例1已知函数\(f(x)=ax^2+bx,1\leq f(-1)\leq 2,2\leq f(1)\leq 4\), 求\(f(-2)\)的取值范围。
【法1:错解】由\(\begin{cases}1\leq f(-1)\leq 2\\2\leq f(1)\leq 4\end{cases}\)得到\(\begin{cases}1\leq a-b \leq 2&①\\2\leq a+b \leq 4&②\end{cases}\),
利用不等式的性质,将①②式相加减,
得到\(\cfrac{3}{2}\leq a \leq 3,0\leq b \leq \cfrac{3}{2}\),所以\(6 \leq 4a \leq 12,-3\leq -2b \leq 0\),所以\(3 \leq 4a-2b \leq 12\),
故$ 3 \leq f(-2)=4a-2b \leq 12$
【错因分析】以上的解法打破了\(a,b\)取值的内在联系,它们的范围会发生变化,如由\(\cfrac{3}{2}\leq a \leq 3\),\(0\leq b \leq \cfrac{3}{2}\),当我们取\(a=\cfrac{3}{2}\),\(b=\cfrac{3}{2}\)时,很明显\(a-b=0,a-b\notin [1,2]\),故只要解法中没有把\(a-b\),\(a+b\)当成一个整体对待的都是有问题的解法。
【法2】待定系数法,令\(f(-2)=mf(-1)+nf(1)\),
则由\(f(-2)=m(a-b)+n(a+b)=(m+n)a-(m-n)b\),又由已知可知\(f(-2)=4a-2b\)
所以由对应系数相等得到方程\(\begin{cases} m+n=4 \\ m-n=2 \end{cases}\)
解得\(m=3,n=1\)
又由于\(1\leq f(-1)\leq 2\),\(2\leq f(1)\leq 4,\)所以\(3\leq 3\cdot f(-1)\leq 6\),\(2\leq 1\cdot f(1)\leq 4\),
故\(5\leq 3\cdot f(-1)+1\cdot f(1)\leq 10\),即\(5\leq f(-2)=4a-2b \leq 10\)。
【法3】:方程组法
由已知有\(\begin{cases} f(-1)=a-b \\ f(\,\,\,\,1)=a+b \end{cases}\),解得\(\begin{cases} a=\cfrac{1}{2}\cdot [f(-1)+f(1)] \\ b=\cfrac{1}{2}\cdot [f(1)- f(-1)] \end{cases}\)
所以\(f(-2)=4a-2b=3f(-1)+f(1)\),又由于\(1\leq f(-1)\leq 2\),\(2\leq f(1)\leq 4\),所以\(3\leq 3\cdot f(-1)\leq 6\),\(2\leq 1\cdot f(1)\leq 4\),
故\(5\leq 3\cdot f(-1)+1\cdot f(1)\leq 10\),即\(5\leq f(-2)=4a-2b \leq 10\)
【法4】:线性规划法
用线性规划分析错误原因:解法1中得到单个的\(a、b\)的取值范围是\(\cfrac{3}{2}\leq a \leq 3\)和\(0\leq b \leq \cfrac{3}{2}\),
由此作图得到的是矩形EFGH,由条件\(1\leq f(-1)\leq 2\),\(2\leq f(1)\leq 4\)得到的是矩形ABCD,
很显然两个矩形不一样,那么那个图形是对的?
我们可以看到在\(\Delta ADH\)内部的点,由线性规划知识可知并不满足条件\(1\leq a-b\leq 2\),\(2\leq a+b\leq 4\),
因此得到单个的\(a、b\)的取值范围是\(\cfrac{3}{2}\leq a \leq 3\)和\(0\leq b \leq \cfrac{3}{2}\)是错的,显然扩大了单个\(a、b\)的取值范围。
正解分析:由线性规划可知,
当直线\(l_0:4x-2y=0\)经过点\(A(\cfrac{3}{2},\cfrac{1}{2})\)时,
\(z=4x-2y\)有最小值,且\(z_{min}=4\times\cfrac{3}{2}-2\times\cfrac{1}{2}=5\);
当直线\(l_0:4x-2y=0\)经过点\(C(3,1)\)时,
\(z=4x-2y\)有最大值,且\(z_{max}=4\times3-2\times1=10\);
例2已知\(x,y\)为正实数,满足\(1\leq lgxy \leq 2\),\(3\leq lg\cfrac{x}{y} \leq 4,\) 求\(lg(x^4y^2)\)的取值范围。
【法1】:类比上例中的法3
\(\because 1\leq lgxy \leq 2,\therefore 10\leq xy \leq 10^2,\)
又\(\because 3\leq lg\cfrac{x}{y} \leq 4,\therefore 10^3\leq \cfrac{x}{y} \leq 10^4,\)
$ 10^3\leq (xy)^3 \leq 10^6,10^3\leq \cfrac{x}{y} \leq 10^4,$
$ 10^6\leq x^3\cdot y^3 \cdot \cfrac{x}{y} =x^4\cdot y^2 \leq 10^{10},$
$ 6\leq lg(x^4y^2) \leq 10$ ;
【法2】:类比上例中的法2
\(1\leq lgxy \leq 2\),\(3\leq lg\cfrac{x}{y} \leq 4,\)
\(1\leq lgx+lgy \leq 2\),\(3\leq lgx-lgy \leq 4,\)
仿照上例中的解法2,求得恰当的系数,可得
\(3\leq 3lgx+3lgy \leq 6\),\(3\leq lgx-lgy \leq 4,\)
所以同向不等式相加得到
\(6\leq 3lgx+3lgy+lgx-lgy \leq 10\)
即\(6\leq 4lgx+2lgy=lg(x^4y^2) \leq 10\)
$ 6\leq lg(x^4y^2) \leq 10$
【解后反思】之所以将这两个例题放在一起,是因为例1中涉及到两个变量的加减运算,而例2中涉及两个变量的乘除运算。
例3已知\(-\cfrac{\pi}{2}<\alpha<\beta<\cfrac{\pi}{2}\),①求\(\alpha-\beta\)的取值范围;②求\(2\alpha-\beta\)的取值范围;
分析:①已知条件等价转化为不等式组\(\left\{\begin{array}{l}{-\cfrac{\pi}{2}<\alpha<\cfrac{\pi}{2} }\\{ -\cfrac{\pi}{2}<\beta<\cfrac{\pi}{2} }\\{ \alpha<\beta }\end{array}\right.\),
这样得到\(-\pi<\alpha-\beta<\pi\),且\(\alpha-\beta<0\),故\(-\pi<\alpha-\beta<0\),
②仿上,先转化得到\(-\pi<\alpha-\beta<0\),又由于\(-\cfrac{\pi}{2}<\alpha<\cfrac{\pi}{2}\),两个同向不等式相加,得到
\(-\cfrac{3\pi}{2}<2\alpha-\beta<\cfrac{\pi}{2}\),