審題|對數型復合函數的綜合應用


前言

審題是求解數學題目之前,必須過好的一關,審題能力是解題的關鍵能力之一,本博文結合一個比較復雜的函數例子,說明該如何審題,如何組織解答過程,以期對學生的思維有所啟迪。

例說審題

【節選改編】已知函數 \(f(x)=\log _{a} x(a>0, a \neq 1)\), 若函數\(g(x)=ax^2-x\),且函數\(y\)\(=\)\(f[g(x)]\)在區間\([2,4]\)上是增函數, 求實數 \(a\) 的取值范圍 .

〔審題分析〕由於 \(g(x)=a x^{2}-x\), 則函數 \(y=f[g(x)]=\log _{a}\left(a x^{2}-x\right)\),則到此,我們知道題目給定了復合函數\(f[g(x)]\),內函數為\(g(x)\),外函數為\(f(x)\),題目要求復合函數在區間\([2,4]\)上是增函數,則我們需要考慮以下的因素:

①確定外函數的單調性,外函數是對數函數,底數不確定,故到時候需要針對底數分類討論(只能分類為\(0<a<1\)\(a>1\)兩種),因為只有針對底數分類討論才能說清楚外層的單調性;

②確定內函數的單調性,對於內層函數而言是二次函數,圖象為開口向上的拋物線,要確定其單調性,需要針對對稱軸\(x=\cfrac{1}{2a}\)和給定區間\([2,4]\)的位置關系分類,如果要內函數在\([2,4]\)上單調遞增,需要對稱軸在\(2\)的左側或\(2\)處,此時用表達式\(\cfrac{1}{2a}\leqslant 2\)來刻畫;如果要內函數在\([2,4]\)上單調遞減,需要對稱軸在\(4\)的右側或\(4\)處,此時用表達式\(\cfrac{1}{2a}\geqslant 4\)來刻畫;

③確保內函數在區間\([2,4]\)上都有意義,即確定內函數的定義域為\([2,4]\)(這一點容易遺忘),需要對\(\forall x\in [2,4]\)\(ax^2-x>0\)必須恆成立,但是我們不是把所有\(x\)都代入驗證,由於是恆成立問題,當內函數在區間\([2,4]\)上單調遞減時,只需要其最小值\(g(4)>0\)即可;當內函數在區間\([2,4]\)上單調遞增時,只需要其最小值\(g(2)>0\)即可,

當考慮清楚了以上的各種因素,我們就可以借助上述的分析框架,書寫解答過程了。

〔解答〕: 由於 \(g(x)=a x^{2}-x\), 則函數 \(y=f[g(x)]=\log _{a}\left(a x^{2}-x\right)\).

由函數 \(g(x)=a x^{2}-x\) 的圖象為開口向上的拋物線,對稱軸為直線 \(x=\cfrac{1}{2 a}\)

① 當 \(0<a<1\)時(外函數是單調遞減的),要使得復合函數 \(f[g(x)]\) 在區間 \([2,4]\) 上單調遞增,

\(g(x)=ax^2-x\)\([2,4]\)上單調遞減,且\(g(x)_{\min}>0\)

\(\left\{\begin{array}{l}\cfrac{1}{2 a} \geq 4\\ g(4)=16a-4>0\end{array}\right.\)

解得, \(a\in \varnothing\)

② 當 \(a>1\)時,要使得復合函數 \(f[g(x)]\) 在區間 \([2,4]\) 上單調遞增,

\(g(x)=ax^2-x\)\([2,4]\)上單調遞增,且\(g(x)_{\min}>0\)

\(\left\{\begin{array}{l}\cfrac{1}{2a} \leq 2\\ g(2)=4a-2>0\end{array}\right.\)

解得\(a>\cfrac{1}{2}\),又由於\(a>1\),故\(a>1\)

綜上, 滿足題意的實數 \(a\) 的取值范圍是 \((1,+\infty)\).


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