導(dǎo)數(shù)在f(x)±f(-x)=y(x)型函數(shù)中的應(yīng)用

李敏 孫威

【摘要】本文利用導(dǎo)數(shù)這一工具，對(duì)任意抽象的可導(dǎo)函數(shù)f（x）構(gòu)造出的形如，f（x）±f（-x）=y（x）函數(shù)進(jìn)行研究，并通過例題討論與之相關(guān)函數(shù)的不等式問題.

【關(guān)鍵詞】奇函數(shù);偶函數(shù);單調(diào)性

一、引言、定義與引理

奇（偶）函數(shù)是具有特殊性質(zhì)的一類重要函數(shù)，單調(diào)性是也是研究函數(shù)性態(tài)的重要內(nèi)容之一.將函數(shù)的奇（偶）性以及單調(diào)性相結(jié)合，對(duì)研究某些函數(shù)或者一些不等式問題會(huì)起到事半功倍的效果.尤其是f（x）±f（-x）=y（x）型函數(shù)，其中函數(shù)f（x）是定義在（-∞，+∞）上的可導(dǎo)函數(shù).因?yàn)楹瘮?shù)f（x）的抽象性使得問題難度加大，在此借助導(dǎo)數(shù)討論相應(yīng)函數(shù)性態(tài)（如單調(diào)性，奇偶性）往往會(huì)簡(jiǎn)單易于求解.

定義1[1] 設(shè)函數(shù)f（x）定義在區(qū)間I上，如果任意x∈I都有f（-x）=-f（x）（或f（x）），

則稱函數(shù)f（x）為區(qū)間I上奇函數(shù)（或偶函數(shù)）.

引理1[1] 如果函數(shù)f（x）在閉區(qū)間I上可導(dǎo)，且滿足任意x∈I都有f′（x）>0（或<0），

則函數(shù)f（x）為區(qū)間I上單調(diào)增加函數(shù)（或單調(diào)減少函數(shù)）.

二、f（x）±f（-x）=y（x）型函數(shù)問題討論

例1 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間（-∞，+∞）上存在導(dǎo)函數(shù)，且滿足f（x）+f（-x）=2x2，當(dāng)x∈（-∞，0]時(shí)有f′（x）+1<2x.如果f（α+3）-f（-α）≤4α+6，證明α≥-3 2.

解 這是含有參數(shù)的抽象函數(shù)及相關(guān)不等式問題，題中出現(xiàn)函數(shù)和導(dǎo)函數(shù)首先會(huì)想到聯(lián)系函數(shù)、導(dǎo)數(shù)的橋梁“中值定理”，但是所給區(qū)間不是有限閉區(qū)間，所以此法未必可行.于是可以考慮與導(dǎo)數(shù)密切相關(guān)的函數(shù)性態(tài)—單調(diào)性等進(jìn)行討論.具體如下：

由于f′（x）+1<2x，x∈（-∞，0]即有

（f（x）-x2+x）′=f′（x）-2x+1<0，x∈（-∞，0].

因此，設(shè)g（x）=f（x）-x2+x，根據(jù)f（x）+f（-x）=2x2，x∈（-∞，+∞），則有

0=f（x）+f（-x）-2x2+x-x

=[f（x）-x2+x]+[f（-x）-（-x）2+（-x）]

=g（x）+g（-x），

由此知g（-x）=-g（x），x∈（-∞，+∞），由定義1即得函數(shù)g（x）在（-∞，+∞）上的奇函數(shù).結(jié)合前面討論知g′（x）=（f（x）-x2+x）′=f′（x）-2x+1<0，x∈（-∞，0]，由引理1又可知函數(shù)g（x）在（-∞，+∞）上是單調(diào)減少函數(shù).

根據(jù)已知條件和函數(shù)g（x）的定義可有

4α+6≥f（α+3）-f（-α）

=[g（α+3）+（α+3）2-（α+3）]-[g（-α）+（-α）2-（-α）]

=g（α+3）-g（-α）+4α+6.

上式等價(jià)于g（α+3）≤g（-α），再注意到函數(shù)g（x）在（-∞，+∞）上是單調(diào)減少函數(shù)，所以成立α+3≥-α，也就是參數(shù)α滿足α≥-3 2.

證明完畢.上述證明巧妙構(gòu)造出函數(shù)，并利用其導(dǎo)數(shù)判定單調(diào)性使問題得證.

例2 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間（-∞，+∞）上存在導(dǎo)函數(shù)，且滿足f（x）-f（-x）=2x3，當(dāng)x∈[0，+∞）時(shí)有f′（x）>3x2.如果f（β）-f（β-1）>3β2-3β+1，證明β>1 2.

解 類似例1，該題是含有參數(shù)的抽象函數(shù)及相關(guān)不等式問題，所以考慮借助導(dǎo)數(shù)判定單調(diào)性進(jìn)行討論.具體如下：

由于f′（x）>3x2，x∈[0，+∞）即有

（f（x）-x3）′=f′（x）-3x2>0，x∈[0，+∞）.

因此，設(shè)g（x）=f（x）-x3，根據(jù)f（x）-f（-x）=2x3，x∈（-∞，+∞），則有

0=f（x）-f（-x）-2x3

=[f（x）-x3]-[f（-x）-（-x）3]

=g（x）-g（-x），

由此知g（-x）=g（x），x∈（-∞，+∞），由定義1即得函數(shù)g（x）在（-∞，+∞）上的偶函數(shù).結(jié)合前面討論知g′（x）=（f（x）-x3）′=f′（x）-3x2>0，x∈[0，+∞），由引理1可知函數(shù)g（x）在[0，+∞）上是單調(diào)增加函數(shù)，函數(shù)g（x）在x∈（-∞，0]上是單調(diào)減少函數(shù).

根據(jù)已知條件和函數(shù)g（x）的定義可有

3β2-3β+1

=[g（β）+β3]-[g（β-1）+（β-1）3]

=g（β）-g（β-1）+3β2-3β+1.

上式等價(jià)于g（β-1）≤g（β）.

當(dāng)0≤β-1<β即β≥1時(shí)，由函數(shù)g（x）在[0，+∞）上單調(diào)增加知g（β-1）≤g（β）;

當(dāng)β-1<0≤β時(shí)，由函數(shù)g（x）在（-∞，+∞）上是偶函數(shù)，且函數(shù)g（x）在（-∞，0]上單調(diào)減少知，若g（-β）=g（β）≥g（β-1），則-β≤β-1，即β≥1 2;

當(dāng)β-1<β≤0時(shí)，由g（x）在（-∞，0]上單調(diào)減少，必有g(shù)（β-1）>g（β）矛盾.

綜上所述，如果g（β-1）≤g（β），則參數(shù)β必須滿足β≥1 2.

結(jié)論證畢.以上巧妙構(gòu)造出函數(shù)，借助導(dǎo)數(shù)判定單調(diào)性使問題得證.

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉玉璉，傅沛仁.數(shù)學(xué)分析講義[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]毛羽輝.數(shù)學(xué)分析選論[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3]劉三陽(yáng)，于力，李廣民.數(shù)學(xué)分析選講[M].北京：科學(xué)出版社有限責(zé)任公司，2007.