冷启动:先看清”恒成立”约束的是什么
题目是一个乘积恒非负:记
f ( x ) = ( a − 1 ) x − 1 , g ( x ) = x 2 − a x − 1 , h ( x ) = f ( x ) g ( x ) , f(x)=(a-1)x-1,\qquad g(x)=x^{2}-ax-1,\qquad h(x)=f(x)g(x), f ( x ) = ( a − 1 ) x − 1 , g ( x ) = x 2 − a x − 1 , h ( x ) = f ( x ) g ( x ) ,
条件是 h ( x ) ⩾ 0 h(x)\geqslant 0 h ( x ) ⩾ 0 对一切 x > 0 x>0 x > 0 成立。
第一件该做的事是看 g g g ,因为 g g g 的行为与 a a a 几乎无关。 g g g 的图象开口向上,
g ( 0 ) = − 1 < 0 g(0)=-1<0 g ( 0 ) = − 1 < 0 ,所以它在 x > 0 x>0 x > 0 上恰有一个零点
x 2 = a + a 2 + 4 2 > 0 x_{2}=\frac{a+\sqrt{a^{2}+4}}{2}>0 x 2 = 2 a + a 2 + 4 > 0
(另一个零点 a − a 2 + 4 2 < 0 \frac{a-\sqrt{a^{2}+4}}{2}<0 2 a − a 2 + 4 < 0 ,不在 x > 0 x>0 x > 0 里)。于是在 x > 0 x>0 x > 0 上
g ( x ) < 0 ( 0 < x < x 2 ) , g ( x 2 ) = 0 , g ( x ) > 0 ( x > x 2 ) . g(x)<0\ \ (0<x<x_{2}),\qquad g(x_{2})=0,\qquad g(x)>0\ \ (x>x_{2}). g ( x ) < 0 ( 0 < x < x 2 ) , g ( x 2 ) = 0 , g ( x ) > 0 ( x > x 2 ) .
注意这一段对任何实数 a a a 都成立 ——a a a 只挪动 x 2 x_{2} x 2 的位置,不改变”先负后正、只变一次号”这个形状。
于是全部信息压在一句话里:g g g 在 x > 0 x>0 x > 0 上变号一次,而乘积 h h h 不许变号。
乘积不变号,就要求 f f f 必须在同一点、以同一方向 跟着变号——
f f f 在 ( 0 , x 2 ) (0,x_{2}) ( 0 , x 2 ) 上 ⩽ 0 \leqslant 0 ⩽ 0 、在 ( x 2 , + ∞ ) (x_{2},+\infty) ( x 2 , + ∞ ) 上 ⩾ 0 \geqslant 0 ⩾ 0 。
f f f 是直线,能做到这件事只有一种可能:斜率为正,且零点恰好是 x 2 x_{2} x 2 。
a − 1 > 0 且 1 a − 1 = x 2 . a-1>0\quad\text{且}\quad \frac{1}{a-1}=x_{2}. a − 1 > 0 且 a − 1 1 = x 2 .
这就是全部。下面四条路只是求这个方程的四种手法,
差别在于要不要碰 a 2 + 4 \sqrt{a^{2}+4} a 2 + 4 :
路一老实解那个含根号的方程;
路二把 x 2 x_{2} x 2 当主元,方程降成一个漂亮的二次;
路三只代一个 x x x ——而那个 x x x 是能自己找出来的,不是背来的;
路四换个角度整体改写,条件变成”两条曲线夹住一条水平线”,图一画答案就在交点上。
解法一:原卷路线——二次因式在 x > 0 x>0 x > 0 只变号一次,一次因式必须在同一点同向变号
冷启动已经把结构讲完,这里补齐”为什么别的情形都不行”,
因为这道题的分数一半在排除上 。
先排掉 a − 1 ⩽ 0 a-1\leqslant 0 a − 1 ⩽ 0 。
a − 1 < 0 a-1<0 a − 1 < 0 :f ( x ) = ( a − 1 ) x − 1 < 0 f(x)=(a-1)x-1<0 f ( x ) = ( a − 1 ) x − 1 < 0 对一切 x > 0 x>0 x > 0 (负斜率的直线,f ( 0 ) = − 1 < 0 f(0)=-1<0 f ( 0 ) = − 1 < 0 ,只会更负)。
于是要 h ⩾ 0 h\geqslant 0 h ⩾ 0 就得 g ⩽ 0 g\leqslant 0 g ⩽ 0 对一切 x > 0 x>0 x > 0 ,
但 x > x 2 x>x_{2} x > x 2 时 g > 0 g>0 g > 0 ,矛盾。
a − 1 = 0 a-1=0 a − 1 = 0 (即 a = 1 a=1 a = 1 ):f ≡ − 1 < 0 f\equiv-1<0 f ≡ − 1 < 0 ,同上矛盾。
所以 a > 1 a>1 a > 1 。 此时 f f f 递增、f ( 0 ) = − 1 < 0 f(0)=-1<0 f ( 0 ) = − 1 < 0 ,零点是 x 1 = 1 a − 1 > 0 x_{1}=\dfrac{1}{a-1}>0 x 1 = a − 1 1 > 0 ,
且 f < 0 f<0 f < 0 在 ( 0 , x 1 ) (0,x_{1}) ( 0 , x 1 ) 、f > 0 f>0 f > 0 在 ( x 1 , + ∞ ) (x_{1},+\infty) ( x 1 , + ∞ ) 。
把 x 1 x_{1} x 1 、x 2 x_{2} x 2 标到数轴上分三种情形:
( 0 , min ) (0,\min) ( 0 , min ) 两点之间 ( max , + ∞ ) (\max,+\infty) ( max , + ∞ ) x 1 < x 2 x_{1}<x_{2} x 1 < x 2 f < 0 , g < 0 ⇒ h > 0 f<0,g<0\Rightarrow h>0 f < 0 , g < 0 ⇒ h > 0 f > 0 , g < 0 ⇒ h < 0 f>0,g<0\Rightarrow h<0 f > 0 , g < 0 ⇒ h < 0 ✗h > 0 h>0 h > 0 x 1 > x 2 x_{1}>x_{2} x 1 > x 2 f < 0 , g < 0 ⇒ h > 0 f<0,g<0\Rightarrow h>0 f < 0 , g < 0 ⇒ h > 0 f < 0 , g > 0 ⇒ h < 0 f<0,g>0\Rightarrow h<0 f < 0 , g > 0 ⇒ h < 0 ✗h > 0 h>0 h > 0 x 1 = x 2 x_{1}=x_{2} x 1 = x 2 h > 0 h>0 h > 0 —— h > 0 h>0 h > 0
两点只要不重合,中间那一段必定为负 (长度为正的一段,不是一个点),
所以恒成立强迫 x 1 = x 2 x_{1}=x_{2} x 1 = x 2 。
解方程。 把 x = 1 a − 1 x=\dfrac{1}{a-1} x = a − 1 1 代进 g ( x ) = 0 g(x)=0 g ( x ) = 0 ,两边乘 ( a − 1 ) 2 > 0 (a-1)^{2}>0 ( a − 1 ) 2 > 0 :
1 − a ( a − 1 ) − ( a − 1 ) 2 = 0 ⟹ 1 − a 2 + a − a 2 + 2 a − 1 = 0 ⟹ − 2 a 2 + 3 a = 0 , 1-a(a-1)-(a-1)^{2}=0
\ \Longrightarrow\
1-a^{2}+a-a^{2}+2a-1=0
\ \Longrightarrow\
-2a^{2}+3a=0, 1 − a ( a − 1 ) − ( a − 1 ) 2 = 0 ⟹ 1 − a 2 + a − a 2 + 2 a − 1 = 0 ⟹ − 2 a 2 + 3 a = 0 ,
即 a ( 3 − 2 a ) = 0 a(3-2a)=0 a ( 3 − 2 a ) = 0 ,得 a = 0 a=0 a = 0 或 a = 3 2 a=\dfrac{3}{2} a = 2 3 。
a = 0 a=0 a = 0 必须舍 :它不满足前面挣到的 a > 1 a>1 a > 1 。
(直接看也清楚:a = 0 a=0 a = 0 时 f ( x ) = − x − 1 < 0 f(x)=-x-1<0 f ( x ) = − x − 1 < 0 、g ( x ) = x 2 − 1 g(x)=x^{2}-1 g ( x ) = x 2 − 1 在 x > 1 x>1 x > 1 时为正,h < 0 h<0 h < 0 。)
所以 a = 3 2 a=\dfrac{3}{2} a = 2 3 。 回代验证:f ( x ) = x 2 − 1 f(x)=\frac{x}{2}-1 f ( x ) = 2 x − 1 、g ( x ) = x 2 − 3 2 x − 1 = ( x − 2 ) ( x + 1 2 ) g(x)=x^{2}-\frac{3}{2}x-1=(x-2)\left(x+\frac{1}{2}\right) g ( x ) = x 2 − 2 3 x − 1 = ( x − 2 ) ( x + 2 1 ) ,
h ( x ) = 1 2 ( x − 2 ) ⋅ ( x − 2 ) ( x + 1 2 ) = 1 2 ( x − 2 ) 2 ( x + 1 2 ) ⩾ 0 ( x > 0 ) . h(x)=\frac{1}{2}(x-2)\cdot(x-2)\left(x+\frac{1}{2}\right)
=\frac{1}{2}(x-2)^{2}\left(x+\frac{1}{2}\right)\geqslant 0\quad(x>0). h ( x ) = 2 1 ( x − 2 ) ⋅ ( x − 2 ) ( x + 2 1 ) = 2 1 ( x − 2 ) 2 ( x + 2 1 ) ⩾ 0 ( x > 0 ) .
a = 0 a=0 a = 0 那个多余根是怎么冒出来的? 因为代入 g ( x 1 ) = 0 g(x_{1})=0 g ( x 1 ) = 0 只用到”x 1 x_{1} x 1 是 g g g 的零点”,
没用到”x 1 > 0 x_{1}>0 x 1 > 0 且 a > 1 a>1 a > 1 “。代入法天生只给必要条件 ,这就是必须回头验的原因。
解法二:恒非负 ⇒ \Rightarrow ⇒ 区间内的零点必是偶重根——改以那个正零点为主元,绕开 a 2 + 4 \sqrt{a^{2}+4} a 2 + 4
这条路把”同点同向变号”换成一句更好用的话。
一般原理 :若多项式 h h h 在一个区间上恒非负,而 x 0 x_{0} x 0 是区间内部 的零点,
那么 x 0 x_{0} x 0 必是偶重根 ——否则 h h h 在 x 0 x_{0} x 0 两侧异号,一侧就为负了。
(这正是”数轴标根”的规则:过奇重根变号、过偶重根不变号。)
用到本题 :x 2 > 0 x_{2}>0 x 2 > 0 是 g g g 的零点,故也是 h h h 的零点,而它在开区间 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) 内部,
所以它在 h h h 里的重数必须是偶数。g = x 2 − a x − 1 g=x^{2}-ax-1 g = x 2 − a x − 1 的判别式 a 2 + 4 > 0 a^{2}+4>0 a 2 + 4 > 0 ,
两根互异,所以 x 2 x_{2} x 2 在 g g g 里只出现一次 ;那多出来的一次只能由 f f f 提供:
f ( x 2 ) = 0. f(x_{2})=0. f ( x 2 ) = 0.
关键动作:别去解 x 2 x_{2} x 2 ,改把 x 2 x_{2} x 2 当自变量、把 a a a 当因变量。
两个条件都能解出 a a a :
g ( x 2 ) = 0 ⟹ a = x 2 − 1 x 2 ; f ( x 2 ) = 0 ⟹ a = 1 + 1 x 2 . g(x_{2})=0\ \Longrightarrow\ a=x_{2}-\frac{1}{x_{2}};\qquad
f(x_{2})=0\ \Longrightarrow\ a=1+\frac{1}{x_{2}}. g ( x 2 ) = 0 ⟹ a = x 2 − x 2 1 ; f ( x 2 ) = 0 ⟹ a = 1 + x 2 1 .
(第一式由 x 2 2 − a x 2 − 1 = 0 x_{2}^{2}-ax_{2}-1=0 x 2 2 − a x 2 − 1 = 0 除以 x 2 > 0 x_{2}>0 x 2 > 0 得;第二式由 ( a − 1 ) x 2 = 1 (a-1)x_{2}=1 ( a − 1 ) x 2 = 1 得,
顺带说明 a − 1 = 1 x 2 > 0 a-1=\frac{1}{x_{2}}>0 a − 1 = x 2 1 > 0 ,a > 1 a>1 a > 1 是自动的、不用另外讨论 。)
两式相等,同乘 x 2 > 0 x_{2}>0 x 2 > 0 :
x 2 − 1 x 2 = 1 + 1 x 2 ⟹ x 2 2 − x 2 − 2 = 0 ⟹ ( x 2 − 2 ) ( x 2 + 1 ) = 0. x_{2}-\frac{1}{x_{2}}=1+\frac{1}{x_{2}}
\ \Longrightarrow\
x_{2}^{2}-x_{2}-2=0
\ \Longrightarrow\
(x_{2}-2)(x_{2}+1)=0 . x 2 − x 2 1 = 1 + x 2 1 ⟹ x 2 2 − x 2 − 2 = 0 ⟹ ( x 2 − 2 ) ( x 2 + 1 ) = 0.
x 2 > 0 x_{2}>0 x 2 > 0 故 x 2 = 2 x_{2}=2 x 2 = 2 ,于是
a = 1 + 1 2 = 3 2 . a=1+\frac{1}{2}=\frac{3}{2}. a = 1 + 2 1 = 2 3 .
这条路的收益 :整道题没出现过 a 2 + 4 \sqrt{a^{2}+4} a 2 + 4 ,
a = 0 a=0 a = 0 那个多余根根本没机会产生 (因为 a = 1 + 1 x 2 > 1 a=1+\frac{1}{x_{2}}>1 a = 1 + x 2 1 > 1 已经内置了正确的范围),
最后落到一个能口算的二次方程。换主元把”含参的根”变成”生成参数的自变量” ,
是含参零点问题的通用减负手法。
充分性仍要验一次(h = 1 2 ( x − 2 ) 2 ( x + 1 2 ) ⩾ 0 h=\frac12(x-2)^{2}(x+\frac12)\geqslant0 h = 2 1 ( x − 2 ) 2 ( x + 2 1 ) ⩾ 0 ,同解法一)。
解法三:只代一个 x x x ——解”两因式之和为零”时 a a a 自动消掉,得 x = 2 x=2 x = 2 ,h ( 2 ) = − ( 2 a − 3 ) 2 h(2)=-(2a-3)^{2} h ( 2 ) = − ( 2 a − 3 ) 2
这条路最快,但它的价值在于那个特值是”找”出来的,不是”看答案”看出来的。
恒成立意味着每一个 x > 0 x>0 x > 0 都给一个关于 a a a 的不等式。
随便代当然可以:x = 1 x=1 x = 1 给
[ ( a − 1 ) − 1 ] ( 1 − a − 1 ) = ( a − 2 ) ( − a ) ⩾ 0 ⟹ a ( a − 2 ) ⩽ 0 ⟹ 0 ⩽ a ⩽ 2 , [(a-1)-1](1-a-1)=(a-2)(-a)\geqslant 0
\ \Longrightarrow\
a(a-2)\leqslant 0
\ \Longrightarrow\
0\leqslant a\leqslant 2, [( a − 1 ) − 1 ] ( 1 − a − 1 ) = ( a − 2 ) ( − a ) ⩾ 0 ⟹ a ( a − 2 ) ⩽ 0 ⟹ 0 ⩽ a ⩽ 2 ,
一个区间,没到位。问题是代哪个 x x x 最狠?
答案:代那个让两个因式互为相反数的 x x x 。 因为若 f ( x ) = − g ( x ) f(x)=-g(x) f ( x ) = − g ( x ) ,则
h ( x ) = f ( x ) g ( x ) = − f ( x ) 2 ⩽ 0 , h(x)=f(x)g(x)=-f(x)^{2}\leqslant 0, h ( x ) = f ( x ) g ( x ) = − f ( x ) 2 ⩽ 0 ,
而条件要 h ( x ) ⩾ 0 h(x)\geqslant 0 h ( x ) ⩾ 0 ,两头一夹只能 h ( x ) = 0 h(x)=0 h ( x ) = 0 ——一个等式,不是不等式 。
这种 x x x 存在吗?解 f ( x ) + g ( x ) = 0 f(x)+g(x)=0 f ( x ) + g ( x ) = 0 :
[ ( a − 1 ) x − 1 ] + [ x 2 − a x − 1 ] = x 2 + a x − x − a x − 2 = x 2 − x − 2. \bigl[(a-1)x-1\bigr]+\bigl[x^{2}-ax-1\bigr]
=x^{2}+ax-x-ax-2
=x^{2}-x-2 . [ ( a − 1 ) x − 1 ] + [ x 2 − a x − 1 ] = x 2 + a x − x − a x − 2 = x 2 − x − 2.
a a a 自己消掉了。 于是 f ( x ) + g ( x ) = x 2 − x − 2 = ( x − 2 ) ( x + 1 ) f(x)+g(x)=x^{2}-x-2=(x-2)(x+1) f ( x ) + g ( x ) = x 2 − x − 2 = ( x − 2 ) ( x + 1 ) ,
它在 x > 0 x>0 x > 0 上的唯一零点是
x = 2. x=2 . x = 2.
(x = − 1 x=-1 x = − 1 不在范围内。这一步是先验的 :不需要知道 a a a ,也不需要知道答案。)
代 x = 2 x=2 x = 2 :f ( 2 ) = 2 a − 3 f(2)=2a-3 f ( 2 ) = 2 a − 3 、g ( 2 ) = 4 − 2 a − 1 = 3 − 2 a = − f ( 2 ) g(2)=4-2a-1=3-2a=-f(2) g ( 2 ) = 4 − 2 a − 1 = 3 − 2 a = − f ( 2 ) ,故
h ( 2 ) = f ( 2 ) g ( 2 ) = − ( 2 a − 3 ) 2 ⩾ 0 ⟹ ( 2 a − 3 ) 2 ⩽ 0 ⟹ a = 3 2 . h(2)=f(2)g(2)=-(2a-3)^{2}\geqslant 0
\ \Longrightarrow\
(2a-3)^{2}\leqslant 0
\ \Longrightarrow\
a=\frac{3}{2}. h ( 2 ) = f ( 2 ) g ( 2 ) = − ( 2 a − 3 ) 2 ⩾ 0 ⟹ ( 2 a − 3 ) 2 ⩽ 0 ⟹ a = 2 3 .
一个特值把 a a a 逼死了。
但必须把话说完。 到这里得到的只是必要条件 :
“若恒成立,则 a = 3 2 a=\frac32 a = 2 3 “。反过来 a = 3 2 a=\frac32 a = 2 3 是否真的恒成立,
特值法一个字都没说 。所以补上充分性——这一步不能省:
a = 3 2 : h ( x ) = ( x 2 − 1 ) ( x 2 − 3 2 x − 1 ) = 1 2 ( x − 2 ) 2 ( x + 1 2 ) ⩾ 0 ( x > 0 ) . ✓ a=\frac{3}{2}:\quad
h(x)=\left(\frac{x}{2}-1\right)\left(x^{2}-\frac{3}{2}x-1\right)
=\frac{1}{2}(x-2)^{2}\left(x+\frac{1}{2}\right)\geqslant 0\quad(x>0). \checkmark a = 2 3 : h ( x ) = ( 2 x − 1 ) ( x 2 − 2 3 x − 1 ) = 2 1 ( x − 2 ) 2 ( x + 2 1 ) ⩾ 0 ( x > 0 ) . ✓
为什么 x = 2 x=2 x = 2 这么灵? 回头看就明白了:f ( x ) = − g ( x ) f(x)=-g(x) f ( x ) = − g ( x ) 且 h ( x ) = 0 h(x)=0 h ( x ) = 0 ,
逼出 f ( 2 ) = g ( 2 ) = 0 f(2)=g(2)=0 f ( 2 ) = g ( 2 ) = 0 ——也就是 x = 2 x=2 x = 2 同时是两个因式的零点 ,
正是解法一、二里那个"x 1 = x 2 x_{1}=x_{2} x 1 = x 2 "。三条路撞的是同一件事,只是路三从”和”这一侧摸到了它 ,
而”和”里的 a a a 恰好抵消,所以不必先知道 a a a 。
这一招什么时候能用 :乘积(或和)型恒成立,且能找到一个让两个因子互为相反数
(或让某个平方项现身)的具体点。判据是”代进去之后不等式变成等式” ——
只要出现 − ( ⋅ ) 2 ⩾ 0 -(\ \cdot\ )^{2}\geqslant 0 − ( ⋅ ) 2 ⩾ 0 这种形状,参数就被夹死了。
解法四:参变分离 ——条件等价于 a a a 被 x − 1 x x-\frac{1}{x} x − x 1 与 1 + 1 x 1+\frac{1}{x} 1 + x 1 夹住,两曲线只相遇一次
前三条都在研究”a a a 让两个因式怎么变号”。这一条反过来:把 a a a 解出来。
两个因式各自的零点都能显式解出 a a a (x > 0 x>0 x > 0 故可以除):
g ( x ) = x 2 − a x − 1 = x ( x − 1 x − a ) = x ( u ( x ) − a ) , u ( x ) = x − 1 x ; g(x)=x^{2}-ax-1=x\left(x-\frac{1}{x}-a\right)=x\bigl(u(x)-a\bigr),
\qquad u(x)=x-\frac{1}{x}; g ( x ) = x 2 − a x − 1 = x ( x − x 1 − a ) = x ( u ( x ) − a ) , u ( x ) = x − x 1 ;
f ( x ) = ( a − 1 ) x − 1 = x ( a − 1 − 1 x ) = x ( a − v ( x ) ) , v ( x ) = 1 + 1 x . f(x)=(a-1)x-1=x\left(a-1-\frac{1}{x}\right)=x\bigl(a-v(x)\bigr),
\qquad v(x)=1+\frac{1}{x}. f ( x ) = ( a − 1 ) x − 1 = x ( a − 1 − x 1 ) = x ( a − v ( x ) ) , v ( x ) = 1 + x 1 .
(两式直接展开即可核对。)于是
h ( x ) = f ( x ) g ( x ) = x 2 ( a − v ( x ) ) ( u ( x ) − a ) , h(x)=f(x)g(x)=x^{2}\bigl(a-v(x)\bigr)\bigl(u(x)-a\bigr), h ( x ) = f ( x ) g ( x ) = x 2 ( a − v ( x ) ) ( u ( x ) − a ) ,
而 x 2 > 0 x^{2}>0 x 2 > 0 ,所以条件 h ( x ) ⩾ 0 h(x)\geqslant 0 h ( x ) ⩾ 0 等价于
( a − v ( x ) ) ( u ( x ) − a ) ⩾ 0 对一切 x > 0. \bigl(a-v(x)\bigr)\bigl(u(x)-a\bigr)\geqslant 0\qquad\text{对一切 }x>0 . ( a − v ( x ) ) ( u ( x ) − a ) ⩾ 0 对一切 x > 0.
这个式子念出来就是一句话 :a a a 必须夹在 u ( x ) u(x) u ( x ) 与 v ( x ) v(x) v ( x ) 之间
(含端点,谁大谁小都行)。对每一个 x > 0 x>0 x > 0 都要夹住 ——于是答案必须同时落在所有这些”夹子”里。
两个夹子端点的性质是现成的 :
u ( x ) = x − 1 x u(x)=x-\dfrac{1}{x} u ( x ) = x − x 1 在 x > 0 x>0 x > 0 上递增 (两项都递增),从 − ∞ -\infty − ∞ 增到 + ∞ +\infty + ∞ ;
v ( x ) = 1 + 1 x v(x)=1+\dfrac{1}{x} v ( x ) = 1 + x 1 在 x > 0 x>0 x > 0 上递减 ,从 + ∞ +\infty + ∞ 减到 1 1 1 。
一增一减,所以它们最多相遇一次 。相遇点由 u ( x ) = v ( x ) u(x)=v(x) u ( x ) = v ( x ) 定:
x − 1 x = 1 + 1 x ⟹ x − 2 x = 1 ⟹ x 2 − x − 2 = 0 ⟹ x = 2 ( x > 0 ) , x-\frac{1}{x}=1+\frac{1}{x}
\ \Longrightarrow\
x-\frac{2}{x}=1
\ \Longrightarrow\
x^{2}-x-2=0
\ \Longrightarrow\
x=2\ (x>0), x − x 1 = 1 + x 1 ⟹ x − x 2 = 1 ⟹ x 2 − x − 2 = 0 ⟹ x = 2 ( x > 0 ) ,
此时 u ( 2 ) = v ( 2 ) = 2 − 1 2 = 3 2 u(2)=v(2)=2-\dfrac{1}{2}=\dfrac{3}{2} u ( 2 ) = v ( 2 ) = 2 − 2 1 = 2 3 。
收网只需一个 x x x 。 约束”a a a 夹在 u ( x ) u(x) u ( x ) 与 v ( x ) v(x) v ( x ) 之间”对每个 x > 0 x>0 x > 0 都成立,
而 x = 2 x=2 x = 2 本身就在范围里,那里两个端点重合成同一个数:
u ( 2 ) ⩽ a ⩽ v ( 2 ) 即 3 2 ⩽ a ⩽ 3 2 ⟹ a = 3 2 . u(2)\leqslant a\leqslant v(2)
\quad\text{即}\quad
\frac{3}{2}\leqslant a\leqslant\frac{3}{2}
\ \Longrightarrow\
a=\frac{3}{2}. u ( 2 ) ⩽ a ⩽ v ( 2 ) 即 2 3 ⩽ a ⩽ 2 3 ⟹ a = 2 3 .
夹子在那一点退化成一个点,a a a 就没有别的选择了。
换个说法(不用 x = 2 x=2 x = 2 这个点也能收网) :只看 0 < x < 2 0<x<2 0 < x < 2 ,那里 v > u v>u v > u ,
夹子是 [ u ( x ) , v ( x ) ] [u(x),v(x)] [ u ( x ) , v ( x )] ,于是
a ⩾ sup 0 < x < 2 u ( x ) = 3 2 , a ⩽ inf 0 < x < 2 v ( x ) = 3 2 . a\geqslant\sup_{0<x<2}u(x)=\frac{3}{2},
\qquad
a\leqslant\inf_{0<x<2}v(x)=\frac{3}{2}. a ⩾ 0 < x < 2 sup u ( x ) = 2 3 , a ⩽ 0 < x < 2 inf v ( x ) = 2 3 .
(u u u 递增故上确界是 x → 2 − x\to2^{-} x → 2 − 的极限 u ( 2 ) = 3 2 u(2)=\frac32 u ( 2 ) = 2 3 ,v v v 递减故下确界是 v ( 2 ) = 3 2 v(2)=\frac32 v ( 2 ) = 2 3 ;
两个确界在这个开 区间上都取不到,但确界本身已经把 a a a 卡死了——
“取不到”不会让约束松一档,这一点别想反。)
x > 2 x>2 x > 2 那一半给的约束更松:那里 u > v u>v u > v ,夹子是 [ v ( x ) , u ( x ) ] [v(x),u(x)] [ v ( x ) , u ( x )] ,a = 3 2 a=\frac32 a = 2 3 显然落在里面。
反过来验充分性 :a = 3 2 a=\frac32 a = 2 3 时,对每个 x > 0 x>0 x > 0 ,
( 3 2 − v ( x ) ) ( u ( x ) − 3 2 ) \left(\frac32-v(x)\right)\left(u(x)-\frac32\right) ( 2 3 − v ( x ) ) ( u ( x ) − 2 3 ) 的两个括号同时 在 x < 2 x<2 x < 2 为
(负)·(负)、在 x > 2 x>2 x > 2 为(正)·(正)、在 x = 2 x=2 x = 2 同时为零,乘积恒 ⩾ 0 \geqslant0 ⩾ 0 。✓ \checkmark ✓
这条路给出的图像 是教学图第①块:两条曲线一增一减,只在 ( 2 , 3 2 ) \left(2,\frac32\right) ( 2 , 2 3 ) 相遇,
那条水平线 y = a y=a y = a 想要”处处夹在两条曲线之间”,只能穿过那个交点。
“可行带缩成一个点”这件事在图上是一眼的 ,在代数里则要靠上面那两个确界说清。
四条路怎么选
要不要碰 a 2 + 4 \sqrt{a^{2}+4} a 2 + 4 会不会冒出多余根 必要性 充分性 路一(原卷) 要(隐含在 x 2 x_{2} x 2 里) 会(a = 0 a=0 a = 0 ,靠 a > 1 a>1 a > 1 排掉) 三种情形逐一排 需回代 路二 不要 不会 (a = 1 + 1 x 2 > 1 a=1+\frac{1}{x_{2}}>1 a = 1 + x 2 1 > 1 自带范围)偶重根 需回代 路三 不要 不会 一步 必须 回代路四 不要 不会 上下确界 一句话
考场上先试路三 :f + g f+g f + g 里 a a a 抵消是三十秒能看出来的事,
代一个 x x x 就得答案,再花一行回代验证。总时间最短。
路三看不出来时用路二 :偶重根这一步不需要灵感,
而”以 x 2 x_{2} x 2 为主元”是机械动作,且自动挣到 a > 1 a>1 a > 1 ,比路一少一整段讨论。
路四适合改成”求 a a a 的取值范围”的变体 :一旦题目把 ⩾ \geqslant ⩾ 换成别的、
或把 x > 0 x>0 x > 0 换成一个有限区间,路四的两个确界会直接给出区间 ,
而路一路二得从头讨论。
路一不该跳过 :那张符号表是这道题的骨架,另外三条路都在偷懒地绕过它。
第一次做这道题,值得把表画一遍。
一句话带走
g g g 在 x > 0 x>0 x > 0 只变号一次,而乘积不许变号——于是 f f f 的零点必须和 g g g 的正零点重合。
把这句话写成方程有四种写法,最省的是”两因式之和为零时 a a a 自动消掉”,
给出唯一可代的 x = 2 x=2 x = 2 ,h ( 2 ) = − ( 2 a − 3 ) 2 ⩾ 0 h(2)=-(2a-3)^{2}\geqslant0 h ( 2 ) = − ( 2 a − 3 ) 2 ⩾ 0 一步逼出 a = 3 2 a=\frac32 a = 2 3 ;
但特值只给必要条件 ,h ( x ) = 1 2 ( x − 2 ) 2 ( x + 1 2 ) ⩾ 0 h(x)=\frac12(x-2)^{2}\left(x+\frac12\right)\geqslant0 h ( x ) = 2 1 ( x − 2 ) 2 ( x + 2 1 ) ⩾ 0 这一行回代不能省。