本题导读
本题考查切线方程。核心在于代数变形法/直接观察符号、构造函数法/单变量固定法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2022年北京卷) 已知函数 .
(Ⅰ)求曲线 在点 处的切线方程;
(Ⅱ)设 ,讨论函数 在 上的单调性;
(Ⅲ)证明:对任意的 ,有 .
🔍【思路分析】
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第(Ⅰ)问(切线方程):直接对 求导,求出 得到切点纵坐标,求出 得到切线斜率,代入点斜式即可。
第(Ⅱ)问(单调性讨论):求出 后,再次求导得到 。这里有两种处理方式:一是常规的换元或二次求导寻找极值点;二是直接将括号内的部分项通分,利用 的条件直接判断各项符号为正,从而得出 (此法更优)。
第(Ⅲ)问(不等式证明):典型的双变量不等式证明,常用“固定一元,主元另一元”的构造函数法。固定 ,构造函数 ,对其求导后,利用第(Ⅱ)问中 单调递增的结论,可判断 ,从而将不等式转化为单调性问题加以证明。
✅【答案】
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(1)
(2) 在 上单调递增
(3) 证明见解析
✍【详细解析】
Abstract
(Ⅰ)求曲线 在点 处的切线方程
对函数 求导,利用乘法求导法则可得:
将 代入原函数,得 ,所以切点为 。
将 代入导函数,得 ,故在 处的切线斜率为 。
因此,切线方程为 ,化简得:
(Ⅱ)讨论函数 在 上的单调性
由(Ⅰ)知:。
对其求导得:
提取公因式 ,并将中括号内的后两项进行通分合并:
g'(x) = e^x \left[ \ln(x+1) + \frac{2}{x+1} - \frac{1}{(x+1)^2} \right]$$$$= e^x \left[ \ln(x+1) + \frac{2(x+1) - 1}{(x+1)^2} \right]$$$$= e^x \left[ \ln(x+1) + \frac{2x+1}{(x+1)^2} \right]
因为 ,所以:
;
且 ;
指数函数 恒成立。
综上所述,当 时,必有:
故 在 上恒成立。
因此,函数 在 上单调递增。
(注:原解法一通过令 再构造函数 求二次导数的方法稍显繁琐,此处直接通分判断符号为最优解法。)
(Ⅲ)证明:对任意的 ,有
证明:
要证明 ,即证明 。
我们可以固定变量 (将 视为常数),构造关于 的函数:
设 ,其中 。
对函数 求导(注意 对 求导为 ):
由(Ⅱ)的结论可知, 在 上单调递增。
因为 ,所以 。
根据 的单调递增性质,必定有:
即 对任意 恒成立。
这说明构造的函数 在 上是单调递增的。
因为 ,所以 。
而我们计算 的值:
所以 ,即:
移项即可得到:
命题得证。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
导数符号的直接判断技巧:在求出导函数后,不要盲目地继续求二阶导。应该先尝试通分、因式分解、提取公因式,观察剩余部分的结构。如本题第(Ⅱ)问,通分后 在 时显然为正,结合 ,快速求解导数符号,避免了陷入二次求导的泥潭。
“固定一元”构造函数法:处理双变量不等式 时,最有效的方法之一是将其中一个变量(如 )看作常数参数,将另一个变量(如 )看作自变量构造单变量函数 。然后利用求导考察 的单调性,借助端点值(如 )来得出不等关系。这是高考导数压轴题中最经典的模型之一。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源:待补
结论推广:待补
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