切线与割线斜率关系的深度探析.docx
切线与割线斜率关系的深度探析1. 问题提出文【 1】得出了如下的结论：设 yf (x) 是定义在 (a,b) 上的可导函数， 曲线 C : y f ( x) 上任意两个不同点的连线( 称为割线 )斜率的取值区间为P ，曲线 C 上任意一点处的切线斜率的取值范围为 Q ，则PQ ，而且 Q 中元素比 P 中元素至多多了区间 P 的端点值 .并指出，求解f ( x 1 )f ( x 2 ) x 1 x 2 的恒成立问题，可将f ( x 1 )f ( x 2 )转化为 f ( x).x 1 x 2 ，用导数法求解D ，然后再检验区间 D 的端点值是设用导数法求得参数取值区间为 否符合题意 .例如，已知f ( x)2x 21 ln x (x 0)，对于任意两个不等的正数x 1 , x 2 ，恒有xf ( x 1 ) f ( x 2 )x 1 x 2 ，求的取值范围 (四川 2006 高考题变式 ).【解】设g( x)g (x 1) g (x 2 )，由 g ( x)x 1 x 21对任意 x恒成立 . ①当 0 时，显然成立； ② 当0 时 ， 令 h ( x)x .3f ( x)14xx ， g (x) 42x 2，依条件x 2x 31 得 42x 21，以 1替换 x ，则有 2x 3x 24 1x 3xh(x) 2x 3x 2 4(x 0) ， h ( x) 6x 2 2 x ， 令x(0,)3( ,)33h ( x) 0h(x)h( )33h( x)minh( )274 .32x 3x 2若 h(x)min0 ，则 h( x) min 0 ，此时4 1 对任意 x0 不能恒成立，故3必有 h( x)min0 ，此时 h( x) minh( x)min274 ，依条件有34 1273 3 3 .34 027综上得33 3.下面检验端点333是否符合题意. 当333 时 ，f ( 1x )f (2 x )1x2x 4 x 1 x 2 33 313x 1x 2x 1 x 2 33 3或x 12 x 22 x 1 x 2x 1x 215x 1x 2x 1 x 2 33 3恒成立 .x 1x 2由 于 3x 1x 2x 1 x 2 3x 1 x 2 23x 1x 2 1 1 3 3 3 ( 当 x 1x 2 33x 1 x 2 x 1x 2x 1 x 2x 1x 23时取等号 )，故3 3 3 符合题意，因而333.反思上述解法，总感到美中不足.因为在检验 3 33 是否符合题意时得另起炉灶，检 验过程不轻松，且不容易想到.那么是否有一种融解答与检验为一体的导数解法呢？要回答 这个问题， 关键得弄清如下实质问题： 何时曲线的割线斜率取值范围等于切线斜率的取值范围，即 P Q ？何时 P ? Q ，且 Q 比 P 多了区间 P 的端点值？这些端点值究竟是何值？曲线上与这些端点值对应点的位置在哪里？2. 结论构建定理 设 yf (x) 是定义在连通开区间I (I R) 上的二阶可导函数，其对应曲线C 上任意两点的连线斜率的取值集合为P ，曲线 C 上任意一点处的切线斜率取值集合为Q ，则(1) PQ ；(2) 当曲线 C 不存在拐点时，P Q ；(3) P ? Q曲线上存在这样的拐点， 使得平行于该拐点处切线的任意直线与曲线C 至多有一个交点；(4) 在 (3)的前提下，设所有这样的拐点处的切线斜率组成的集合为S ，则 e Q P S .引理 1函数 yf ( x) 在 (a,b) 内二阶可导，则曲线 y f ( x) 在 ( a, b) 内上凸 (或下凸 )的x(a, b) ， f (x)0 (或 0 )，且在 ( a, b) 的任何子区间上 f ( x) 不恒为 0 .引理 2曲线的向上凸与向下凸部分的分界点称为该曲线的拐点.若 y f ( x) 在一个连 通开区间 I 上二阶可导，则( x 0 , f ( x 0 )) 为曲线 yf ( x) 拐点的必要条件是f ( x 0 ) 0 .下面给出定理的证明 .(1)x 1, x 2 I ，设 x 1 x 2 ，由于 f ( x) 在 x 1 , x 2 上连续，在 (x 1, x 2 ) 内可导，由拉格朗日中值定理可得， 在开区间 (a, b) 内至少存在一点，使 f ( )f ( x 1 )f ( x 2 )，故PQ .x 1 x 2(2) 由于曲线 C 不存在拐点，故曲线 C 的凸性确定 .不妨m设下凸 .设 l 是曲线 C 的任意一条切线，则 C 必在 l 的上方，Fl将 l 向上平移很小一段距离至直线m ，则 m 必与 C 交于两个 EE不同的点 E, F ，割线 EF 的斜率等于 l 的斜率，故 Q P ，但由 (1)知 PQ ，故 P Q .(3) 一方面，因曲线 C 存在这样的拐点，使平行于该拐点处切线的任意直线与C 至多有 一个交点，故曲线 C 上任意两点的连线斜率都不等于该拐点处切线的斜率， P? Q ，充分性得证 .另一方面，由于 P ? Q ，故 k Q ，但 kP ，令曲线在点 ( x 0 , f (x 0 )) 处的切线为 l ，其斜率为 k ，若 ( x 0 , f ( x 0 )) 不是拐点， 则必存在开区间 I 0 I ，使 得 x 0 I 0 ，且曲线在 I 0上凸性确定 .由 (2) 的证明知， 曲线在 I 0 上必存在某两点的割线斜率等于k ，故 k P 与 k P矛盾，故 (x 0 , f ( x 0 )) 一定是拐点，又 k P ，故曲线 C 不存在与 l 平行的割线，也即平行于 拐点 ( x 0, f (x 0 )) 处切线的任意直线与曲线至多有一个交点.必要性得证 .(4) 由 (3) 的证明易知结论成立 . 由定理知，对于二阶可导曲线C : y f ( x) ，有①当且仅当曲线 C 不存在拐点，或对曲线C 的每一个拐点，都存在平行于该拐点处切2线的直线与曲线 C 至少有两个交点时， PQ .②可导曲线 C 的切线斜率的取值区间 Q 至多比割线斜率的取值区间P 多了区间 P 的端点值 .这些端点值就是定理结论 (3)条件中的拐点处切线的斜率.对于只有一个拐点的二阶可导函数，有如下的推论当曲线 C 只有一个拐点 A ( x 0 , f ( x 0 )) 时，必有 P ? Q ，而且 e Q Pf (x 0 ) .证明：根据定理结论(3)，只需要证明斜率为kf ( x 0 ) 的任意直线与曲线C 至多有一个交点即可 .设斜率为 kf ( x 0 ) 的任意一条直线为g (x)kx b .考察方程 f ( x) g( x)0在 I 上解的个数 .令 h(x)f (x)g ( x)f ( x) kx b ，Ah (x) f( x) kf (x) f (x 0 ) .因为曲线 C 只有一个拐点 A( x 0, f (x 0 )) ，故在拐点的两侧曲线 C 的凸性相反 .不妨设左侧上凸，右侧下凸 .则当 x x 0 时， f ( x) 0 ，故 f (x) ， h ( x) f ( x) f ( x 0 ) 0 ；当 xx 0 时， f ( x) 0 ，故 f (x)， h ( x)f ( x) f ( x 0 ) 0 .故 h(x) 在 I 上 ，故 f ( x) g( x)0 至多有一解，即直线 g( x) kxb 与曲线 C 的交点至多一个，根据定理 (3)(4) 推论得证 .定理及推论反映了曲线切线斜率与割线斜率之间的具体关系， 为借助切线斜率求解割线斜率范围问题提供了一种新方法.【例】已知曲线 C : ye 2 x 3e x ( x R) 任意不同两点的连线斜率为k ，求 k 的取值范围 .解y2e 2 x 3e x 2(e x3) 2 9 9 ，又 y4e 2x 3e x e x (4e x3) .4 88当 xln 3时 y 0 ，曲线上凸；当 x ln3时 y0 ，曲线下凸，故曲线在x ln3444处是一个拐点，而y99) .3，根据推论， k 的取值范围为 (,x曹军，《中学数学杂志》 2010 年 11 月.【附】文【 1】主要结论 f (x 1) f (x 2 )x 1 x 2定理 设 yf (x) 在 (a, b) 内可导，连结其图象上任意两点A, B 的割线斜率为 k AB ，图象上任意一点处的切线斜率为 k ，则(1) 若 k m ，则 k AB m ；若 k m ，则 k AB m 或 k AB m .(2)若 k ABm ，则 k m 或 k m ；若 k AB m ，则 k m .证明：设A( x 1 , f ( x 1 )) ， B(x 2 , f ( x 2 )) 是曲线 yf ( x) 图象上任意不同的两点 .(1) 不妨设 x 1x 2 ，由拉格朗日中值定理可知，在( x 1 , x 2 ) 内至少存在一点，使f ( )f ( x 1 )f ( x 2 ).x 1 x 2由于 k m ，故 f ( )m ，故 k ABm .其余类似 .(2) 设 x 2x 1x( x 0) ， k ABf ( x 2 )f ( x 1 ) f ( x 1x) f ( x 1)m ， 则x2x 1xlim f (x 1x)f ( x 1 )lim mm ，即 f (x)m .其余类似 .x 0xx3。
谈曲线割线与中切线斜率关系问题的通用解法
x 2 x1 2
即 ] 0，
x x1 f (x2 ) f (x1) )。 f '( 2 2 x2 x1
【例 4】已知函数 f (x) x ln x, (x 0) ， x1 , x2 ( x1 x2 ) 为函数图像上任意两 点的横坐标，求证：
（ （ⅱ） 若 f (x) 0 有两个实根， 分别为 x1, x 试比较 2 x1 x2 ) ，
f '( x2 x1 ) 的大小。 2
通法： （ⅰ）易求得 a 的取值范围为 a 0或a 1；
f (x2 ) f (x1) 与 x2 x1
（ⅱ） 由于 f (x) e ax 1， 故 f ' (x) e a ， 进而 f ' ' (x) f ' ' ' (x) e 0 ， 。
a 0 时，有
f (x2 ) f (x1) f (x2 ) f (x1) x x f ' ( x2 x1 ) ； a 0 时，有 f '( 2 1 ) 。 x2 x1 x2 x1 2 2
x
【例 3】已知函数 f (x) e ax 1.
3
（ⅰ）若 f (x) 0 仅有一个实根，求实数 a 的取值范围；
x1 , x 2 D , 且 x1 x 2 ：若 f ''(x) 单调递增，则有
若 f ''(x) 为常数，则有
f (x2 ) f (x1) x x f '( 2 1 ) ； x2 x1 2
f ( x2 ) f ( x1 ) x x f ' ( 2 1 ) ；若 f ''(x) 单调递减，则有 x2 x1 2
浅谈“割线与切线”的斜率之间的关系——由学生的提问所引发的教学探究
解法 ２ 设所截 ３ 段的长分别为 口 ６ｚ 口 ，，一 一
步探讨
浅 谈 “割 线 与 切 线 ＂的 斜 率 之 间 的 关 系
— —
由学生 的提 问所 引发 的教学探究
（ 白水高级中学 湖北枣阳 ４１１） ４２４
●张 琴字
问题 １ 已知 曲线 Ｃ： ｈ一 ｅ（ ｙ＝ｅ ２ ∈Ｒ） 任 上
同样可得 ＝ ， ÷ 也就是说不同的实数组（ ６ 可 ，）
以得 到相 同Βιβλιοθήκη 的 ， ， 此 与 口 Ｙ与 ｂ构 成 的并 不 Ｙ因 ， 是一 一 对应 的等 价关 系 ， 解 法 ２是 不 正 确 的． 故 有
兴趣 的读者不妨对这 ２个相似背景 问题 中的锐角
图５ 图６
三角形 、 直角三角形及钝角三角形的概率问题作进
２ 一 ｌ ２ 一 １
结论
已 知 函 数 ｆ（ 是 定 义 在 连 续 区 间 ）
（ｃＲ 上 的可导 函数 ． 曲线 Ｃ： 厂 ） 任 意 ２ Ｉ ） ＿ 若 Ｙ＝ （ 上
个点连线的斜率 的取值 范 围为集 合 Ａ 其导 函数 ， ’ 的值 域为集 合 Ｂ， 有 以下 结论 ： （ ） 则
综 上所 述 ， 论得 证． 结 例 女 Ⅱ ）＝ （ ∈Ｒ） ．
在 该 函数 的 图 像 上任 取 ２个 点 （ ， ， ： ，Ｙ ） （ ， Ｙ ） ≠ ）过 这 ２ 点 连线 的斜 率 （ ， 个
ｋ： 二 ： ＿＝ ：％ １∈ Ｒ ， － ２ ＿ ＝ ％ ＝一 ＿ ＝一 － １＋ ２＋ ，∈ ．
ｒ ０＜ａ＜Ｚ ； ｒ ＜口＜Ｚ ０ ；
则 题 目就可 以转 化 为如 下 的 问题 ：
Ｏ －
｛＜ ＜； 即 ０ ｂ ￡ 【 ｂｚ ０ ｛＜ ＜； ０ ｚ口 ｂ ｚ 【＜ ＋ ＜， ＜一 一 ＜， ０ ０ ｂ ２
微分法新规应用5切线 曲线的切线和斜率
切线 向上的方向 与自变量轴的 正方向的夹角 称 为 倾 斜 角 ， 切线倾斜角的正切称为切线的斜率。
ⅰ.曲线 C： y = f (x) 的切线斜率是
k = tanα = f ′( x) = dy = lim f (x + dx) − f (x) ，
dx dx→0
dx
这里自变量轴是 x 轴，其中切线的倾斜角是 α （右手坐标系
长线。
图3
【说明】如图3， A(CB) 是曲线 y = f (x) 上，对应 x 轴上(微分)
点 x∽x+dx 处放大表示的光滑微分点， rt△ACB 是点 A(CB) 内的微分三角形。在此点内弧 � AB 和直线 AB 重合，直线 AB 的延长线就是切线 AT ；其斜），极 限 lim f (x + dx) − f (x) 也可记作 lim f (x + ∆x) − f (x) ，它提供
dx→0
dx
∆x→0
∆x
了利用割线 PT 变化的斜率的极限去无限逼近切线斜率的方
法。
ⅱ曲线 C 的方程也可用 y = f (x) 的反函数 x = f −1( y) = φ( y) 表 示 ，
边的比 dy = tanα = f ′(x) 。
dx
图1 这个观点可以揭示现代微分学中通用的切线定义的真谛。 图1中，所谓“Q 点沿着曲线 C 无限地接近 P 点时，割线 PQ
的极限位置”其本质就是进入了微分点 P（Q）的内部，这时
曲线 P(Q) 就是点内微分三角形的斜边 P(Q) (请注意，这时图1 把点 P(Q) 内部的微分三角形放大并移到了另外位置)，微 分 点 内斜边 P(Q) 的延长线就是切线 PT。 4.“光滑微分点”的现实原型
切线与割线斜率关系的深度探析
( x0, f ( x0 ) ) 一定是拐点. 又 k % P, 所以曲线 C 不存
22
在与 l 平行的割线, 也即平行于拐点 ( x0, f ( x0 ) ) 处 切线的任意直线与曲线 C 至多有一个交点, 必要性 成立.
( 4) 由 ( 3) 的证明易知结论成立.
由上述定理 可知, 对于 二阶 可导 曲线 C: y = f (x ) 有: ∋ 当且仅当曲线 C 不存在拐点, 或对曲线 C
和 F, 割线 EF 的斜率等于切线 l的斜率, 所以 Q ! P, 又由 ( 1) 知 P ! Q, 所以 P = Q;
( 3) 一方面, 因为曲线 C 存在这样的拐点, 使得
平行于该拐点处切线的任意直线与曲线 C 至多有一 个交点, 所以曲线 C 上任意两点的连线的斜率都不等
于该拐点处切线的斜率, 所以 P Q, 充分性成立;
,
+
#
上 递 增, 所以
h( x ) m in
=
h(
1 3
)
=-
1 27
3+
4.
若 h( x ) min ! 0, 则 | h (x ) |m in = 0, 此时 | 2x3 -
x2 + 4 | > 1对任意的 x > 0 不能恒成立, 故必有
h ( x )m in
>
0, 此时
| h(x)
|m in =
x
x2 2
12
-
3
33 x1 x2
>
1
3x1 x2 +
x1 + x2 x1 x2
>
3
33
或
5x1 x2
+
浅谈高中物理中切线斜率和连线斜率
一般地,如 果 纵 坐 标 物 理 量 为 横 坐 标 物 理 量 在
某方面的积累效果,或 者 某 物 理 量 的 定 义 为 微 分 形
式 ,那 么 应 该 看 “切 线 斜 率 ”,如 果 某 物 理 量 的 定 义 为
C.对应 P 点,小灯泡的电阻为 R =I2U-1I1 D.对应 P 点,小 灯 泡 电 阻 为 图 中 矩 形 PQOM 所围的面积
解 析:P 点的电阻R =UI21 为PO 连线的斜率,故 AB 为正确答案.
【例3】在如图4所示电路中,闭合开关 S,当滑 动变 阻 器 的 滑 片 P 向 下 滑 动 时,4 个 理 想 电 表 的 示 数 都发生变化,电表的示数分别用I,U1,U2 和U3 表 示,电表示数变化量的 大 小 分 别 用 ΔI,ΔU1,ΔU2 和 ΔU3 表示.下列比值正确的是( )
值形式,故 它 的 连 线 的 斜 率 表 示 电 阻.类 似 的 F q
图像应该看 “连线斜率”.
特例:
1)电容器的电容由C=UQ 定义,也可以用C=
ΔQ ΔU
来 计 算 .如 果 用 Q
U
图像表示电容器存储电荷
量 与 极 板 电 压 之 间 的 关 系 ,那 么 图 像 一 定 是 过 原 点
的直线,“切线斜率”与“连 线 斜 率”完 全 一 致,无 需
区分.
2)电路中,定值电阻R=UI =ΔΔIU,可变电阻只
能用 R =UI 来计算. (3)斜 率 的 正 负 号 具 有 什 么 意 义 ? 一般地,如 果 “比 值”所 反 映 的 物 理 量 是 矢 量,
斜率的正负号具有方向意义;如果“比 值”所 反 映 的
割线斜率和区间中点处切线斜率关系的探究
注：（1）中的函数包括二次函数、一次函数和常数函
数.
证明：（1）k= （ f x1）－（ f x2） x1－x2
= px21+qx1+r-（px22+qx2+r） x1－x2
=（x1－x2）（px1+px2+q） x1－x2
=px1+px2+q，
2 2 f′
x1+x2 2
=2p
x1+x2 2
+q=px1+px2+q，
+f′
x2+x3 2
+f′
x3+x1 2
与3k的大小，并证明.
参考文献： 1.崔志 荣 ，吴 彤.揭 示 背 景 ，改 编 考 题— ——记2011年 辽宁省高考数学压轴题的本质探究［J］.数学通讯（下 ）， 2014（3）. 2.顾卫，朱自梅.会当 凌 绝 顶 ，一 览 众 山 小— ——从 一 道高考模拟题的命制背景谈起［J］.数学通讯（下 ），2015 （2）. F
0=kAB=kCD+kE（ F 结论2） >g（ ′ x0）+h（ ′ x0） =f（ ′ x0）（ . 结论2）
故f（ ′ x0）<0. 例2 （2011年江苏高考预测卷）已知函数（ f x）=2lnx－
x（ 2 x>0）.
（1）求函数（ f x）的单调区间与最值；
， （2）若方程2xlnx+mx－x3=0在区间 1 ，e 内有两个 e
2015 年 8 月
lnx－ax2+（2－a）x.
（Ⅰ）讨论（ f x）的单调性；
2 2 （Ⅱ）设a>0，证明：当0<x< 1 时，f 1 +x >f 1 －x ；
切线与割线斜率关系的深度探析
切线与割线斜率关系的深度探析1.问题提出文【1】得出了如下的结论：设()y f x =是定义在(,)a b 上的可导函数，曲线:()C y f x =上任意两个不同点的连线(称为割线)斜率的取值区间为P ，曲线C 上任意一点处的切线斜率的取值范围为Q ，则P Q ⊆，而且Q 中元素比P 中元素至多多了区间P 的端点值. 并指出，求解1212()()f x f x x x -∨-的恒成立问题，可将1212()()f x f x x x --转化为()f x '，用导数法求解.设用导数法求得参数取值区间为D ，然后再检验区间D 的端点值是否符合题意. 例如，已知21()2ln (0)f x x x x xλ=++>，对于任意两个不等的正数12,x x ，恒有1212()()f x f x x x ''->-，求λ的取值范围(四川2006高考题变式). 【解】设21()()4g x f x x x x λ'==-+，322()4g x x xλ'=+-，依条件1212()()1g x g x x x ->-，由()1g x '>得32241x xλ+->，以1x 替换x ，则有32241x x λ-+>对任意0x >恒成立.①当0λ≤时，显然成立；②当0λ>时，令32()24(0)h x x x x λ=-+>，2()62h x x x λ'=-，令()03h x x λ'=⇒=.min ()()4327h x h λλ∴==-+. 若min ()0h x ≤，则min ()0h x =，此时32241x xλ-+>对任意0x >不能恒成立，故必有min ()0h x >，此时3min min ()()427h x h x λ==-+，依条件有33412704027λλλ⎧-+>⎪⎪⇒<<⎨⎪-+>⎪⎩综上得λ<.下面检验端点λ=是否符合题意.当λ=时，1212()()f x f x x x ''->-12221241x x x x +⇔+>1212123x x x x x x +⇔+>或1212125x x x x x x ++<. 由于1212121212333x x x x x x x x x x ++>=≥(当12x x =时取等号)，故λ=符合题意，因而λ=反思上述解法，总感到美中不足.因为在检验λ=验过程不轻松，且不容易想到.那么是否有一种融解答与检验为一体的导数解法呢？要回答这个问题，关键得弄清如下实质问题：何时曲线的割线斜率取值范围等于切线斜率的取值范围，即P Q =？何时P Q Ø，且Q 比P 多了区间P 的端点值？这些端点值究竟是何值？曲线上与这些端点值对应点的位置在哪里？2.结论构建定理 设()y f x =是定义在连通开区间()I I R ⊆上的二阶可导函数，其对应曲线C 上任意两点的连线斜率的取值集合为P ，曲线C 上任意一点处的切线斜率取值集合为Q ，则(1)P Q ⊆；(2)当曲线C 不存在拐点时，P Q =；(3)P Q ⇔Ø曲线上存在这样的拐点，使得平行于该拐点处切线的任意直线与曲线C 至多有一个交点；(4)在(3)的前提下，设所有这样的拐点处的切线斜率组成的集合为S ，则Q P S =ð. 引理1 函数()y f x =在(,)a b 内二阶可导，则曲线()y f x =在(,)a b 内上凸(或下凸)的(,)x a b ⇔∀∈，()0f x ''≤(或0≥)，且在(,)a b 的任何子区间上()f x ''不恒为0.引理2 曲线的向上凸与向下凸部分的分界点称为该曲线的拐点.若()y f x =在一个连通开区间I 上二阶可导，则00(,())x f x 为曲线()y f x =拐点的必要条件是0()0f x ''=.下面给出定理的证明.(1)12,x x I ∀∈，设12x x <，由于()f x 在[]12,x x 上连续，在12(,)x x 内可导，由拉格朗日中值定理可得，在开区间(,)a b 内至少存在一点ξ，使1212()()()f x f x f x x ξ-'=-，故P Q ⊆. (2) 由于曲线C 不存在拐点，故曲线C 的凸性确定.不妨设下凸.设l 是曲线C 的任意一条切线，则C 必在l 的上方，将l 向上平移很小一段距离至直线m ，则m 必与C 交于两个不同的点,E F ，割线EF 的斜率等于l 的斜率，故Q P ⊆，但由(1)知P Q ⊆，故P Q =.(3)一方面，因曲线C 存在这样的拐点，使平行于该拐点处切线的任意直线与C 至多有一个交点，故曲线C 上任意两点的连线斜率都不等于该拐点处切线的斜率，P Q ∴Ø，充分性得证.另一方面，由于P Q Ø，故k Q ∃∈，但k P ∉，令曲线在点00(,())x f x 处的切线为l ，其斜率为k ，若00(,())x f x 不是拐点，则必存在开区间0I I ⊆，使 得00x I ∈，且曲线在0I 上凸性确定.由(2)的证明知，曲线在0I 上必存在某两点的割线斜率等于k ，故k P ∈与k P ∉矛盾，故00(,())x f x 一定是拐点，又k P ∉，故曲线C 不存在与l 平行的割线，也即平行于拐点00(,())x f x 处切线的任意直线与曲线至多有一个交点.必要性得证.(4)由(3) 的证明易知结论成立.由定理知，对于二阶可导曲线:()C y f x =，有①当且仅当曲线C 不存在拐点，或对曲线C 的每一个拐点，都存在平行于该拐点处切EF l E m线的直线与曲线C 至少有两个交点时，P Q =.②可导曲线C 的切线斜率的取值区间Q 至多比割线斜率的取值区间P 多了区间P 的端点值.这些端点值就是定理结论(3)条件中的拐点处切线的斜率.对于只有一个拐点的二阶可导函数，有如下的推论 当曲线C 只有一个拐点A 00(,())x f x 时，必有P Q Ø，而且{}0()Q P f x '=ð.证明：根据定理结论(3)，只需要证明斜率为0()k f x '=的任意直线与曲线C 至多有一个交点即可.设斜率为0()k f x '=的任意一条直线为()g x kx b =+.考察方程()()0f x g x -=在I 上解的个数.令()()()()h x f x g x f x kx b =-=--，0()()()()h x f x k f x f x ''''=-=-.因为曲线C 只有一个拐点00(,())A x f x ，故在拐点的两侧曲线C 的凸性相反.不妨设左侧上凸，右侧下凸.则当0x x <时，()0f x ''<，故()f x '，0()()()0h x f x f x '''=->；当0x x >时，()0f x ''>，故()f x '，0()()()0h x f x f x '''=->.故()h x 在I上，故()()0f x g x -=至多有一解，即直线()g x kx b =+与曲线C 的交点至多一个，根据定理(3)(4)推论得证.定理及推论反映了曲线切线斜率与割线斜率之间的具体关系，为借助切线斜率求解割线斜率范围问题提供了一种新方法.【例】已知曲线2:3()x x C y e e x R =-∈任意不同两点的连线斜率为k ，求k 的取值范围. 解 22399232()488xx x y e e e '=-=--≥-，又243(43)x x x x y e e e e ''=-=-. 当3ln 4x <时0y ''<，曲线上凸；当3ln 4x >时0y ''>，曲线下凸，故曲线在3ln 4x =处是一个拐点，而3498x y ='=-，根据推论，k 的取值范围为9(,)8-+∞. 曹军，《中学数学杂志》2010年11月.【附】文【1】主要结论1212()()f x f x x x -∨-定理 设()y f x =在(,)a b 内可导，连结其图象上任意两点,A B 的割线斜率为AB k ，图象上任意一点处的切线斜率为k ，则(1) 若k m >，则AB k m >；若k m ≥，则AB k m >或AB k m ≥.(2)若AB k m >，则k m >或k m ≥；若AB k m ≥，则k m ≥.证明：设11(,())A x f x ，22(,())B x f x 是曲线()y f x =图象上任意不同的两点.(1)不妨设12x x <，由拉格朗日中值定理可知，在12(,)x x 内至少存在一点ξ，使1212()()()f x f x f x x ξ-'=-. 由于k m >，故()f m ξ'>，故AB k m >.其余类似.(2)设21(0)x x x x =+∆∆≠，211121()()()()AB f x f x f x x f x k m x x x-+∆-==>-∆，则1100()()lim lim x x f x x f x m m x ∆→∆→+∆-≥=∆，即()f x m '≥.其余类似. A。
切线与割线斜率关系的深度探析
切线与割线斜率关系的深度探析1.问题提出文【1】得出了如下的结论：设()y f x =是定义在(,)a b 上的可导函数，曲线:()C y f x =上任意两个不同点的连线(称为割线)斜率的取值区间为P ，曲线C 上任意一点处的切线斜率的取值范围为Q ，则P Q ⊆，而且Q 中元素比P 中元素至多多了区间P 的端点值. 并指出，求解1212()()f x f x x x -∨-的恒成立问题，可将1212()()f x f x x x --转化为()f x '，用导数法求解.设用导数法求得参数取值区间为D ，然后再检验区间D 的端点值是否符合题意. 例如，已知21()2ln (0)f x x x x xλ=++>，对于任意两个不等的正数12,x x ，恒有1212()()f x f x x x ''->-，求λ的取值范围(四川2006高考题变式). 【解】设21()()4g x f x x x x λ'==-+，322()4g x x xλ'=+-，依条件1212()()1g x g x x x ->-，由()1g x '>得32241x x λ+->，以1x 替换x ，则有32241x x λ-+>对任意0x >恒成立.①当0λ≤时，显然成立；②当0λ>时，令32()24(0)h x x x x λ=-+>，2()62h x x x λ'=-，令()03h x x λ'=⇒=.min ()()4327h x h λλ∴==-+. 若min ()0h x ≤，则m in ()0h x =，此时32241x xλ-+>对任意0x >不能恒成立，故必有min ()0h x >，此时3min min ()()427h x h x λ==-+，依条件有33412704027λλλ⎧-+>⎪⎪⇒<<⎨⎪-+>⎪⎩. 综上得λ<.下面检验端点λ=是否符合题意.当λ=时，1212()()f x f x x x ''->-12221241x x x x +⇔+>1212123x x x x x x +⇔+>或1212125x x x x x x ++<. 由于1212121212333x x x x x x x x x x ++>=≥(当12x x =时取等号)，故λ=符合题意，因而λ=反思上述解法，总感到美中不足.因为在检验λ=验过程不轻松，且不容易想到.那么是否有一种融解答与检验为一体的导数解法呢？要回答这个问题，关键得弄清如下实质问题：何时曲线的割线斜率取值范围等于切线斜率的取值范围，即P Q =？何时P Q Ø，且Q 比P 多了区间P 的端点值？这些端点值究竟是何值？曲线上与这些端点值对应点的位置在哪里？2.结论构建定理 设()y f x =是定义在连通开区间()I I R ⊆上的二阶可导函数，其对应曲线C 上任意两点的连线斜率的取值集合为P ，曲线C 上任意一点处的切线斜率取值集合为Q ，则(1)P Q ⊆；(2)当曲线C 不存在拐点时，P Q =；(3)P Q ⇔Ø曲线上存在这样的拐点，使得平行于该拐点处切线的任意直线与曲线C 至多有一个交点；(4)在(3)的前提下，设所有这样的拐点处的切线斜率组成的集合为S ，则Q P S =ð. 引理1 函数()y f x =在(,)a b 内二阶可导，则曲线()y f x =在(,)a b 内上凸(或下凸)的(,)x a b ⇔∀∈，()0f x ''≤(或0≥)，且在(,)a b 的任何子区间上()f x ''不恒为0.引理2 曲线的向上凸与向下凸部分的分界点称为该曲线的拐点.若()y f x =在一个连通开区间I 上二阶可导，则00(,())x f x 为曲线()y f x =拐点的必要条件是0()0f x ''=.下面给出定理的证明.(1)12,x x I ∀∈，设12x x <，由于()f x 在[]12,x x 上连续，在12(,)x x 内可导，由拉格朗日中值定理可得，在开区间(,)a b 内至少存在一点ξ，使1212()()()f x f x f x x ξ-'=-，故P Q ⊆. (2) 由于曲线C 不存在拐点，故曲线C 的凸性确定.不妨设下凸.设l 是曲线C 的任意一条切线，则C 必在l 的上方，将l 向上平移很小一段距离至直线m ，则m 必与C 交于两个不同的点,E F ，割线EF 的斜率等于l 的斜率，故Q P ⊆，但由(1)知P Q ⊆，故P Q =.(3)一方面，因曲线C 存在这样的拐点，使平行于该拐点处切线的任意直线与C 至多有一个交点，故曲线C 上任意两点的连线斜率都不等于该拐点处切线的斜率，P Q ∴Ø，充分性得证.另一方面，由于P Q Ø，故k Q ∃∈，但k P ∉，令曲线在点00(,())x f x 处的切线为l ，其斜率为k ，若00(,())x f x 不是拐点，则必存在开区间0I I ⊆，使 得00x I ∈，且曲线在0I 上凸性确定.由(2)的证明知，曲线在0I 上必存在某两点的割线斜率等于k ，故k P ∈与k P ∉矛盾，故00(,())x f x 一定是拐点，又k P ∉，故曲线C 不存在与l 平行的割线，也即平行于拐点00(,())x f x 处切线的任意直线与曲线至多有一个交点.必要性得证.(4)由(3) 的证明易知结论成立.由定理知，对于二阶可导曲线:()C y f x =，有①当且仅当曲线C 不存在拐点，或对曲线C 的每一个拐点，都存在平行于该拐点处切EF l E m线的直线与曲线C 至少有两个交点时，P Q =.②可导曲线C 的切线斜率的取值区间Q 至多比割线斜率的取值区间P 多了区间P 的端点值.这些端点值就是定理结论(3)条件中的拐点处切线的斜率.对于只有一个拐点的二阶可导函数，有如下的推论 当曲线C 只有一个拐点A 00(,())x f x 时，必有P Q Ø，而且{}0()Q P f x '=ð.证明：根据定理结论(3)，只需要证明斜率为0()k f x '=的任意直线与曲线C 至多有一个交点即可.设斜率为0()k f x '=的任意一条直线为()g x kx b =+.考察方程()()0f x g x -=在I 上解的个数.令()()()()h x f x g x f x kx b =-=--，0()()()()h x f x k f x f x ''''=-=-.因为曲线C 只有一个拐点00(,())A x f x ，故在拐点的两侧曲线C 的凸性相反.不妨设左侧上凸，右侧下凸.则当0x x <时，()0f x ''<，故()f x ' ，0()()()0h x f x f x '''=->；当0x x >时，()0f x ''>，故()f x ' ，0()()()0h x f x f x '''=->.故()h x 在I 上 ，故()()0f x g x -=至多有一解，即直线()g x kx b =+与曲线C 的交点至多一个，根据定理(3)(4)推论得证.定理及推论反映了曲线切线斜率与割线斜率之间的具体关系，为借助切线斜率求解割线斜率范围问题提供了一种新方法.【例】已知曲线2:3()x x C y e e x R =-∈任意不同两点的连线斜率为k ，求k 的取值范围. 解 22399232()488xx x y e e e '=-=--≥-，又243(43)x x x x y e e e e ''=-=-. 当3ln 4x <时0y ''<，曲线上凸；当3ln 4x >时0y ''>，曲线下凸，故曲线在3ln 4x =处是一个拐点，而3498x y ='=-，根据推论，k 的取值范围为9(,)8-+∞. 曹军，《中学数学杂志》2010年11月.【附】文【1】主要结论1212()()f x f x x x -∨-定理 设()y f x =在(,)a b 内可导，连结其图象上任意两点,A B 的割线斜率为AB k ，图象上任意一点处的切线斜率为k ，则(1) 若k m >，则AB k m >；若k m ≥，则AB k m >或AB k m ≥.(2)若AB k m >，则k m >或k m ≥；若AB k m ≥，则k m ≥.证明：设11(,())A x f x ，22(,())B x f x 是曲线()y f x =图象上任意不同的两点.(1)不妨设12x x <，由拉格朗日中值定理可知，在12(,)x x 内至少存在一点ξ，使1212()()()f x f x f x x ξ-'=-. 由于k m >，故()f m ξ'>，故AB k m >.其余类似.(2)设21(0)x x x x =+∆∆≠，211121()()()()AB f x f x f x x f x k m x x x-+∆-==>-∆，则1100()()lim lim x x f x x f x m m x ∆→∆→+∆-≥=∆，即()f x m '≥.其余类似. A。
伏安特性曲线中的切线斜率和割线斜率的辨析
‘ｊｊ
ｒ ｒ
＾ ｒ Ｔ
ｒ Ｔ
线性关系时，旱 才等 ，在 Ｕ与Ｉ为非线性关系时， ≠
Ｊ
‘ Ｊ
ｌ
Ａ ｒ ｒ
，所 以在小灯 泡的伏安 特性 曲线中 ，各 点对应的斜 率 的倒
‘Ｊ』
数并不表示该 电压下 的电阻值 ，该 电压下 的 电阻值 应等 于该
点对应的 电压与 电流 的 比值 ．”这 两份 资料 单独看似 乎都有
甚至产生电火花和电弧 ，从 而导致火 灾 ．“热 得快”是一种存 在极大安全隐患的电器 ，操 作不 当、忘记 断电等都会 引起 触 电、火 灾等安全事故 ．作为一种利用镍铁合金 电热丝发热 、作 用于液体 的小型快速 电加热器 ，其大功率 设定对 产品的安全
接触到人 体的脸部 、手等部位 ，将酿成 十分严 重的烫伤事 故 ． 故绝不 能打开正在使用的高压锅 ，必须等 待高压锅冷 却下来 后 ，才可取下 限压阀．再打开高压锅 ．
图 ｌ
道理 ，一 比较 ，就会发现 问题来 了 — — 在小灯泡 的伏安特性
Ｔ Ｔ
Ａ Ｔ ｒ
曲线中到底是 哪两 个 量 的 比值 才是 电阻 值 呢？ 还 是ｚ百￣ｔ＿Ｊ
』
‘Ｊ』
呢？要辨析 这个 问题 ，我们 首先 要明 白物 理 图象的切线 斜率
切线 的斜率通常具有一定的物理意义 ，但不 同的图线 其 切线斜率表达 的物理意义是 不一样 的 ，例如 ，速度 一时间关 系（ 一ｔ）图线 的切线斜率表示速度变化的快慢 ，即瞬时加
（可以看作 是平 行光）照射到这个相 当于凸透镜 的饮料瓶时 ， 立珍爱生命 、注意安 全 的生 活态度 ，遇 到危 险能够果 断正 当 它就会 把太 阳光会聚在这个 凸透镜 的焦点 上 ，于是在焦 点处 地进行 自护 自救 ，机智勇敢地采取措施 ．
函数图象的割线斜率与切线斜率的关系 (2019高考)数学考点分类解析
函数图象的割线斜率与切线斜率的关系题 1 (2010年高考辽宁卷理科第21(2)题)已知函数1,1ln )1()(2-<+++=a ax x a x f .如果对任意2121214)()(),,0(,x x x f x f x x -≥-+∞∈，求a 的取值范围.(答案：2-≤a .)题2(2009年高考辽宁卷理科第21(2)题)已知函数1,ln )1(21)(2>-+-=a x a ax x x f .证明：若5<a ，则对任意2121),,0(,x x x x ≠+∞∈，有1)()(2121->--x x x f x f .题3 (2009年高考浙江卷理科第10题)对于正实数α，记αM 为满足下述条件的函数)(x f 构成的集合：∈∀21,x x R 且12x x >，有)()()()(121212x x x f x f x x -<-<--αα.下列结论中正确的是( )(答案：C.)A.若21)(,)(ααM x g M x f ∈∈，则21)()(αα⋅∈⋅M x g x fB.若21)(,)(ααM x g M x f ∈∈且0)(≠x g ，则21)()(ααM x g x f ∈C.若21)(,)(ααM x g M x f ∈∈，则21)()(αα+∈+M x g x fD.若21)(,)(ααM x g M x f ∈∈且21αα>，则21)()(αα-∈-M x g x f题4(2006年高考四川卷理科第22(2)题)已知函数)(),0(ln 2)(2x f x x a xx x f >++=的导函数是)(x f '，21,,4x x a ≤是不相等的正数，求证：2121)()(x x x f x f ->'-'.深入研究这四道高考题(除题8是选择压轴题外，其余三道都是解答压轴题的最后一问)，可得函数图象的割线斜率与切线斜率的关系：定理 设∈a R ，函数)(x f 在区间I 上可导，则 (1)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≤'∈∀⇔≤--)(,)()(2121；(2)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≤'∈∀⇔<--)(,)()(2121且∀区间I I ⊂0，当0I x ∈时a x f =')(不能恒成立；(3)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≥'∈∀⇔≥--)(,)()(2121；(4)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≥'∈∀⇔>--)(,)()(2121且∀区间I I ⊂0，当0I x ∈时a x f =')(不能恒成立；(5)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≤'∈∀⇔≤--)(,)()(2121；(6)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≤'∈∀⇔<--)(,)()(2121且∀区间I I ⊂0，当0I x ∈时a x f =')(及a x f -=')(均不能恒成立；(7)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≥'∈∀⇔≥--)(,)()(2121；(8)2121,,x x I x x ≠∈∀有a x f I x a x x x f x f ≥'∈∀⇔>--)(,)()(2121且∀区间I I ⊂0，当0I x ∈时a x f =')(及a x f -=')(均不能恒成立.为证明定理，须介绍两个引理，它们在《数学分析》中均可找到(比如文献[1],[2])： 引理 1 若函数)(x f 在区间I 上可导，则)(x f 在I 上单调不减(不增)的充要条件是0)()(≤≥'x f 在I x ∈时恒成立.(注：若2121,,x x I x x <∈∀有)()()(21x f x f ≥≤，则称)(x f 在区间I 上单调不减(不增).)引理 2 若函数)(x f 在区间I 上可导，则)(x f 在I 上严格递增(递减)⇔在I 上0)()(≤≥'x f 且对于任意的区间I I ⊂0，当0I x ∈时0)(='x f 不能恒成立.(注：若2121,,x x I x x <∈∀有)()()(21x f x f ><，则称)(x f 在区间I 上严格递增(递减).)定理的证明 设ax x f x h ax x f x g +=-=)()(,)()(. (1)左边2121,,x x I x x ≠∈∀⇔有2121212211,,0])([])([x x I x x x x ax x f ax x f ≠∈∀⇔≤----有0)()(2121≤--x x x g x g )(x g ⇔在I上单调不增0)()(≤-'='⇔a x f x g ⇔右边.(2)左边2121,,x x I x x ≠∈∀⇔有2121212211,,0])([])([x x I x x x x ax x f ax x f ≠∈∀⇔<----有0)()(2121<--x x x g x g )(x g ⇔在I 上严格递减0)()(≤-'='⇔a x f x g (用引理2，这里省去了一些文字的叙述，下同)⇔右边.(3)同(1)可证. (4)同(2)可证.(5)左边2121,,x x I x x ≠∈∀⇔有21212121,,)()(x x I x x a x x x f x f a ≠∈∀⇔≤--≤-有⇔⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≥--≤--0)()(0)()(21212121x x x h x h x x x g x g ⇔⇔⎪⎭⎪⎬⎫⎩⎨⎧ 减上在上在单调不)(单调不增)(I x h I x g 右边. (6)左边2121,,x x I x x ≠∈∀⇔有21212121,,)()(x x I x x a x x x f x f a ≠∈∀⇔<--<-有⇔⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>--<--0)()(0)()(21212121x x x h x h x x x g x g ⇔⇔⎪⎭⎪⎬⎫⎩⎨⎧ 上严格递增在上严格递减在I x h I x g )()(右边. (7) 2121,,x x I x x ≠∈∀有⇔≥--a x x x f x f 2121)()(2121,,x x I x x <∈∀有a x x x f x f ≥--1212)()(或⇔-≤--a x x x f x f 1212)()(2121,,x x I x x <∈∀有)()(21x g x g ≤或⇔≥)()(21x h x h0)(,≥'∈∀x g I x 或⇔≤'0)(x h a x f I x ≥'∈∀)(,或⇔-≤'a x f )(a x f I x ≥'∈∀)(,(8)同(7)可证.题5 已知函数∈++-=b a b ax x x f ,()(23R )的图象上任意不同的两点连线的斜率小于1，求a 的取值范围.解 由定理9(2)，得123)(2≤+-='ax x x f 在∈x R 时恒成立，即01232≥+-ax x 恒成立，所以]3,3[,012)2(2-∈≤-=∆a a .所以所求a 的取值范围是]3,3[-.注 由定理9(1)知，若把例1中的“小于”改成“不大于”，所得答案不变.还可验证：当0,3==b a 时，233)(x x x f +-=的图象上任一割线的斜率小于1，但图象在拐点(即凹凸性的分界点，其二阶导数值为0，参见文献[2]或[3])31处切线的斜率为1(图1).图1题6 (2013年福建省厦门一中月考试题)已知函数∈++-=b a b ax x x f ,()(23R )(1)若函数)(x f y =的图象上任意两个不同的点连线斜率小于1，求证：33<<-a ；(2)若]1,0[∈x ，且函数)(x f 的图象上任意一点处的切线斜率为k ，试证明1≤k 的充要条件为31≤≤a .由题5的结论可知，题6的第(1)问是错题(可得第(2)问是正确的). 下面用定理给出题1~4的简解.题3的简解 αM 即满足条件“∈∀21,x x R ，有α<--2121)()(x x x f x f ”的函数)(x f 构成的集合.由定理(6)，得αM 即满足条件“∈≤'x x f ()(αR )且对于任意的区间I I ⊂0，当0I x ∈时a x f =')(及a x f -=')(均不能恒成立”的函数)(x f 的集合.由此及绝对值不等式可证得选项C 成立(且可排除选项A 、B 、D)，所以选C.题2的简解 由定理(4)知只需证明“当0>x 时1)(-≥'x f 且1)(-='x f 只能在一些孤立点上成立”：11)12(1121)(->----=--≥--+='a a a a a xa x x f所以要证结论成立.(并且还可得：当51≤≤a 时，结论也成立.)题1的简解)0(21)(>++='x ax xa x f .由定理(7)知题设即421)(≥---='ax xa x f 在0>x 时恒成立，由1-<a 及均值不等式可得所求a 的取值范围是]2,(--∞.注 下面把题1中的题设“1-<a ”改成“∈a R ”，再来求解： 此时题意即“421≥++ax xa 在0>x 时恒成立，求a 的取值范围”.当1-<a 时，已得2-≤a ；当01≤≤-a 时，可得函数)0(21)(>++=x ax xa x g 是单调减函数，可得此时不满足题设；当0>a 时，由均值不等式可得1≥a .所以所求a 的取值范围是),1[]2,(+∞⋃--∞. 题4的简解 设xax x x f x g +-='=222)()(，即证1)()(2121>--x x x g x g . 由定理(8)知，只需证明：当0>x 时1)(≥'x g ，即)0(14223>>-+x xax 只需证 )0(14223>>-+x x a x 即 )0(222>>++x a xx x这由均值不等式及题设可证：a xx x ≥>⋅≥++4432232 所以欲证成立.注 由以上简解知，把题4中的“4≤a ”改成“343⋅≤a ”后所得结论也成立.参考文献1 刘玉琏，傅沛仁.数学分析讲义(上册)[M].3版.北京：高等教育出版社，19922 华东师范大学数学系编.数学分析(上册)[M].3版.北京：高等教育出版社，2001用排除法简解2015年高考全国卷I 理科第12题高考题 (2015年高考全国卷I 理科第12题)设函数f (x )＝e x (2x －1)－ax ＋a ，其中a <1，若存在唯一的整数x 0使得f (x 0)<0，则a 的取值范围是( )A.3,12e ⎡⎫-⎪⎢⎣⎭ B.33,2e 4⎡⎫-⎪⎢⎣⎭C.33,2e 4⎡⎫⎪⎢⎣⎭D.3,12e ⎡⎫⎪⎢⎣⎭解法1 (数形结合法)D.令g (x )＝e x (2x －1)，得g ′(x )＝e x (2x ＋1).由g ′(x )>0得x >－12，由g ′(x )<0得x <－12，所以函数g (x )在11,,,22⎛⎫⎛⎫-∞-+∞ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭上分别是减函数、增函数． 又函数g (x )在x <12时g (x )<0，在x >12时g (x )>0，所以其大致图象如图1所示．图1直线y ＝ax －a 过点(1，0)．若a ≤0，则f (x )<0的整数解有无穷多个，因此只能a >0. 结合函数图象可知，存在唯一的整数x 0，使得f (x 0)<0，即存在唯一的整数x 0，使得点(x 0，ax 0－a )在点(x 0，g (x 0))的上方，得x 0只能是0，所以实数a 应满足⎩⎪⎨⎪⎧f （－1）≥0，f （0）<0，f （1）≥0，即⎩⎪⎨⎪⎧－3e －1＋2a ≥0，－1＋a <0，e ≥0，解得32e≤a <1.即实数a 的取值范围是3,12e ⎡⎫⎪⎢⎣⎭.解法2 (分离常数法)D.令1+=t x 后，得题设即关于t 的不等式)0(1)e (21≠<++t at t t 有唯一的整数解.若0t >，由a <1，可得1(21)e (21)e t t t t at ++>+>>所以题设即关于t 的不等式1(21)e(0)t t at t ++<<即1(21)e (0)t t a t t++><有唯一的整数解，也即关于t 的不等式1(21)e (1)t t a t t++>≤-有唯一的整数解. 设1(21)e ()(1)t t g t t t ++=≤-，得12e ()(1)(21)(1)t g t t t t t+'=+-≤-，所以函数)(t g 在(,1]-∞-上是增函数，得最大值为(1)1g -=.又lim ()0,(1)1t g t g →-∞=-=，由此可作出函数)(t g 的图象如图2所示：图2注意到图象()y g t =过点32,2e B ⎛⎫- ⎪⎝⎭且1<a ，所以由图2可得： 当32ea <时，满足()g t a >的整数t 有2,1--，所以此时不满足题意. 当1e23<≤a 时，满足()g t a >的整数t 只有1-，所以此时满足题意. 得所求a 的取值范围是3,12e ⎡⎫⎪⎢⎣⎭. 解法3 (排除法)D.当0a =时，不等式f (x )<0即e x (2x －1)<0也即12x <，它有无数个整数解，不满足题设.由此可排除选项A,B.令g (x )＝e x (2x －1)，得g ′(x )＝e x (2x ＋1).由g ′(x )>0得x >－12，由g ′(x )<0得x <－12，所以函数g (x )在11,,,22⎛⎫⎛⎫-∞--+∞ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭上分别是减函数、增函数．又g ′(0)＝1，所以可得曲线()y g x =在点(0,1)-处的切线为1y x =-，如图3所示．图3所以当a <1且1a →时满足题设(此时满足题设的唯一整数x 0=0).由此可排除选项C. 所以选D.注 小题不大做，还是解法3(排除法)简洁.本题对函数与方程思想、数形结合思想、分类讨论思想都有所考查.例谈用验证法解题——2010年高考数学安徽卷理科第20题的另解题1 解方程：(1)2121+=+x x ；(2)c c x x 11-=-；(3)c c x x 11+=+. 解 (1)容易观察出212，=x 均是该方程的解.按常规方法解此方程时，先去分母得到一元二次方程，该一元二次方程最多两个解，再检验(舍去使原方程中分母为零的解)，所以原方程最多有两个解.而已经找到了原方程的两个解212，=x ，所以这两个解就是原方程的所有解. (2)同理，可得原方程的所有解是cc x 1-=，. (3)容易观察出cc x 1，=均是该方程的解.同上得原方程最多有两个解，而已经找到了原方程的两个解cc x 1，=(因为对于任意的非零实数c ，c 和c 1都是原方程的解，所以应当把c 和c1理解成原方程的两个解)，所以这两个解就是原方程的所有解.题2 解方程22=+++x x x .解 设函数2)(+++=x x x x f ，易知它是增函数，所以方程2)(=x f 至多有一个根(当2在函数)(x f 的值域中时有一个根，否则没有根)，……所以原方程的根是2=x .题3 已知1tan ,51cos sin ->=+ααα，求αtan . 解 由⎪⎩⎪⎨⎧=+=+1cos sin 51cos sin 22αααα及“勾三股四弦五”可以猜出该方程组有两组解：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-==53cos 54sin αα 或 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=54c o s 53s i n αα 该方程组即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=1sin 51sin sin 51cos 22αααα 因为关于αsin 的一元二次方程1sin 51sin 22=⎪⎭⎫⎝⎛-+αα最多有两个解，所以该方程组也最多有两组解，......所以上面猜出的两组解就是该方程组的全部解， (4)3tan -=α. 题4]1[ (2007年高考陕西卷理科第22(1)题)已知各项全不为零的数列}{k a 的前k 项和为k S ，且∈=+k a a S k k k (211N*)，其中11=a ，求数列}{k a 的通项公式. 解 由题设得kk k k k a a a a a S a )(22211+++==+ ，所以当k a a a ,,,21 确定时，1+k a 也唯一确定.所以由11=a 知，数列}{k a 是唯一确定的.可以观察出k a k =满足题设的所有条件，所以数列{}k 是满足题设的唯一数列，得k a k =.另解 (2),2)()((211111k k k kk k k k k k k k S S S S S k S S S S a a S +-=≥--==-++-+因为)2)(01≥≠=--k a S S k k k ①由题设得3,121==S S ，再由①知{}k S 是唯一确定的数列⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎩⎨⎧≥-==-2,1,11k S S k S a k k k .再同上得k a k =.题5]1[ (2005年高考江苏卷第23(1)(2)题)设数列}{n a 的前n 项和为n S ，已知11,6,1321===a a a ，且∈+=+--+n B An S n S n n n ()25()85(1N*)，其中B A ,为常数.(1)求A 与B 的值；(2)证明数列}{n a 为等差数列；解 (1)8,20-=-=B A . (2) ∈-+--+=+n n n S n n S n n (8582085251N*)，11=S ②所以{}n S 是唯一确定的数列，}{n a 也是唯一确定的数列.又由11,6,1321===a a a 知，若}{n a 为等差数列，则45-=n a n ，于是)35(21-=n n S n . 容易验证)35(21-=n n S n 满足②，所以题中的45),35(21-=-=n a n n S n n ，}{n a 为等差数.题6]2[ 已知数列}{n a 满足nn a a a n n ++==+2111,21，求n a ； 解 首先，由首项211=a 及递推关系nn a a n n ++=+211知，满足题意的数列}{n a 是唯一确定的.所以，若能找到一个数列满足该题目的所有条件，则该数列的通项公式就是所求的答案.易得⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-=+=-+n k n k n n n n a a n n 111111121，即nk a n1-=（k 是常数）满足递推关系n n a a n n ++=+211，再由211=a ，得n a n123-=满足题目的所有条件，所以本题的答案就是na n 123-=.题7]2[ 已知数列}{n a 满足n n a n n a a 1,3211+==+，求n a . 解 易知本题的答案是是唯一确定的，所以只需寻求一个数列满足该题目的所有条件.易得k nk n kn n a a n n (111+=+=+是非零常数），即n k a n =满足递推关系n n a n na 11+=+，再由321=a ，得n a n 32=满足题目的所有条件，所以本题的答案就是na n 32=.注 因为绝大部分求数列通项公式的题目答案都是唯一的，所以只要能观察或求出满足所有题设的一个通项公式，则该通项公式就是所求的唯一答案.对于要求解的问题Ω，若能证明它最多有n n (是确定的正整数)个解，又找出了它的n 个解n ωωω,,,21 ，则这n 个解就是该问题的所有解.这就是本文要阐述的用验证法解题.下面再用这种方法解答一道高考题：题8 (2010·安徽·理·20)设数列 ,,,,21n a a a 中的每一项都不为0.证明{}n a 为等差数列的充分必要条件是：对任何∈n N*，都有1113221111++=+++n n n a a na a a a a a .证明 先证必要性.若数列{}n a 是公差为d 的等差数列： 当0=d 时，易得欲证成立.当0≠d 时，有⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++-+-=++++++1132232112132211111n n n n n n a a a a a a a a a a a a d a a a a a a 111111111322111111111111+++++=-⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n n n n n a a na a a a d a a d a a a a a a d再证充分性.只需对)3(≥n n 用数学归纳法证明加强的结论：若),,3,2(1111113221n i a a ia a a a a a i i i ==+++++恒成立，则n a a a ,,,21 成等差数列，且na a n 1≠. 当3=n 时成立：当2=i 时，得2313132212,211a a a a a a a a a =+=+，所以321,,a a a 成等差数列，还可证313a a ≠(因为由313a a =可得023131313334=-=--+=+=a a a a a d a a ，而由3=i 时成立立知)04≠a .假设kn ,,4,3 =时成立：即ka a a ,,,21 成等差数列，且ka a a a a a k 11413,,4,3≠≠≠. 由k i ,,3,2 =时均成立及kaa a a a a k 11413,,4,3≠≠≠知，当21,a a 确定时，数列121,,,+n a a a 也是确定的，而由必要性的证明知，由21,a a 确定的等差数列121,,,+n a a a 满足题设，所以由题设及21,a a 确定的数列就是这个等差数列，即121,,,+n a a a 成等差数列，同上还可证111+≠+k a a k ，即1+=k n 时成立.所以要证结论成立，得充分性成立.参考文献1 甘志国.例谈用验证法求数列通项[J].中学数学月刊，2008(3)：462 甘志国著.初等数学研究(II)上[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.416-417用排除法简解2015年高考全国卷I 理科第12题高考题 (2015年高考全国卷I 理科第12题)设函数f (x )＝e x (2x －1)－ax ＋a ，其中a <1，若存在唯一的整数x 0使得f (x 0)<0，则a 的取值范围是( )A.3,12e ⎡⎫-⎪⎢⎣⎭ B.33,2e 4⎡⎫-⎪⎢⎣⎭C.33,2e 4⎡⎫⎪⎢⎣⎭D.3,12e ⎡⎫⎪⎢⎣⎭解法1 (数形结合法)D.令g (x )＝e x (2x －1)，得g ′(x )＝e x (2x ＋1).由g ′(x )>0得x >－12，由g ′(x )<0得x <－12，所以函数g (x )在11,,,22⎛⎫⎛⎫-∞-+∞ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭上分别是减函数、增函数． 又函数g (x )在x <12时g (x )<0，在x >12时g (x )>0，所以其大致图象如图1所示．图1直线y ＝ax －a 过点(1，0)．若a ≤0，则f (x )<0的整数解有无穷多个，因此只能a >0. 结合函数图象可知，存在唯一的整数x 0，使得f (x 0)<0，即存在唯一的整数x 0，使得点(x 0，ax 0－a )在点(x 0，g (x 0))的上方，得x 0只能是0，所以实数a 应满足⎩⎪⎨⎪⎧f （－1）≥0，f （0）<0，f （1）≥0，即⎩⎪⎨⎪⎧－3e －1＋2a ≥0，－1＋a <0，e ≥0，解得32e≤a <1.即实数a 的取值范围是3,12e ⎡⎫⎪⎢⎣⎭.解法2 (分离常数法)D.令1+=t x 后，得题设即关于t 的不等式)0(1)e (21≠<++t at t t 有唯一的整数解.若0t >，由a <1，可得1(21)e (21)e t t t t at ++>+>>所以题设即关于t 的不等式1(21)e(0)t t at t ++<<即1(21)e (0)t t a t t++><有唯一的整数解，也即关于t 的不等式1(21)e (1)t t a t t++>≤-有唯一的整数解. 设1(21)e ()(1)t t g t t t ++=≤-，得12e ()(1)(21)(1)t g t t t t t+'=+-≤-，所以函数)(t g 在(,1]-∞-上是增函数，得最大值为(1)1g -=.又lim ()0,(1)1t g t g →-∞=-=，由此可作出函数)(t g 的图象如图2所示：图2注意到图象()y g t =过点32,2e B ⎛⎫- ⎪⎝⎭且1<a ，所以由图2可得： 当32ea <时，满足()g t a >的整数t 有2,1--，所以此时不满足题意. 当1e23<≤a 时，满足()g t a >的整数t 只有1-，所以此时满足题意. 得所求a 的取值范围是3,12e ⎡⎫⎪⎢⎣⎭. 解法3 (排除法)D.当0a =时，不等式f (x )<0即e x (2x －1)<0也即12x <，它有无数个整数解，不满足题设.由此可排除选项A,B.令g (x )＝e x (2x －1)，得g ′(x )＝e x (2x ＋1).由g ′(x )>0得x >－12，由g ′(x )<0得x <－12，所以函数g (x )在11,,,22⎛⎫⎛⎫-∞--+∞ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭上分别是减函数、增函数．又g ′(0)＝1，所以可得曲线()y g x =在点(0,1)-处的切线为1y x =-，如图3所示．。