超越不等式解法思路


前言

超越不等式

如果不等式的两边至少有一个是超越函数,则称这个不等式为超越不等式。如\(2^x>x-1\),包括指数不等式、对数不等式、三角不等式和反三角不等式等。

备注:代数函数[1];超越函数[2];代数不等式[3]

求解思路

例1 [思路1:换元法]求解关于\(x\)的不等式\((2^x)-3\cdot 2^x+2<0\)

分析:换元法,令\(2^x=t>0\),则原超越不等式可以等价转化为代数不等式,不过是带有条件的,比如\(t>0\);

转化为\(t^2-3t+2<0(t>0)\),用求解代数不等式的相应方法求解,

解得\(1<t<2\),即\(1<2^x<2\),解得\(0<x<1\)

故所求的解集为\((0,1)\)

例2 [思路2:数形结合法]求解关于\(x\)的不等式 \(2^x\geqslant 3-x\)

分析:不能使用代数不等式的求解方法,故想到数形结合的思路,

在同一个坐标系中做出两个函数\(y=2^x\)\(y=3-x\)的图像,其交点往往比较特殊;

由图像可知,不等式的解集为\([1,+\infty)\)

引申:上述例子中的图像交点往往比较特殊,如果变为一般的情形呢?

例3 [思路3:数形结合+二分法]求解关于\(x\)的不等式\(2^x\geqslant 4-x\)

分析:绝大多数的题目的交点坐标往往比较特殊,我们都可以轻松解决;但不是所有题目都这样,比如本题目;

此时我们还是有办法的,就是用到零点存在性定理和二分法,

令函数\(f(x)=2^x+x-4\),则\(f(1)=-1<0\)\(f(2)=2>0\),故函数的零点\(x_0\)一定满足\(x_0\in (1,2)\),能不能将有解区间再压缩呢?

用二分法,求解\(f(1.5)=2^{1.5}+1.5-4\approx 0.3>0\),故有解区间压缩为\((1,1.5)\)之间,

如果还嫌不够,继续求解\(f(1.25)=2^{1.25}+1.25-4\approx -0.45<0\)

\(2^{1.25}=2^{\frac{5}{4}}=2\cdot 2^{\frac{1}{4}}=2\cdot \sqrt{\sqrt{2}}=2\cdot \sqrt{1.414}=\approx 2\times 1.15\approx 2.3\)

故有解区间压缩为\((1.25,1.5)\),假设此时我们觉得可以满足要求了,那就可以停止二分法的操作,可以取值为\(x_0=1.3\)或者\(x_0=1.4\)

我们不妨就确定为\(x_0=1.3\),则此不等式的解集为\([1.3,+\infty)\)

例4 已知不等式\(lnx\leqslant kx\)的解集为\((0,+\infty)\),求参数\(k\)的取值范围;

法1:【分离参数法】由于两个函数\(y=lnx\)和函数\(y=kx\)的公共定义域为\((0,+\infty)\)

故题目可以转化为\(k\geqslant \cfrac{lnx}{x}\)\((0,+\infty)\)上恒成立,

故需要求函数\(g(x)=\cfrac{lnx}{x}\)的最大值,

用常规的导数方法可以求得\(g(x)_{max}=\cfrac{1}{e}\)

\(k\geqslant \cfrac{1}{e}\);即参数\(k\)的取值范围\([\cfrac{1}{e},+\infty)\)

法2:【数形结合+切线法】设函数\(y=kx\)与函数\(y=lnx\)切点为\(Q(x_0,y_0)\),则有

\(\begin{cases} y_0=kx_0 \\ y_0=lnx_0 \\ k=f'(x_0)=\cfrac{1}{x_0}\end{cases}\)

从而解得\(x_0=e,y_0=1,k=\cfrac{1}{e}\),故切点\(Q\)的坐标为\((e,1)\)

故直线\(y=kx\)和曲线\(y=lnx\)相切时的斜率\(k=\cfrac{1}{e}\)

故参数\(k\)的取值范围\([\cfrac{1}{e},+\infty)\)


  1. 代数函数
    变量之间的关系是用有限次加、减、乘、除、乘方、开方运算表示的函数。如\(y=x^3+2x^2\)\(-x+1\)\(y=\sqrt{x-3}\)等; ↩︎

  2. 超越函数
    是指变量之间的关系不能用有限次加、减、乘、除、乘方、开方运算表示的函数。如对数函数\(y=log_2^x\),反三角函数如\(y=arcsinx\),指数函数如\(y=2^x\),三角函数如\(y=sinx\)等就属于超越函数,它们属于初等函数中的初等超越函数。对数和指数函数即为超越函数的例子。 ↩︎

  3. 代数不等式
    不等式两边的函数,如果都是代数函数,则称这个不等式为代数不等式,如\(\cfrac{2}{x-1}>2x+1\);可以划分为有理不等式(整式不等式和分式不等式)和无理不等式; ↩︎


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