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直线恒过定点问题

$y=kx$恒过原点$(0,0)$,就是当$k$取任意值时,它总经过原点$(0,0)$

$y=kx+1$恒过点$(0,1)$,就是当$k$取任意值时,它总经过定点$(0,1)$

$\Rightarrow 就是让k$这个参数在式子失去了作用。

例1.已知直线的方程为$x+my-2m+6=0$,则该直线恒过定点$(\qquad)$

$x+my-2m+6=0\Rightarrow m(y-2)+x+6=0$

让参数m失去作用就是$y-2=0\Rightarrow y=2,x+6=0\Rightarrow x=-6$定点为$(-6,2)$

例2.已知直线$l:(m+1)x+(2m-1)y+m-2=0$,则直线恒过定点$(\qquad)$

$m(x+2y+1)+x-y-2=0\Rightarrow \begin{cases} x+2y+1=0\x-y-2=0
\end{cases}\Rightarrow \begin{cases} x=1\y=-1
\end{cases}$

例3.已知直线$l:(m+n)x+(2m-n)y+5m-n=0$,则直线恒过定点$(\qquad)$

$\Rightarrow m(x+2y+5)+n(x-y+1)=0\Rightarrow m\times 0+n\times 0=0$

$\Rightarrow \begin{cases} x+2y+5=0\\x-y+1=0\end{cases}\Rightarrow \begin{cases} x=-1\\y=-2\end{cases}$

分离参数法:

若已知方程是含有一个参数$m$的直线系方程,则我们可以把系数中的$m$分离出来,化为$f(x,y)+mg(x,y)=0$的形式。再由$\begin{cases}
f(x,y)=0\g(x,y)=0\end{cases}$**解出$x和y$的值**,即得定点坐标。

例4.已知抛物线$T:y=ax^2(a>0)与直线l$交于A,C两点,且$\angle AOC=90^ {\circ}$,求证:直线l过定点M;

二次函数恒过定点

例:函数$y=x^2+(2-m)x+m$的图像恒过一点,求该点坐标。

$y=x^2+(2-m)x+m$
$y=x^2+2x+m(1-x)$

$\begin{cases} 1-x=0\\y=x^2+2x\end{cases}\Rightarrow (1,3)$

指数型函数过定点问题:

例:函数$y=a^{x+2}+1(a>0,且a\ne1)$的图像恒过的定点是$(-2,2)$

就是与参数a无数的点,$a^0=1,y=a^x$恒过定点$(0,1)$

令指数部分为0,得到定点横坐标,代入得到定点纵坐标

对数型函数过定点问题:

例题:函数$y=\log_{a}{(2x+1)} -2(a\gt 0,且a\ne1)$恒过

令真数部分为1,得到定点横坐标,代入得到定点纵坐标

  1. $e^x=1+x+\cfrac{x^2}{2!}+\cfrac{x^3}{3!}+\cfrac{x^4}{4!}+...+\cfrac{x^n}{n!}+o(x^n)$
  2. $\cos x=1-\cfrac{x^2}{2!}+\cfrac{x^4}{4!}-\cfrac{x^6}{6!}+...+\cfrac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}+o(x^{2n})$ 偶函数
  3. $\sin x=x-\cfrac{x^3}{3!}+\cfrac{x^5}{5!}-\cfrac{x^7}{7!}+...+\cfrac{(-1)^{n+1}}{(2n+1)!}x^{2n+1}+o(x^{2n+1})$ 奇
  4. $\arcsin x=x+\cfrac{x^3}{3!}$

  5. $\cfrac{1}{1-x}=1+x+x^2+x^3+...+x^n+o(x^n)$
  6. $\cfrac{1}{1+x}=1-x+x^2-x^3+...+(-1)^{n}x^n+o(x^n)$
  7. $\cfrac{1}{1+x^2}=1-x^2+x^4-x^6+...+(-1)^{n}x^{2n}+o(x^{2n})$
  8. $\ln (1+x)=x-\cfrac{x^2}{2}+\cfrac{x^3}{3}-\cfrac{x^4}{4}+...+\cfrac{(-1){n-1}}{n}x^n+o(x^n)$
  9. $\arctan x=x-\cfrac{x^3}{3}+\cfrac{x^5}{5}-\cfrac{x^7}{7}+(-1)^{n+1}\cfrac{x^{2n+1}}{2n+1}+o(x^{2n+1})$
  10. $\tan x=x+\cfrac{x^3}{3}+\cfrac{2}{15}x^5$ 记前两项即可
  11. $(1+\alpha)^\alpha=1+\alpha x+\frac{\alpha (\alpha-1)}{2!}x^2+\frac{\alpha(\alpha-1) (\alpha-2)}{3!}x^3+\frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)...(\alpha-n+1)}{n!}x^n$

1、$f(x)=\cfrac{e^x}{x},{f}' (x)=\cfrac{(x-1)e^x}{x^2},符号函数x-1,x\lt 1,{f}' (x)\lt 0\Rightarrow f(x)\searrow;$
$x\gt1, {f}' (x)\gt 0, f(x)\nearrow ,\therefore {\color{Red} 先减后增,x=1处有极小值f(1)=e }$,有$e^x$有除就有1 又有e;
2、$f(x)=\cfrac{x}{e^x},与(1)是互为倒数$
${f}' (x)=\cfrac{1-x}{e^x} ,符号函数与上相反1-x;x\lt 1,f'(x)\gt 0,f(x)\nearrow ;x\gt 1,f'(x)\lt 0,f(x)\searrow$
${\color{Red} 先增后减,在x=1处有极大值f(1)=\cfrac{1}{e}}$。
总结:(1)(2)函数相互为倒数,(1) 是先减后增,(2)是先增后减;极值点位置不变均在 x=1处,极值互为倒数,(1)是极小(2)极大。
3、$g(x)=\cfrac{x}{\ln x},{g}' (x)=\cfrac{\ln x-1}{\ln^2x}; 0\lt x \lt e,{g}'(x)\lt 0, g(x)\searrow ;$

$x \gt e,{g}'(x)\gt 0, g(x)\nearrow ;g(x)\gt g(x)_{min}=g(e)=e,{\color{Red} 先减后增,x=e处有极小值f(e)=e }$

观察(1)与(3),$g(x)=f(\ln x), 这就是同构;{g}' (x)=\cfrac{1}{x} {f}' (\ln x)$
${g}' (x)=\cfrac{1}{x} {f}' (\ln x)=\cfrac{1}{x} \cfrac{(\ln x-1)e^{\ln x}}{\ln^2 x}=\cfrac{\ln x-1}{\ln^2 x}$
4、$g(x)=\cfrac{\ln x}{ x},{g}' (x)=\cfrac{1-\ln x}{x^2}$,符号函数与上相反;所以增减性相反,极值点位置相同。
5、$f(x)=xe^x;{f}' (x)=(x+1)e^x,符号函数x+1,x\lt -1,{f}' (x)\lt 0,f(x)\searrow;$
$x\gt -1,{f}' (x)\gt 0,f(x)\nearrow, 先减后增,f(x)\ge f(x)_{min}=f(-1)=-\cfrac{1}{e}$
6、$g(x)=f(\ln x)=x\ln x;{g}' (x)=\ln x+1,0\lt x \lt e,{g}' (x)\lt 0,g(x)\searrow$

7、$e^x\ge x+1$

8、$x\ge \ln x+1$

观察指数函数的泰勒展开式 $\quad e^x =1+x+\cfrac{x^2 }{2!}+\cfrac{x^3 }{3!}+\cfrac{x^4 }{4!}+\cfrac{x^ 5}{5!}+...+\cfrac{x^ n}{n!}\qquad ①$

正弦函数的泰勒展开式$\quad \sin x=x-\cfrac{x^ 3}{3!}+\cfrac{x^ 5 }{5!}-\cfrac{x^7}{7!}+\cfrac{x^9 }{9!}+...\cfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}\qquad ②$

余弦函数的泰勒展开式$\quad \cos x=1-\cfrac{x^2 }{2!}+\cfrac{x^4 }{4!}-\cfrac{x ^6}{6!}+\cfrac{x^8 }{8!}+...+\cfrac{x ^{2n}}{(2n)!}\qquad ③$

+$i$$i^2$$i^3$+$i^4$$i^5$+$i^6$$i^7$$i^8$$i^9$$i^{10}$$i^{11}$$i^{12}$
+$i$-1-$i$1+$i$-1-$i$1+$i$-1-$i$1

正弦函数两边i 得到 这里也是错误的。$\quad i \sin x=i (x-\cfrac{x^ 3}{3!}+\cfrac{x^ 5 }{5!}-\cfrac{x^7}{7!}+\cfrac{x^9 }{9!}+...\cfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!})$

$右边=i x- i\cfrac{x^ 3}{3!}+i\cfrac{x^ 5 }{5!}-i\cfrac{x^7 }{7!}+i\cfrac{x^9 }{9!}+... i\cfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}=ix+\cfrac{(ix)^ 3}{3!}+\cfrac{(ix)^ 5 }{5!}+\cfrac{(ix)^7}{7!}+\cfrac{(ix)^9 }{9!}+...\cfrac{(ix)^{2n+1}}{(2n+1)!}=\sin(ix)$

以上是错的。$i^2,i^6,i^{10},i^{14},+1换成i^4,i^8,i^{12},i^{16}\quad 得到 1+\cfrac{(ix)^2 }{2!}+\cfrac{(ix)^4 }{4!}+\cfrac{(ix) ^6}{6!}+\cfrac{(ix)^8 }{8!}+...+\cfrac{(ix) ^{2n}}{(2n)!})\quad 此时公式中的底由x变成ix即=\cos ix$

$指数函数e^x中的自变量用ix代换,即有e^{ix}=1+ix+\cfrac{(ix)^2 }{2!}+\cfrac{(ix)^3 }{3!}+\cfrac{(ix)^4 }{4!}+\cfrac{(ix)^ 5}{5!}+...+\cfrac{(ix)^ n}{n!}$

$\sin(ix)+\cos(ix)=e^{ix}$得证。以上有逻辑错误
${\color{Red} ②式两边乘以i,得\quad i\sin x= i(x-\cfrac{x^ 3}{3!}+\cfrac{x^ 5 }{5!}-\cfrac{x^7}{7!}+\cfrac{x^9 }{9!}+...\cfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!})}$
$={\color{Orange} ix+\cfrac{(ix)^ 3}{3!}+\cfrac{(ix)^ 5 }{5!}+\cfrac{(ix)^7}{7!}+\cfrac{(ix)^9 }{9!}+...\cfrac{(ix)^{2n+1}}{(2n+1)!}}$
${\color{Red} ③式变形得\quad \cos x=1+\cfrac{(ix)^2 }{2!}+\cfrac{(ix)^4 }{4!}+\cfrac{(ix) ^6}{6!}+\cfrac{(ix)^8 }{8!}+...+\cfrac{(ix) ^{2n}}{(2n)!}\qquad}$

$把e^x中的x换成ix$,故有:$e^{ix}=1+ix+\cfrac{(ix)^2}{2!}+\cfrac{(ix)^3}{3!}+\cfrac{(ix)^4}{4!}+\cfrac{(ix)^5}{5!}+\cfrac{(ix)^6}{6!}+\cfrac{(ix)^7}{7!}+\cfrac{(ix)^8}{8!}+\cfrac{(ix)^9}{9!}+\cfrac{(ix)^{10}}{10!}\newline+\cfrac{(ix)^{11}}{11!}+...+\cfrac{(ix)^n}{n!}$
$=1+\cfrac{(ix)^2}{2!}+\cfrac{(ix)^4}{4!}+\cfrac{(ix)^6}{6!}+\cfrac{(ix)^8}{8!}+\cfrac{(ix)^{10}}{10!}+...+ix+\cfrac{(ix)^3}{3!}+\cfrac{(ix)^5}{5!}+\cfrac{(ix)^7}{7!}+\cfrac{(ix)^9}{9!}+\cfrac{(ix)^{11}}{11!}+...$
$=1-\cfrac{x^2}{2!}+\cfrac{x^4}{4!}-\cfrac{x^6}{6!}+\cfrac{x^8}{8!}-\cfrac{x^{10}}{10!}+ ...\newline+ix+i\cfrac{ i^2 x^3}{3!}+i\cfrac{i^4x^5}{5!}+i\cfrac{i^6x^7}{7!}+i\cfrac{i^8x^9}{9!}+i\cfrac{i^{10}x^{11}}{11!}+...+(-1)^{n+1} i\cfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$
$=1-\cfrac{x^2}{2!}+\cfrac{x^4}{4!}-\cfrac{x^6}{6!}+\cfrac{x^8}{8!}-\cfrac{x^{10}}{10!}+...+(-1)^n \cfrac{(ix)^{2n}}{(2n)!}+\newline i(x-\cfrac{x^3}{3!}+\cfrac{x^5}{5!}-\cfrac{x^7}{7!}+\cfrac{x^9}{9!}-\cfrac{x^{11}}{11!}+...+(-1)^{n+1} \cfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$

$=\cos x +i \sin x$1


  1. $\cos x和 \sin x的自变量不能是虚数$

题设:若不等式f(x,m)≥0,m为参数,在区间[a,b]上恒成立,求m的取值范围。
第一步,必要性!缩小取值范围:
分为三种情形:
(1)区间端点处函数值不为0,即f(a)≠0或f(b)≠0,则不能使用端点效应,但可缩小取值范围。但因为不等式f(x,m)≥0在区间[a,b]上恒成立,在端点处也成立,即应用f(a)≥0,f(b)≥0,解此不等式$\begin{cases} f(a)\ge 0\\f(b)\ge 0\end{cases}$同样可以缩小参数的取值范围;
(2)区间端点值函数值为0型:若f(a)=0(或f(b)=0),但f’(a)≠0(或f’(b)≠0),则解f’(a)≥0(f’(b)≤0为什么?),求m的取值集合D;
(3)区间端点值函数值和导数值均为0型:即若f(a)=0(或f(b)=0),且f’(a)=0(或f’(b)=0),则解f’(a)≥0(f’(b)≥0,为什么?),求m的取值集合D;
第二步,证充分性:
利用第一步求出的参数取值范围m∈D,求f’(x),f’’(x)判断单调性,进而判断不等式f(x,m)≥0是否恒成立,
例一:
已知函数$f(x)=e^x-e^{-x}-ax$;
(1)当$a=0時,求证f'(x)\ge 2$
(2)当$x\ge 0时,恒有f(x)\ge ax,求实数a$的取值范围。
第二问中说到了恒成立问题,所以我们首先可以构造个新的函数,发现在x=0处满足等号,那么原命题成立${\color{Red}必要性}$要求其导数在$x\in [0,0+\delta )处\ge 0$,因此得出a的范围,再去证明${\color{Red}充分性 }$ 即可
$f(x)\ge ax \Leftrightarrow g(x)=e^x-e^{-x}-ax\ge 0$
$求导得{g}' (x)=e^x+e^{-x}-a,因为g(0)=0,所以{g}' (0)\ge 0,解得a\le 2$
再证充分性,即$a\le 2,x\in[0,+\infty),g(x)\ge 0\quad$恒成立。
${g}' (x)=e^x+e^{-x}-a\ge e^x+e^{-x}-2\ge 2,g(x)\nearrow g(x)\ge g(0)=0$得证。
例二、已知函数$f(x)=e^x-1-x-ax^2$;
(1)当$a=0时,求证:f(x)\ge 0$;
(2)当$x\ge 0时,不等式f(x)\ge 0恒成立,求实数a$的取值范围。
解(2)必要性,$\because f(0)=0,\because {f}' (x)=e^x-1-2ax,令g(x)={f}' (x)=e^x-1-2ax,{f}' (0)=g(0)=0$
${g}' (x)=e^x-2a,根据必要性要求,{g}' (0)\ge 0\Rightarrow a\le \frac{1}{2} ;$
再证明其充分性:当$a\le \frac{1}{2}时,f(x)\ge 0$恒成立
${g}' (x)=e^x-2a\ge e^x-1=0,g(x)\nearrow \Rightarrow g(x)\ge g(0)=0\Rightarrow {f}' (x)\ge 0,\Rightarrow f(x)\nearrow \Rightarrow f(x)\ge f(0)=0$得证。
例三、已知$f(x)=2x-\ln (2x+1),g(x)=e^x-x-1$;
(1)求$g(x)在(1,g(1))$处的切线方程;
(2)当$x\ge 0时 ,kf(x)\le g(x)$恒成立,求实数$k$的取值范围。
解:(1)切点坐标$(1,e-2),且{g}' (x)=e^x-1,{g}' (1)=e-1\Rightarrow $切线方程:$y-(e-2)=(e-1)(x-1)\Rightarrow (e-1)x-y-1=0$\
(2)发现一阶导数为0,马上二阶求导猜出范围,然后验证即可。
$设F(x)=g(x)-kf(x)=e^x-x-1-k[2x-\ln(2x+1)](x\ge 0),F(0)=0,$继续求导,得:
${F}' (x)=e^x-1-k(2-\frac{2}{2x+1}) =e^x-1-\frac{4kx}{2x+1} \because {F}' (0)=0$,继续求导
${F}'' (x)=e^x-\frac{4k(2x+1-2x)}{(2x+1)^2} =e^x-\frac{4k}{(2x+1)^2} \because {F}'' (0)\ge 0,\Rightarrow k\le \frac{1}{4}$必要性证毕;
下面证充分性,当$k\le \frac{1}{4} 时,F(x)\ge 0(x\ge 0)$恒成立。
$\because k\le \frac{1}{4} ,\Rightarrow {F}'' (x)=e^x-\frac{4k}{(2x+1)^2} \ge e^x-\frac{1}{(2x+1)^2} \ge 0\Rightarrow$
${F}'(x)在x\ge 0\nearrow ,\Rightarrow {F}' (x)\ge {F}' (0)=0,\Rightarrow {F}(x)\nearrow ,{F}(x)\ge F(0)=0,\therefore F(x)\ge 0恒成立。$
例四、已知函数$f(x)=\ln x-x^2-ax$;
(1)当$a=1$时,求曲线$y=f(x)在x=1$处的切线方程;
(2)若$f(x)\le 0$恒成立,求$a$的取值范围。
解:$(1)a=1,f(x)=\ln x-x^2-x,\Rightarrow {f}' (x)=\frac{1}{x} -2x-1,{f}' (1)=-2,f(1)=-1-1=-2$,
$y-(-2)=-2(x-1)$
(2)方法一:参变分离
$\ln x -x^2-ax^2\le 0\Leftrightarrow a\ge \cfrac{\ln x -x^2}{x} =\cfrac{\ln x}{x} -x恒成立,即a\ge (\cfrac{\ln x}{x}-x)_{max}\quad(x\gt 0)$
$令g(x) =\cfrac{\ln x}{x} -x(x\gt 0),{g}' (x)=\cfrac{\frac{1}{x} \cdot x-\ln x}{x^2} -1=\cfrac{1-x^2-\ln x}{x^2}$
再令$h(x)=1-x^2-\ln x(x\gt 0),{h}' (x)=-2x-\cfrac{1}{x}\lt 0 $
$\Rightarrow h(x)在x\gt 0单调递减,又\because h(1)=1-x^2-\ln x=0$
$\therefore x\in (0,1),h(x)\gt 0;\Rightarrow {g}' (x)\gt 0\Rightarrow g(x)\nearrow $
$\therefore x\in (1,+\infty ),h(x)\lt 0;\Rightarrow {g}' (x)\lt 0\Rightarrow g(x)\searrow$
$\therefore g(x)\lt g(x)_{max}=g(1)=-1\Rightarrow a\ge -1$


解法二:$\because 恒成立,\therefore x=1$也必然成立,故有$f(1)=-1-a\le 0\Rightarrow a\ge -1({\color{Red} 必要性})$
$ 再证明{\color{Red} 充分性} :当a\ge -1时,x\gt 0时 f(x)=\ln x-x^2-ax\le 0恒成立。$
$f(x)=\ln x-x^2-ax\le \ln x-x^2+x\quad 切线不等式:\ln x\le x-1$
$\Rightarrow f(x)\le \ln x-x^2+x\le x-1+x-x^2=-(x-1)^2\le 0$