原题
当 $1<x<2$ 时,关于 $x$ 的不等式 $x^2+mx+4>0$ 有解,求实数 $m$ 的取值范围。
题意整理
根据原题转写- 范围
- $x\in(1,2),\quad m\in\mathbb R$
- 条件
- 有解即存在:$\exists x\in(1,2),$ $x^2+mx+4>0$
- 目标
- $\{m\in\mathbb R\mid\text{上述条件成立}\}$
当 $1<x<2$ 时,关于 $x$ 的不等式 $x^2+mx+4>0$ 有解,求实数 $m$ 的取值范围。
看题目对哪些 $x$ 提出要求
$x$ 的取值范围:某个区间 $(1,2)$
题目只要求在 $1<x<2$ 内有解。
前提满足,可以用区间最值法
由题意,存在 $x\in(1,2)$,使 $x^2+mx+4>0$。
记 $f(x)=x^2+mx+4$,$x\in(1,2)$。
$\therefore$ 原不等式在 $(1,2)$ 上有解 $\iff$ $f(x)$ 在 $(1,2)$ 上取值范围的上端大于 $0$。
开口向上,离对称轴更远的一端更高;端点取不到,函数值无限接近它
$f(x)$ 的图像开口向上,对称轴为 $x=-\dfrac m2$。
① 当 $-\dfrac m2\le\dfrac32$,即 $m\ge-3$ 时,$f(x)$ 在 $(1,2)$ 上取值范围的上端为 $f(2)=2m+8$;
② 当 $-\dfrac m2>\dfrac32$,即 $m<-3$ 时,$f(x)$ 在 $(1,2)$ 上取值范围的上端为 $f(1)=m+5$。
① $m\ge-3$:$f(2)=2m+8>0$
② $m<-3$:$f(1)=m+5>0$
① 由 $\begin{cases}m\ge-3,\\ 2m+8>0,\end{cases}$ 得 $m\ge-3$;
② 由 $\begin{cases}m<-3,\\ m+5>0,\end{cases}$ 得 $-5<m<-3$。
综上,取并集得 $m>-5$。
要检查的边界:$m=-5$
$m=-5$:排除
$(1,2)$ 内 $(x-1)(x-4)<0$,没有 $x$ 满足 $>0$。
边界排除
最高处 $f(1)=0$ 在左端,但 $x=1$ 不在区间内,取不到。
检验:当 $m=-5$ 时,原不等式为 $x^2-5x+4>0$,即 $(x-1)(x-4)>0$;
当 $1<x<2$ 时,$(x-1)(x-4)<0$,无解,舍去。
综上,实数 $m$ 的取值范围是 $(-5,+\infty)$。
把含 $m$ 的项单独放到一边,另一边只含 $x$
参数能否单独放到一边:移项后可以分离
含 $m$ 的只有 $mx$ 一项。
是否要除以含 $x$ 的式子:需要除,符号确定
要除以 $x$,而 $x\in(1,2)$,$x>0$。
两个前提都满足,可以用分离参数法
由题意,存在 $x\in(1,2)$,使 $x^2+mx+4>0$。
$x\in(1,2)$,所以 $x>0$
$\because\ x\in(1,2)$,$\therefore\ x>0$,
移项得 $mx>-x^2-4$,两边同除以 $x$ 得 $m>-\left(x+\dfrac4x\right)$。
记 $h(x)=x+\dfrac4x$,$x\in(1,2)$,则 $m>-h(x)$。
$\therefore$ 原不等式在 $(1,2)$ 上有解 $\iff m>-\bigl(h(x)\text{ 的取值上端}\bigr)$。
基本不等式:$a,b>0$ 时 $a+b\ge2\sqrt{ab}$,$a=b$ 时取等
左端贴着 $y$ 轴下降,在 $(2,4)$ 处最低,右端贴着直线 $y=x$ 上升。
$\because\ x>0$,$\therefore\ h(x)=x+\dfrac4x\ge2\sqrt{x\cdot\dfrac4x}=4$,
当且仅当 $x=\dfrac4x$,即 $x=2$ 时取等号。
由对勾函数的性质,$h(x)$ 在 $(0,2]$ 上单调递减,在 $[2,+\infty)$ 上单调递增。
最低点 $(2,4)$;$(0,2]$ 上递减,$[2,+\infty)$ 上递增
$(1,2)$ 在最低点左侧,这一段一直下降,上端是左端的 $5$;$x=1$、$x=2$ 不在区间内,$5$ 和 $4$ 都取不到。
$\because\ (1,2)\subseteq(0,2]$,$\therefore\ h(x)$ 在 $(1,2)$ 上单调递减,
$\therefore\ h(2)<h(x)<h(1)$,即 $4<h(x)<5$,$h(x)$ 上端为 $5$,
$\therefore\ m>-5$。
$m=-5$:排除
$(1,2)$ 内 $(x-1)(x-4)<0$,没有 $x$ 满足 $>0$。
边界排除
$h(x)<5$,没有 $x$ 满足 $h(x)>5$。
检验:当 $m=-5$ 时,$m>-h(x)$ 即 $h(x)>5$,而 $x\in(1,2)$ 时 $h(x)<5$,无解,舍去。
综上,实数 $m$ 的取值范围是 $(-5,+\infty)$。
本题已完成
“有解”就是存在 $x\in(1,2)$ 使不等式成立,只需比较取值范围的上端。区间最值法按对称轴与区间中点的位置找上端;分离参数法得 $h(x)\in(4,5)$,$m>-\bigl(h(x)\text{ 的取值上端}\bigr)$,即 $m>-5$。$m=-5$ 时上端取不到,排除。
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