LTĐH chuyên đề ứng dụng tính đơn điệu của hàm số để giải một số phương trình vô tỷ

Chuẩn bị cho kỳ thi vào Đại học THPT Chuyên Nguyễn Quang Diêu

ỨNG DỤNG SỰ BIẾN THIÊN CỦA HÀM SỐ
ĐỂ GIẢI MỘT SỐ PHƯƠNG TRÌNH
Huỳnh Chí Hào
I. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN
1. Các định lý
• Cho hàm số
y f (x)
=
có đạo hàm trên khoảng
(
)
;
a b
.
a) Nếu
(
)
f ' x 0
>
với mọi
(
)
x a; b
∈
thì hàm số
f (x)
đồng biến trên
(
)

;
a b

b) Nếu
(
)
f ' x 0
<
với mọi
(
)
x a; b
∈
thì hàm số
f (x)
nghịch biến trên
(
)
;
a b

• Nếu hàm số liên tục trên đọan
[
]
a; b
và có đạo hàm
f '(x) 0
>
trên khoảng
(

)
a; b
thì hàm số f đồng
biến trên đọan
[
]
a;b

• Nếu hàm số liên tục trên đọan
[
]
a; b
và có đạo hàm
f '(x) 0
<
trên khoảng
(
)
a; b
thì hàm số f
nghịch biến trên đọan
[
]
a;b

2. Các tính chất
• Tính chất 1: Giả hàm số
(
)
y f x

=
đồng biến (nghịch biến) trên khoảng
(
)
a; b
và
(
)
u; v a;b
∈
ta
có:
(
)
(
)
f u f v u v
= ⇔ =

• Tính chất 2: Nếu hàm số
(
)
y f x
=
đồng biến trên
(
)
a; b
và
(

)
y g x
=
làm hàm hằng hoặc là một
hàm số nghịch biến trên
(
)
a; b
thì phương trình
(
)
(
)
f x g x
=
có nhiều nhất một nghiệm thuộc
khoảng
(
)
a; b

Dựa vào tính chất trên ta suy ra:
Nếu có
(
)
0
x a;b
∈
sao cho
(

)
(
)
0 0
f x g x
=
thì phương trình
(
)
(
)
f x g x
=
có nghiệm duy nhất trên

(
)
a; b

II. ÁP DỤNG


Thí dụ 1. Giải phương trình
15 3 6
x x
− + − =
(1)
Lời giải.
• Điều kiện:
3

x
≤

• Xét hàm số
( ) 15 3
f x x x
= − + −
với
(
]
;3
x ∈ −∞
, khi đó:

(
)
(
)
(
)
1 1
f x f
⇔ = −
(2)
•
Khảo sát tính đơn điệu của hàm số
f
trên nữa khoảng
(
]

;3
−∞

Ta có:
( )
1 1
'( ) 0 ;3
2 15 2 3
f x x
x x
= − − < ∀ ∈ −∞
− −

•
Do
f
liên tục trên nữa khoảng
(
]
;3
−∞
và
(
)
(
)
' 0 ;3
f x x< ∀ ∈ −∞
nên
f

đồng biến trên nữa
kho
ảng
(
]
;3
−∞

•
Suy ra:
(
)
2 1
x
⇔ = −

•
Vậy phương trình (1) có nghiệm duy nhất là
1
x
= −
.


Thí dụ 2. Giải phương trình
3 5 2 3 2 12
x x x
− + + = + −
(1)
Lời giải.

• Điều kiện:
5
12
3
x
≤ ≤

Ta có:
(
)
1 3 5 2 3 12 2
x x x
⇔ − + + − − =
(2)
•

Xét hàm s
ố

( ) 3 5 2 3 12
f x x x x
= − + + − −
với
5
;12
3
x
 
∈
 

 
, khi đó:
Chuẩn bị cho kỳ thi vào Đại học THPT Chuyên Nguyễn Quang Diêu

(
)
(
)
(
)
1 3
f x f
⇔ =
(3)
•
Khảo sát tính đơn điệu của hàm số
f
trên đoạn
5
;12
3
 
 
 

Ta có:
3 1 1 5
'( ) 0 ;12
3
2 3 5 2 3 2 12

f x x
x x x
 
= + + > ∀ ∈
 
− + −
 

Do
f
liên tục trên đoạn
5
;12
3
 
 
 
và
( )
5
' 0 ;12
3
f x x
 
> ∀ ∈
 
 
nên
f
đồng biến trên đoạn

5
;12
3
 
 
 

•
Suy ra:
(
)
3 3
x
⇔ =

•
Vậy phương trình (1) có nghiệm duy nhất là
3
x
=
.


Thí dụ 3. Giải phương trình
7 3
3 5 4 3
x x x
− − = −
(1)
Lời giải.

• Điều kiện:
5
4
x
≤

Ta có:
(
)
7 3
1 3 5 4 3
x x x
⇔ + − − =
(2)
•
Xét hàm s
ố

7 3
( ) 3 5 4
f x x x x
= + − −
với
5
;
4
x
 
∈ −∞



 
, khi đó:

(
)
(
)
(
)
1 1
f x f
⇔ =
(3)
•
Khảo sát tính đơn điệu của hàm số
f
trên nữa khoảng
5
;
4
 
−∞


 

Ta có:
6 2
2 5

'( ) 21 3 0 ;
4
5 4
f x x x x
x
 
= + + > ∀ ∈ −∞
 
−
 

Do
f
liên tục trên đoạn
5
;
4
 
−∞ −


 
và
( )
5
' 0 ;
4
f x x
 
> ∀ ∈ −∞

 
 
nên
f
đồng biến trên nữa
kho
ảng
5
;
4
 
−∞ −


 

•
Suy ra:
(
)
3 1
x
⇔ =

•
Vậy phương trình (1) có nghiệm duy nhất là
3
x
=
.



Thí dụ 4. Giải phương trình
2 2
2 23 4 2 2 7
x x x
+ = − + +
(1)
Lời giải.
• Ta có:
( )
2 2
1 2 23 2 7 4 2
x x x
⇔ + − + = −
(2)
Do VT(2) luôn dương với mọi x nên với
1
2
x
≤
thì (1) vô nghi
ệ
m
•

Xét hàm s
ố

2 2

( ) 4 2 2 7 2 23
f x x x x
= − + + − +
v
ớ
i
1
;
2
x
 
∈ +∞
 
 
, khi
đ
ó:

( ) ( ) ( )
2 2
2 4 2 2 7 2 23 0 1
x x x f x f
⇔ − + + − + = ⇔ =
(3)
•

Kh
ả
o sát tính
đơ

n
đ
i
ệ
u c
ủ
a hàm s
ố

f
trên kho
ả
ng
1
;
2
 
+∞
 
 

Ta có:
2 2
1 1 1
'( ) 4 2 0 ;
2
2 7 2 23
f x x x
x x
 

 
= + − > ∀ ∈ +∞
 
 
 
+ +
 

Do
đ
ó
f

đồ
ng bi
ế
n trên kho
ả
ng
1
;
2
 
+∞
 
 

•

Suy ra:

(
)
3 1
x
⇔ =

•

V
ậ
y ph
ươ
ng trình (1) có nghi
ệ
m duy nh
ấ
t là
3
x
=
.


Chuẩn bị cho kỳ thi vào Đại học THPT Chuyên Nguyễn Quang Diêu



Thí dụ 5. Giải phương trình
(
)

3
4 1 2 1 0
x x x x
+ − + + =
(1)
Lời giải.
• Điều kiện:
1
2
x
≥ −

•
Ta có:
( ) ( )
(
)
3
3
1 2 2 2 1 2 1
x x x x
⇔ + = + + +
(2)

•
Xét hàm s
ố

3
( )

f t t t
= +
v
ớ
i
t
∈
ℝ
, khi
đ
ó:

( ) ( )
(
)
2 2 2 1
f x f x
⇔ = +
(3)
•
Kh
ả
o sát tính
đơ
n
đ
i
ệ
u c
ủ

a hàm s
ố

f
trên
ℝ

Ta có:
2
'( ) 3 1 0 f t t t
= + > ∀ ∈
ℝ

Do
đ
ó
f

đồ
ng bi
ế
n trên
ℝ

•
Suy ra:
( )
2
0
0

1 5
3 2 1 2
1 5
4
4 2 1 0
4
x
x
x x x
x x
x
≥

≥

+

⇔ + = ⇔ ⇔ ⇔ =
 
±
− − =
=




•
V
ậ
y ph

ươ
ng trình (1) có nghi
ệ
m là
1 5
4
x
+
=
.




Thí dụ 6. Giải phương trình
( )
(
)
(
)
2 2
2 1 2 4 4 4 3 2 9 3 0
x x x x x
+ + + + + + + =
(1)
Lời giải.
• Ta có:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2 2
1 2 1 2 2 1 3 3 2 3 3

x x x x
   
⇔ + + + + = − + − +
   
   
(2)
• Xét hàm số
(
)
2
( ) 2 3
f t t t
= + +
với
t
∈
ℝ
, khi đó:

(
)
(
)
(
)
2 2 1 3
f x f x
⇔ + = −
(3)
• Khảo sát tính đơn điệu của hàm số

f
trên
ℝ

Ta có:
2
2
2
'( ) 2 3 0
3
t
f t t t
t
= + + + > ∀ ∈
+
ℝ

Do
đó
f
đồng biến trên
ℝ

•
Suy ra:
( )
1
3 2 1 3
5
x x x

⇔ + = − ⇔ = −

•

V
ậ
y ph
ươ
ng trình (1) có nghi
ệ
m là
1
5
x
= −
.



BÀI TẬP
Giải các phương trình sau
1.
3 1 8 1
x x
+ = − +

2.
9 2 4 5
x x
+ + + =

3.
6 8
6
3 2x x
+ =
− −

4.
(
)
(
)
(
)
(
)
2 2 1 3 6 4 2 2 1 3 2
x x x x x x
+ − − + = − + − + +

5.
3 2
3
8 36 53 25 3 5
x x x x
− + − = −

6.
(

)
3 2
3 4 2 3 2 3 1
x x x x x
+ + + = + +


Hết