∞,0上为增函数.故此时,有两种方案:Ⅰ) 可以采用分离系数的方法,转化为恒成立问题,不过有点麻烦.
  Ⅱ) 上面已经讲过,可结合函数图像来求范围,下面我们结合图像来求解.
  又∵f′(x)=6x?2-6(a+1)x+6a=6(x-1)(x-a).
  所以,当a=1时,f′(x)=6(x-1)?2≥0,函数f(x)在(-∞,0)上为增函数,满足题意.
  当a>1时,在(-∞,1)上,f′(x)≥0,从而在(-∞,0)上f′(x)>0,故f(x)在(-∞,0)上为增函数.
  当a<1时,要使函数f(x)在(-∞,0)上为增函数,只要f′(x)≥0在(-∞,0)上恒成立,所以只要a≥0或f(0)≥0
  .综上所述:a的取值范围为[0,+∞).(结合图像求解,可能做法更精确)
  问题情境二:已知f(x)=x?3+3ax?2+bx+a?2在x=-1处有极值0,求a,b的值.
  错解:∵f(x)=x?3+3ax?2+bx+a ∴f′(x)=3x?2+6ax+b
  根据题意可得:-6a-b+3=0?
  a?2+3a-b-1=0
   . 解之得a=1?
  b=3或a=2?
  b=9
  实际上当a=1,b=3时,f′(x)=3x?2+6x+3=3(x+1)?2≥0,则f(x)在定义域上是增函数,无极值,舍去,所以a=2,b=9.
  有些同学不理解为什么要舍去一组解?在整个的解题过程中,好像没有问题.
  一、 探究错因:实际上同问题情境一的错因是一样的,都是解题过程中,未注意解题过程的不等价性,对所的结果未加检验造成的:f(x)在x=x?0处有极值,必有f′(x?0)=0,但f′(x?0)=0,并不意味着x=x?0是极值点.
  二、 解决途径:同上面的解法一样,不过要多一个检验的过程.
  三、 拓展结论:解决极值类问题,利用导数值为零,所得结果要检验.进而可以推广到一个常识性的结论:不等价性命题一定要检验,只有等价性命题不要检验.
  四、 应用结论
  例 求函数y=(x-1)?3+2的极值点.
  分析:∵y=(x-1)?3+2=x?3-3x?2+3x+1.∴y′=3x?2-6x+3=3(x-1)?2≥0,即f(x)在定义域上为增函数,∴f(x)的极值点不存在.但是,有点同学可能这样解∵y=x?3-3x?2+3x+1 ∴y′=3x?2-6x+3
  令y′=0,则x=1.∴x=1是极值点.
  这种解法显然是错误的,忽视了检验的过程,将不等价性的命题转化为等价性的命题来做,以致出错.
  通过以上问题的分析,在导函数问题中,存在许多不等价性的命题,在解题时,要慎重对待,多加检验,避免出错,同时我们更要记住:等价性命题无须检验,不等价性命题必须要检验.它在高中数学在很多地方出现.
  总之,转化思想是中学数学解题的重要思想方法,但并非万能的方法,即并不是所有的问题都可以通过转化而得到解决的.因此,我们不能只停留在转化的分析,而必须有创新的精神,不断地进行新的研究,在研究中获得新方法、新理论.
  
  【参考文献】
  [1] 孙翔峰 光明日报出版社 三维设计 2011.4
  [2] 薛金星 陕西人民教育出版社 中学教材全解2008.6

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