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不等式恒成立问题解析
2025/08/14·StepFun can make mistakes, check important info.
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请帮忙做题,列出详细步骤
Reason
思考过程

首先,问题是:若 对任意 恒成立,其中 为整数,则 不可能取值为( ),选项是 A. -7, B. -6, C. -5, D. -17。

我需要找到整数 ,使得不等式 对所有 成立,然后检查 哪些值不可能出现。

步骤1:分析不等式和定义域

定义域是 ,即非正实数。我需要确保对于所有 ,乘积

首先,注意 :因为 ,所以 ,因此 的符号取决于

  • 如果 ,那么 ,即对所有 (除非 ,但 )。
  • 如果 ,那么 可能正可能负,因为当 小时, 可能负,当 大时,

类似地,:因为 ,所以:

  • 如果 ,那么 ,所以 ,即对所有
  • 如果 ,那么 ,对所有
  • 如果 ,那么 (因为 ,负负得正),所以 可能正可能负,取决于

现在,乘积 对所有 成立。

步骤2:考虑不同情况(基于 的符号)

情况1:

如果 ,那么 对所有 (实际上,如果 ,则 ;如果 ,则 ,仅在 时为0)。

因此,不等式变为

由于 且不恒为零(除非 ),乘积的符号由 决定,但需要确保乘积非负。

实际上,因为 对所有 (如果 ),或者 且仅在 时为0(如果 ),所以:

  • 如果 ,则 ,所以不等式等价于 对所有
  • 如果 ,则 ,且在 ,在 时为0。所以当 时,不等式等价于 ;在 时,乘积为 ,成立。

现在, 对所有 成立吗?

  • 如果 ,则 ,所以 ,因此 对所有 ,所以 从不成立。除非... 但 ,所以如果 ,乘积 ,不满足
  • 如果 ,则 ,同样,如果 ,乘积为负;如果 ,在 时乘积为负(因为 ),不满足。
  • 如果 ,则 (因为 ),所以 可能正可能负。例如,当 接近0时,;当 ,由于 ,所以 。因此, 在某个点为零或变号。

具体来说,。由于 ,所以在 范围内。

因此,对于 上不是总是非负的;它在 处为零,在 时为正(因为 更负时 更大),在 时为负。

但我们需要对所有

如果 ,所以乘积的符号与 相同。但 时为负,而 ,所以对于 ,乘积为负,违反不等式。

如果 ,在 时,,所以乘积的符号与 相同,同样在 上为负,不满足。

因此, 时,无论 如何,不等式都不能对所有 成立。因为 接近0时总是负的(除非 很大,但 是整数, 时为 ,且连续,所以在包含0的区间内为负)。

更准确地说,对于任何 ,在 时,。如果 ,则为负;如果 ,则为0,但附近点可能负。

但无论如何,从以上分析,当 时,似乎不可能。但我们需要检查是否可能。

或许当 满足某些条件,但似乎不行。

所以,可能 必须小于0,以使 在某些区域为负,从而可能乘积非负。

情况3:

现在,假设 ,记 ,其中 ,所以

这个二次函数在 处有根。由于 ,我们关注

时为正,在 时为负。因此,对于 ,当 ,当 (因为 )。

现在, 是线性的。

我们需要 对所有 成立。

由于 上变号(在 处),而 也可能变号,所以乘积要恒非负,两者必须同号,或其中一个为零。

更仔细地说,乘积在 上不变号或仅在零点为零。

定义函数

我们需要 对所有

是一个三次函数:

展开:

所以

但或许不需要展开。

由于我们需要对所有 成立,特别是当 时, 的行为取决于

  • 如果 ,则当 (因为 ),而其他项增长较慢,所以 ,但我们需要 ,矛盾。因此, 时, 不能为正
  • 如果 ,则 。由于 时为负,在 时为正。因此,对于 ,所以 (负数)乘以负数 = 正数?等等:,所以负乘负 = 正。但当 时,,所以 (负)乘正 = 负。因此,当 时,,违反条件。所以 时,也不成立
  • 因此,唯一可能是

所以, 必须是负整数,且 (因为 的情况已被排除)。

现在,设

所以

我们需要对所有

现在,分析 的根和符号变化。

首先,。由于

其次,,所以在 上,根在

因此, 的根在 (假设 )。

由于是三次函数,最多三个实根,但这里有两个不同的根(可能相同)。

现在,对于 ,我们需要

考虑关键点:,以及

由于 ,当 (因为 ,负乘负=正),所以

,成立。

现在, 可能在 上有最小值,我们需要这些最小值非负。

但或许更容易考虑符号变化。

(因为 ),

假设 ,那么根为 ,且由于首项系数 ,但首项是 ,所以当 ,当

对于 ,函数从 开始,在某个点可能下降。

符号变化:在根处变号。

我们需要对所有 。由于当 ,且在 ,如果 上没有穿过零点或低于零,那么它必须没有实根或根在允许范围外,但这里在 上有根

在根处 ,这是允许的(),但我们需要在这些点之间没有负值。

具体来说,由于是连续函数,如果它在 上有根,那么在这些根之间,它可能为正或负。

例如,假设 ,那么当 的符号:由于首项系数 ,且是三次函数,但更简单的方法是测试区间。

考虑区间 ,分为若干部分。

但关键点是

现在, 对所有 成立的条件是 上不取负值。

由于在 处为零,且当 时为正,在 时为正,如果 不同,那么在这些点之间,函数可能为负。

例如,如果 ,那么考虑 之间,比如

但或许可以计算 在某个点的值。

为了使 对所有 成立,一个必要条件是 上没有负的最小值,但更严格的条件是它不应在 上变号。

实际上,由于在 时为正,在 时为正,如果它在某个点为负,则违反条件。因此,它必须在 上非负,这意味着它不能穿过零点,除非在孤立点,但它在 处为零,所以如果 ,那么在这些点之间,它必须保持非负,但三次函数在根之间可能为负。

除非两个根重合,或者函数没有实根,但这里有两个不同的根(可能)。

因此,可能当 时,即

因为如果根重合,那么 之类的形式,但让我们看看。

由于 ,所以 ,成立。

所以,

因此,(因为两边负,但平方根为正,所以 ,由于 ,成立)。

所以

两边平方:

,所以

现在,由于 是整数,且 是负整数,所以 必须是整数。

因此, 必须是 16 的因数,因为 是整数。

16 的因数:,但 是负整数,所以 (因为 ,对应 )。

,所以 (负整数)。

然后

现在,检查这些是否确实满足原不等式。

首先,,所以 ,且 ,相等,成立。

现在,?因为 ,且

所以

现在,,所以

,所以

对于 恒成立,且当

:因为 ,所以

因此,

对于 ,且在 时为零。

对于

所以

,所以 (正乘负=负),然后

时,

时,

等等,但之前我们知道它趋于

更简单:

对于 ,所以 ,且 ,所以乘积 ,且在 ,在 时为零。

因此,对于所有 ?不,对于 ,所以 ,且 ,所以 ,但我们的定义域是 ,在 时,如上所述, 成立。

很好。

现在,类似地,检查

所以

所以

对于 ,当

:因为 ,所以

因此,

所以,,然后

时,

时,

(因为 )。

所以是的,对于

现在,

?等等。

所以

对于 ,当

:因为 ,所以

因此,(因为负乘负)。

时,

时,

很好。

所以,我们有三种可能性:

现在,问题是 不可能取哪些值,选项为 A. -7, B. -6, C. -5, D. -17。

从上面看,我们有

但 -7 不在其中。

是否有其他可能性?

之前我假设当 时,必须有 ,但这是否必要?

我假设如果根不重合,那么函数在某个区间内为负。

例如,假设 ,但

,且

假设

那么,对于 ,由于首项系数 ,且是奇次根,?让我们测试一个点。

例如,取

但或许考虑符号。

三次函数

根在 ,且由于首项系数 ,当 ,当

对于两个负根 ,那么符号变化:在 处,从正变负?标准:对于三次函数,如果有两个实根, say r1 < r2,那么当 x < r1 时,f(x) 与首项系数同号(因为 x^3 项主导),所以如果 a<0,则当 x < r1 时 f(x) <0?不对。

首项系数是 a(x^3 的系数),所以当 x → ∞ 时,f(x) → -∞(因为 a<0),当 x → -∞ 时,f(x) → +∞(a<0,x^3→-∞,负乘负=正)。

在根处:在 r1 处,由于是奇重数(可能是单根),符号变化。

假设 r1 和 r2 都是单根,那么:

  • 当 x < r1 时,f(x) >0(因为趋于 +∞)

  • 在 r1 和 r2 之间,f(x) <0(因为在 r1 处由正变负,在 r2 处由负变正?)

在 r1 处,如果是最小根,且 a<0,那么当 x 增加经过 r1 时,f 由正变负。

然后在 r2 处,由负变正。

所以,在区间 (r1, r2) 内,f(x) <0。

现在,如果 r1 和 r2 都小于 0,且 r1 < r2,那么 (r1, r2) 是 x≤0 的子集(因为 r2<0),所以在 (r1, r2) 内,f(x) <0,违反 f(x) ≥0 的条件。

类似地,如果 r2 < r1 <0,那么 r1 是较大根,所以当 x 增加经过 r2 时,f 由正变负(如果 r2 是单根),然后在 r1 处由负变正。所以同样,在 (r2, r1) 内 f(x)<0,而 (r2, r1) 在 x≤0 内。

因此,只有当根重合时,即 r1 = r2 时,才没有区间为负。

如果三个实根,但这里只有两个因子,所以最多两个实根?不,ax-4 和 x^2 -c 各有一个实根(x^2-c 有两个实根,但一个是负的)。

f(x) 是三次函数,所以可能有一个或三个实根。

但在 x≤0 上,我们有根在 4/a 和 -√c。

如果 4/a = -√c,那么是重根。

否则,如果它们不同,那么有两个不同的实根,如上所述,在它们之间 f(x)<0。

如果有一个实根(但这里 x^2 -c 对于 c>0 总有两个实根,ax-4 总有一个实根,所以 f(x) 总有两个或三个实根?不。

例如,如果 ax-4 和 x^2 -c 有公共根,但否则,三个实根?不。

设 g(x) = ax-4,h(x)=x^2 -c。

g 有根 r1=4/a,h 有根 ±√c。

所以 f(x)=g(x)h(x),所以在 r1 和 ±√c 处为零。

如果 r1 ≠ -√c 且 r1 ≠ √c,那么三个不同的根,但 √c >0,而 r1<0,所以 r1 ≠ √c 恒成立。所以如果 r1 ≠ -√c,那么三个不同的根:r1, -√c, √c。

但在 x≤0 上,根在 r1 和 -√c。

现在,由于有三个不同的实根,且首项系数 a<0,所以符号变化:在 r1(最小)处由正变负,在 -√c 处由负变正,在 √c 处由正变负?根的顺序。

假设 r1 < -√c <0 < √c。

那么,当 x < r1 时,f(x) >0(趋于 +∞)。

在 x=r1 处,f=0,且由正变负(因为下一个根在 -√c > r1)。

在 (r1, -√c) 内,f(x) <0。

在 x= -√c 处,f=0,且由负变正(因为下一个根在 √c >0)。

在 (-√c, √c) 内,f(x) >0。

在 x=√c 处,f=0,且由正变负。

在 x>√c 时,f(x)<0。

现在,在 x≤0 上,在 (r1, -√c) 内,f(x)<0,所以如果 r1 < -√c,那么在此区间内为负,违反条件。

类似地,如果 -√c < r1 <0,那么根的顺序是 -√c < r1 <0 < √c。

那么,当 x < -√c 时,f(x)>0。

在 x= -√c 处,f=0,且由正变负(因为下一个根在 r1 > -√c)。

在 (-√c, r1) 内,f(x)<0。

在 x=r1 处,f=0,且由负变正(因为下一个根在 √c >0)。

在 (r1, √c) 内,f(x)>0。

在 x>√c 时,f(x)<0。

所以在 ( -√c, r1) 内,f(x)<0,而如果 -√c < r1,此区间在 x≤0 内,所以再次为负。

因此,只有当 r1 = -√c 时,没有区间为负,此时是重根,f(x) 在 x= r1 处有重根,且在 x≤0 上非负。

因此,唯一可能是 4/a = -√c,且 b= -c = - (16 / a^2),a 负整数,a^2 整除 16,所以 a= -1,-2,-4,对应的 b= -16,-4,-1,a+b= -17,-6,-5。

现在,选项中有 -7,不在列表中。

但检查 -7 是否可能。

如果 a+b= -7,a 负整数,b 整数。

从上面看,只有三种情况,a+b 为 -17,-6,-5。

-7 不在其中。

但为了彻底,假设 a+b= -7,a<0,b<0。

那么 b= -7 -a。

现在,c= -b = 7 + a。

现在,需要 4/a = -√c,即 √c = -4/a。

所以 c = 16 / a^2。

但 c=7 + a。

所以 7 + a = 16 / a^2。

由于 a 负整数,设 a= -k,k>0 整数。

那么 7 - k = 16 / k^2。

所以 16 / k^2 = 7 - k。

两边乘以 k^2:16 = (7 - k) k^2。

所以 16 = 7k^2 - k^3。

即 k^3 - 7k^2 + 16 = 0。

现在,k 正整数,解 k^3 - 7k^2 + 16 = 0。

试 k=1:1 - 7 + 16 = 10 ≠ 0

k=2:8 - 28 + 16 = -4 ≠ 0

k=3:27 - 63 + 16 = -20 ≠ 0

k=4:64 - 112 + 16 = -32 ≠ 0

k=5:125 - 175 + 16 = -34 ≠ 0

k=6:216 - 252 + 16 = -20 ≠ 0

k=7:343 - 343 + 16 = 16 ≠ 0

k=8:512 - 448 + 16 = 80 ≠ 0

无整数解。且对于 k≥3,k^3 -7k^2 = k^2(k-7) ≤0(k≤7),但 +16,在 k=2 时 -4+16=12>0?等等,在 k=2 时,8-28+16= -4 <0,k=1 时 1-7+16=10>0,所以在 (1,2) 之间有根,但 k 整数,无解。

因此,没有整数 a 使得 a+b=-7 且满足条件。

类似地,对于其他值,我们有解。

现在,选项 D 是 -17,对应 a=-1,b=-16。

B 是 -6,a=-2,b=-4。

C 是 -5,a=-4,b=-1。

A 是 -7,不可能。

但问题是“不可能取值”,所以 -7 不可能。

但确认所有情况是否都覆盖。

之前当 b≥0 时,我们得出结论不成立,但快速检查。

例如,如果 b=0,a 任何值。

f(x)=(ax-4)(x^2) = x(ax-4)。

对于 x≤0,当 x<0 时,x<0,ax-4:如果 a>0,ax≤0,ax-4≤-4<0,所以 负数乘负数=正数?x<0,ax-4<0,所以 x(ax-4) = 负 × 负 = 正。

在 x=0 时,0。

所以 f(x) = x(ax-4),对于 x<0,如果 a>0,ax-4<0,所以 f(x)>0?x<0,ax-4<0,乘积为正,是的。

但之前我认为当 b=0 且 a>0 时,在 x=0 附近,但让我们检查。

例如,a=1,b=0,f(x)=(x-4)x^2。

对于 x≤0,当 x<0 时,x^2>0,x-4<0(因为 x≤0<4),所以 (负)(正)=负?f(x)=(x-4)x^2。

x^2 总是非负。

x-4:对于 x≤0<4,x-4<0。

所以 (负数) × (非负) = 非正。

在 x=0 时,f(0)=(-4)(0)=0。

当 x<0 时,例如 x=-1,f(-1)=(-1-4)(1)= (-5)(1)= -5 <0,但需要 ≥0,不满足。

是的,所以为负。

如果 a<0,b=0,f(x)=(ax-4)x^2。

对于 x<0,x^2>0,ax-4:如果 a<0,ax>0(因为 x<0),所以 ax-4 可能正可能负。

在 x=4/a 处,但由于 a<0,4/a<0。

例如,a=-1,b=0,f(x)=(-x-4)x^2。

在 x=-1 时,f(-1)=(-(-1)-4)(1)=(1-4)(1)= -3<0。

在 x=0 时,0。

所以再次为负。

因此,确实,只有当 b<0 且 a<0 且 4/a = -√(-b) 时成立。

因此,a+b 的可能值为 -17, -6, -5。

所以不可能的是 -7。

因此,答案是 A. -7。

但选项中 D 是 -17,这是可能的。

所以问题要求“不可能取值”,所以是 -7。

现在,确认选项:A. -7, B. -6, C. -5, D. -17。

所以 A 是 -7,不可能。

在答案中,应选择 A。

但问题是“不可能取值”,所以是 A。

现在,框出答案。

所以,最终答案是 A. -7。

要解决不等式 对任意 恒成立的问题,需找到整数 使得条件满足,并分析 的可能取值。

步骤1:分析 的符号(确定 的范围)

由于 ,则 ,因此:

  • ,则 (仅在 时为0,其余为正)。
  • ,则 的符号随 变化:当 时为正,当 时为负(记 ,则 )。

步骤2:分析 的符号(确定 的范围)

由于 ,则:

  • ,则 ,故 (对所有 为负)。
  • ,则 (对所有 为负)。
  • ,则 (负负得正),故 的符号随 变化(在 处为零, 时为正, 时为负)。

步骤3:分情况讨论不等式成立的充要条件

情况1:

此时 ,不等式等价于 对所有 成立。但:

  • ,则 对所有 ,乘积为负,不满足
  • ,则 上为负,乘积为负,不满足
    因此, 时无解

情况2:

此时 ),需 对所有 成立。分析 的符号:

  • ,则当 时,,乘积 ,不满足。
  • ,则 ,当 时,,乘积为负,不满足。
  • ,则需进一步分析。

步骤4: 时的核心条件

),则不等式为 对所有 成立。

  • 的根为 (因 )。
  • 的根为 (因 )。

函数 是三次函数,当 (因 ,负负得正),在

,则 的某区间内为负(因三次函数在根之间变号),不满足 。因此,必须 ,即:

两边平方得 ,结合 ,得:

步骤5:整数解与 的可能取值

为负整数, 为整数,故 必须是 16 的约数。16 的约数为 ,对应负整数

  • ,则
  • ,则
  • ,则

步骤6:验证不可能取值

选项中 的可能值为 ,而 不在上述解中。进一步验证:
假设 ,则 。代入 得:

整数),则 ,即 。试整数 无解,故 不可能。

结论

的可能取值为 ,不可能取值为 ,对应选项 A