• 分区间讨论法


    前言

    零点分区间讨论法,比如解不等式\((x+1)(x-2)(x+3)>0\),为便于表述令\(P=(x+1)(x-2)(x+3)\)

    先找到零点\(x=-3,x=-1,x=2\),然后分区间列表得到

    \[\begin{array}{l|ccccccc} x取值范围\quad &x<-3&x=-3&-3<x<-1&x=-1&-1<x<2&x=2 &x>2\\ \hline P值的正负\quad & - & 0 &+& 0 & - & 0 & + \\ \end{array}\]

    由表格就可以得到不等式的解集\(\{x\mid -3<x<-1\)\(x>2\}\)

    这就是零点分区间讨论法,在解不等式时的应用案例。

    典例剖析

    【2017全国卷1文科理科第23题高考真题选修4-5不等式选讲】已知函数\(f(x)=-x^2+ax+4\)\(g(x)=|x+1|+|x-1|\)

    (1)当\(a=1\)时,求不等式\(f(x)\ge g(x)\)的解集。

    法1:零点分区间讨论法,我们先转化函数\(g(x)\)为分段函数,分别令\(x+1=0\)\(x-1=0\),得到\(x=-1\)\(x=1\),这样这两个实数就把数轴分成了三段,分三类情况讨论如下

    \(g(x)=\begin{cases}-x-1-x+1,&x\leq -1\\x+1-x+1,&-1<x<1\\x+1+x-1,&x\ge 1\end{cases}\),整理得到\(g(x)=\begin{cases}-2x,&x\leq -1\\2,&-1<x<1\\2x,&x\ge 1\end{cases}\)

    \(a=1\)时,\(f(x)=-x^2+x+4\),则\(f(x)\ge g(x)\)就等价转化为以下三个不等式组:

    \(\begin{cases}x\leq -1\\-x^2+x+4\ge -2x\end{cases}\)或者\(\begin{cases}-1< x< 1\\-x^2+x+4\ge 2\end{cases}\)或者\(\begin{cases}x\ge 1\\-x^2+x+4\ge 2x\end{cases}\)

    分别解得\(x\leq -1\)\(-1<x<1\)\(1\leq x\leq \cfrac{\sqrt{17}-1}{2}\),求其并集得到原不等式的解集为\([-1,\cfrac{\sqrt{17}-1}{2}]\)

    法2:分别作出两个函数的图像,再求得交点,有图像可以直观的看到原不等式的解集为\([-1,\cfrac{\sqrt{17}-1}{2}]\)

    (2)若不等式\(f(x)\ge g(x)\)的解集包含\([-1,1]\),求\(a\)的取值范围。

    法1:数形结合法,函数\(f(x)=-x^2+ax+4\),对称轴为\(x=\cfrac{a}{2}\),开口向下,由有图可知,要使得不等式\(f(x)\ge g(x)\)的解集包含\([-1,1]\),只需要满足条件\(\begin{cases}f(-1)\ge 2\\f(1)\ge 2\end{cases}\),解得\(\begin{cases}a\leq 1\\a\ge -1\end{cases}\),故\(a\)的取值范围为\([-1,1]\)

    法2:转化为不等式恒成立求解,当\(x\in [-1,1]\)时,\(g(x)=2\),由题目可知,不等式\(f(x)\ge 2\)的解集包含\([-1,1]\),即当\(x\in [-1,1]\)时,\(f(x)\ge 2\)恒成立,即\(-x^2+ax+2\ge 0\)恒成立,

    \(h(x)=-x^2+ax+2\),则只需满足条件\(\begin{cases}h(-1)\ge 0\\h(x)\ge 0\end{cases}\),解得\(-1\leq a \leq 1\),故\(a\)的取值范围为\([-1,1]\)

    法3:恒成立+分离参数法
    当转化得到\(x\in [-1,1]\)时,\(f(x)\ge 2\)恒成立,即\(-x^2+ax+2\ge 0\)恒成立,接下来准备分离参数:

    \(1^。\)\(x=0\)时,代入得到\(2\ge 0\),即\(a\in R\)

    \(2^。\)\(x<0\)时,由\(ax\ge x^2-2\)分离参数得到\(a\leq \cfrac{x^2-2}{x}=x-\cfrac{2}{x}\),令\(h(x)=x-\cfrac{2}{x}\)\(h(x)\)在区间\((-1,0)\)上单调递增,故\(h(x)_{min}\rightarrow h(-1)=1\)\(a\leq 1\)

    \(3^。\)\(x>0\)时,由\(ax\ge x^2-2\)分离参数得到\(a\ge \cfrac{x^2-2}{x}=x-\cfrac{2}{x}\),令\(h(x)=x-\cfrac{2}{x}\)\(h(x)\)在区间\((0,1)\)上单调递增,故\(h(x)_{max}\rightarrow h(1)=-1\)\(a\ge -1\)

    综上所述,由于三种情形下都要成立,故需要取其交集得到\(a\)的取值范围为\([-1,1]\)

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