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用最低的姿態(tài),,說最流行的 “切線不等式”

 酒戒齋 2021-06-02

01

記憶中的切線不等式


切線不等式,,對于很多同學來說,一定是很熟悉的吧,?

但是,,對于你來說,是不是也象大多數同學一樣,,只是記住了幾個簡單的結論而已,?

就像是眾所周知的:


當然,可能也還會有更多其它的,。

比如:

可是,,知道這么多,就真的認為有用了么,?

答案是肯定的,。

那就是——對很多同學來說,

這些結論,,可能真的竟,!


其實說真的,是不是在解題時,,壓根就沒想到過切線不等式呢,?

或者說,根本就是不知道,,這個切線不等式,,到底是用來干什么的吧!

如果真的是這樣,,歸根結底的原因,,當然是對其理論知識的理解還有欠缺了。


02

不得不說的凹凸性


要說切線不等式,,不能不說說函數的凹凸性,。

什么叫凹函數和凸函數呢?

為了說的更明白,,還是直接上圖比較好點,。



其實,還是很容易從圖像的形狀上區(qū)分凸凹的,,畢竟這個凸凹,,與我們生活中的經驗一樣的形象。

那么,,數學里,,我們又怎么表達函數的這種凹凸性呢,?

最簡單、也是考題中最常出現的,,是下面的這種形式:

凹函數:
凸函數:
其實,,這樣的表述,并不難理解,,從圖像上就可以很容易地看出來的,,應當是正確的。


嗯,,因為兩個點的任意性,,是不是就給人一種上凸或下凹的感覺了!

其實仔細回憶,,這組結論,,真的是在考題中經常出現的。



當然,,我們還可以從切線的角度,,去理解下函數的這種凹凸性。

還是先觀察下圖形的直觀吧,。


從圖形中,,你能看出點什么嗎?

如果過曲線上某一動點做切線,,當動點從左向右移動的過程中,,切線斜率的變化是有規(guī)律的,而且因為凹凸性的不同,,其規(guī)律也有所不同,。

從左向右看:
凹函數,斜率一直在增加,,
凸函數,,斜率一直在減小。


從導數的幾何意義我們還知道,,切線的斜率是切點處的導數值,。

因此,這種變化規(guī)律,,還可以從導函數單調性的角度來刻畫,。

凹函數的導函數為增函數,
凸函數的導函數為減函數,。

那么以后,,我們就可以用導函數的導函數,也就是函數的二階導數,,來表達函數的凹凸性了,。

而且你一定要知道的是,,二階導數,好像已經成為高考的常規(guī)要求了,。



03

放縮法與凹凸性


現在,我們就可以談談,,什么是切線不等式了,。

其實,在不等式的證明中,,有一種最常見的方法,,那就是放縮法

但是,,又有多少人真心的喜歡這種方法呢,!

這種方法雖常見,但對于許多同學來說,,不是走投無路的時候,,是絕不會主動招惹它的。

嗯,,確實是因為,,放縮的目標實在是難以控制,。

所以說放縮無定法嘛,!

我們最喜歡通性通法的東西,無定法,,注定只屬于學霸專屬,。


但是,如果仔細研究下切線與曲線的位置關系,,最算如我一樣的非學霸,,也還是可以找到丁點感覺的。



上面兩幅圖中,,是不是能夠讓我們提煉點什么呢……

至于我的總結,,是這個樣子的:


其實我認為,上面這個,,才是切線不等式真正的內涵,。

那么,再深入一點,,如果兩條曲線有公切線呢,?

無論是下面這種有公切點的公切線:


還是這種沒有公切點的公切線:


其實都能得到相似的結論:


那么,根據不等式的傳遞性,,我們就可以很輕松地得到:


那么問題就來了,,這樣的邏輯關系,,又能說明什么呢?能不能在解題中讓它得以體現,?


04

切線不等式的應用


從上面的結論:


我們可以提煉出證明不等式的一種最常規(guī)的思路:

要證明:

可以考慮先證明:

也就是先考慮尋求一個中間量,。

上面的結論告訴我們,如果不等式兩邊函數的凹凸性相反,,這個中間量完全可以就是公切線了,!

其實這也是放縮法的基本思路。

只是這里放縮的結果,,我們指定,,找的就是公切線了。

這樣的思路,,是不是也算一種,,在凹凸性相反的條件下,證明函數不等式的通性通法呢,!

也許這個,,才是對切線不等式,最完美的理解吧,。

下面,,當然要寫幾道題,來刻意體驗下這種切線不等式,,在函數不等式證明中的應用了,。




確實,解過程寫完后,,用畫板做了個圖發(fā)現,,這兩個函數還真的是有公切線的。



分析一:

一般而言,,出現指,、對數混合的式子,首先要考慮的應當是如何將指,、對數統一化,。

于是便有了第一種方法。


其實,,從證明的結果來看,,是不是也是利用了切線不等式呢?

當然,,這是在統一化的過程中,,偶然發(fā)現的結果。



分析二:

考慮到不等式左右兩邊所對應的函數為左凸右凹,故可考慮利用公切線進行放縮,。


證明的過程雖然長了點,,但好在分析的思路還是比較清晰的。

只是,,對于不太清楚這種思路的同學來說,,這個證明的一開始,可能就已經讓他一臉懵逼,,而生無可戀了,。



分析三:

其實,這個不等式雖然是指,、對數混合不等式,但好在對數的系數是不含變量的,。

完全符合指數找朋友,、對數單身狗的特征,當然是可以考慮直接構造函數,,而轉化為最值問題的,。

所以便有了,最常規(guī)的比較構造法,。

嗯,,顯然,雖然沒有思路一統一化構造的思路巧妙,,但依然是比思路二直接尋找切線放縮更簡潔的,。

這也提醒我們:
對數如果單身狗,指對混合不發(fā)愁,。

要一如既往地相信,,對于不等式恒成立問題,有參數的,,還是要首選參變分離,,無參數的,也應當首選做差(做商)構造函數,,而直接轉化為最值問題,。







不等式恒成立求參數的范圍問題,這里利用公切線處理,,是不是也覺得思路還是很清晰,?

當然,因為式中對數是單身狗,,也可以考慮分離參數后,,轉化為最值問題。

但是,絕對要做好處理隱零點問題的思想準備,。

切線,,是數學里比較熱點的問題,除了切線方程的求法,,對切線不等式的理解,,也是時候提上日程了。

畢竟,,函數不等式的證明,,是函數與導數中最常規(guī)的模型。

當然,,最后還是要做一下友情提醒:

切線不等式的使用,,主要是針對于凹凸性不同的兩種函數做大小比較。而對于凹凸性相同的函數,,則肯定是不適合用切線不等式處理的,。

因此,拿到題目,,先快速求地階導數就顯得尤為重要了,。

END

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相關鏈接:

切線不等式-KO-函數不等式的證明

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