超越不等式解法思路


前言

超越不等式

如果不等式的兩邊至少有一個是超越函數,則稱這個不等式為超越不等式。如\(2^x>x-1\),包括指數不等式、對數不等式、三角不等式和反三角不等式等。

備注:代數函數[1];超越函數[2];代數不等式[3]

求解思路

例1 [思路1:換元法]求解關於\(x\)的不等式\((2^x)-3\cdot 2^x+2<0\)

分析:換元法,令\(2^x=t>0\),則原超越不等式可以等價轉化為代數不等式,不過是帶有條件的,比如\(t>0\);

轉化為\(t^2-3t+2<0(t>0)\),用求解代數不等式的相應方法求解,

解得\(1<t<2\),即\(1<2^x<2\),解得\(0<x<1\)

故所求的解集為\((0,1)\)

例2 [思路2:數形結合法]求解關於\(x\)的不等式 \(2^x\geqslant 3-x\)

分析:不能使用代數不等式的求解方法,故想到數形結合的思路,

在同一個坐標系中做出兩個函數\(y=2^x\)\(y=3-x\)的圖像,其交點往往比較特殊;

由圖像可知,不等式的解集為\([1,+\infty)\)

引申:上述例子中的圖像交點往往比較特殊,如果變為一般的情形呢?

例3 [思路3:數形結合+二分法]求解關於\(x\)的不等式\(2^x\geqslant 4-x\)

分析:絕大多數的題目的交點坐標往往比較特殊,我們都可以輕松解決;但不是所有題目都這樣,比如本題目;

此時我們還是有辦法的,就是用到零點存在性定理和二分法,

令函數\(f(x)=2^x+x-4\),則\(f(1)=-1<0\)\(f(2)=2>0\),故函數的零點\(x_0\)一定滿足\(x_0\in (1,2)\),能不能將有解區間再壓縮呢?

用二分法,求解\(f(1.5)=2^{1.5}+1.5-4\approx 0.3>0\),故有解區間壓縮為\((1,1.5)\)之間,

如果還嫌不夠,繼續求解\(f(1.25)=2^{1.25}+1.25-4\approx -0.45<0\)

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

故有解區間壓縮為\((1.25,1.5)\),假設此時我們覺得可以滿足要求了,那就可以停止二分法的操作,可以取值為\(x_0=1.3\)或者\(x_0=1.4\)

我們不妨就確定為\(x_0=1.3\),則此不等式的解集為\([1.3,+\infty)\)

例4 已知不等式\(lnx\leqslant kx\)的解集為\((0,+\infty)\),求參數\(k\)的取值范圍;

法1:【分離參數法】由於兩個函數\(y=lnx\)和函數\(y=kx\)的公共定義域為\((0,+\infty)\)

故題目可以轉化為\(k\geqslant \cfrac{lnx}{x}\)\((0,+\infty)\)上恆成立,

故需要求函數\(g(x)=\cfrac{lnx}{x}\)的最大值,

用常規的導數方法可以求得\(g(x)_{max}=\cfrac{1}{e}\)

\(k\geqslant \cfrac{1}{e}\);即參數\(k\)的取值范圍\([\cfrac{1}{e},+\infty)\)

法2:【數形結合+切線法】設函數\(y=kx\)與函數\(y=lnx\)切點為\(Q(x_0,y_0)\),則有

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

從而解得\(x_0=e,y_0=1,k=\cfrac{1}{e}\),故切點\(Q\)的坐標為\((e,1)\)

故直線\(y=kx\)和曲線\(y=lnx\)相切時的斜率\(k=\cfrac{1}{e}\)

故參數\(k\)的取值范圍\([\cfrac{1}{e},+\infty)\)


  1. 代數函數
    變量之間的關系是用有限次加、減、乘、除、乘方、開方運算表示的函數。如\(y=x^3+2x^2\)\(-x+1\)\(y=\sqrt{x-3}\)等; ↩︎

  2. 超越函數
    是指變量之間的關系不能用有限次加、減、乘、除、乘方、開方運算表示的函數。如對數函數\(y=log_2^x\),反三角函數如\(y=arcsinx\),指數函數如\(y=2^x\),三角函數如\(y=sinx\)等就屬於超越函數,它們屬於初等函數中的初等超越函數。對數和指數函數即為超越函數的例子。 ↩︎

  3. 代數不等式
    不等式兩邊的函數,如果都是代數函數,則稱這個不等式為代數不等式,如\(\cfrac{2}{x-1}>2x+1\);可以划分為有理不等式(整式不等式和分式不等式)和無理不等式; ↩︎


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