内容正文:
第二节 函数的单调性与最大(小)值
课标要求
1.借助函数图象,会用符号语言表达函数的单调性,掌握求函数单调区间的基本方法.
2.理解函数最大值、最小值的概念,理解它们的作用和实际意义,会求简单函数的最值.
3.能够利用函数的单调性解决有关问题.
[系统主干知识]
1.函数的单调性
(1)函数的单调性
定义
一般地,设函数f(x)的定义域为D,区间I⊆D,如果∀x1,x2∈I
当x1<x2时,都有f(x1)<f(x2),那么就称函数f(x)在区间I上单调递增
当x1<x2时,都有f(x1)>f(x2),那么就称函数f(x)在区间I上单调递减
图象描述
自左向右看图象是上升的
自左向右看图象是下降的
(2)单调区间的定义
如果函数y=f(x)在区间I上单调递增或单调递减,那么就说函数y=f(x)在这一区间具有(严格的)单调性,区间I叫做y=f(x)的单调区间.
2.函数的最值
前提
设函数y=f(x)的定义域为D,如果存在实数M满足
条件
∀x∈D,都有f(x)≤M;
∃x0∈D,使得f(x0)=M
∀x∈D,都有f(x)≥M;
∃x0∈D,使得f(x0)=M
结论
M为最大值
M为最小值
[细作教材小题]
1.(人教A版必修一P85·T1改编)已知函数y=f(x)的图象如图所示,其单调递增区间是( )
A.[-4,4] B.[-4,-3]∪[1,4]
C.[-3,1] D.[-3,4]
解析:选C 由题图可知,函数y=f(x)的单调递增区间为[-3,1].故选C.
2.(人教A版必修一P86·T3改编)[多选]下列函数中,在区间(0,+∞)上单调递减的是( )
A.y=-x B.y=x2-x
C.y=-x2-2x D.y=ex
答案:AC
3.(人教B版必修一P107·T1改编)[多选]已知函数f(x)在区间[-1,2]上单调递增,在区间[2,5]上单调递减,那么下列说法一定正确的是( )
A.f(0)<f(2)
B.f(3)>f(2)
C.f(x)在区间[-1,5]上有最小值
D.f(x)在区间[-1,5]上的最小值是f(5)
解析:选AC ∵f(x)在区间[-1,2]上单调递增,∴f(0)<f(2),故A正确.∵函数f(x)在区间[2,5]上单调递减,∴f(3)<f(2),故B错误.∵函数f(x)在区间[-1,2]上单调递增,在区间[2,5]上单调递减,∴函数f(x)在区间[-1,5]上有最大值,也有最小值,且f(2)是最大值,f(-1)或f(5)是最小值,故C正确,D错误.
4.(苏教版必修一P134·T6)设m为实数,若函数f(x)=x2+mx-2在区间 (-∞,2)上单调递减,则m的取值范围为_______________.
解析:由题意,得f(x)为图象开口向上的二次函数,对称轴为直线x=-,要使得函数f(x)在(-∞,2)上单调递减,则-≥2,解得m≤-4.
答案:(-∞,-4]
5.(人教A版必修一P81·例5改编)函数f(x)=(x∈[2,6]),则f(x)的最小值为________,最大值为________.
解析:由于f(x)=在[2,6]上单调递减,故f(x)的最大值为f(2)=2,最小值为f(6)=.
答案: 2
逐点清(一) 确定函数的单调性(区间)
[例1] (函数的单调性的理解)[多选]如果函数f(x)在[a,b]上单调递增,那么对于任意的x1,x2∈[a,b](x1≠x2),下列结论正确的是( )
A. >0
B.(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]>0
C.f(a)<f(x1)<f(x2)<f(b)
D. >0
解析:选ABD 因为f(x)在[a,b]上单调递增,对于任意的x1,x2∈[a,b](x1≠x2),x1-x2与f(x1)-f(x2)的符号相同,所以A、B、D都正确,而C中应为若x1<x2,则f(a)≤f(x1)<f(x2)≤f(b).
[例2] (求函数的单调区间)函数f(x)=的单调递增区间为( )
A.(0,+∞) B.(-∞,0)
C.(-∞,0)∪(0,+∞) D.(-∞,0),(0,+∞)
解析:选D ∵函数f(x)==1-,定义域为{x|x≠0},且y=的单调递减区间为(-∞,0),(0,+∞),∴函数f(x)=的单调递增区间为(-∞,0),(0,+∞).
[例3] (判断或证明函数的单调性)试讨论函数f(x)=(a≠0)在(-1,1)上的单调性.
解:法一:定义法 设-1<x1<x2<1,又f(x)=a=a,所以f(x1)-f(x2)=a-a=.
由于-1<x1<x2<1,所以x2-x1>0,x1-1<0,x2-1<0,故当a>0时,f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2),函数f(x)在(-1,1)上单调递减;
当a<0时,f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2),函数f(x)在(-1,1)上单调递增.
法二:导数法 f′(x)===-.当a>0时,f′(x)<0,函数f(x)在(-1,1)上单调递减;当a<0时,f′(x)>0,函数f(x)在(-1,1)上单调递增.
综上,当a>0时,函数f(x)在(-1,1)上单调递减;当a<0时,函数f(x)在(-1,1)上单调递增.
点拨·建模 判断或证明函数单调性的方法
定义法
设元、作差、变形、判断符号、得出结论
性质法
直接利用函数的单调性可以判断一些组合函数的单调性,如“增+增”为增,“增-减”为增,“减+减”为减,“减-增”为减
图象法
利用图象的上升或下降判断
导数法
利用导数值的正负确定函数的单调区间
逐点清(二) 函数单调性的应用
题点1 比较函数值的大小
[例4] 已知函数f(x)的图象关于直线x=1对称,当x2>x1>1时,[f(x2)-f(x1)](x2-x1)<0恒成立,设a=f,b=f(2),c=f(e),则a,b,c的大小关系为( )
A.c>a>b B.c>b>a
C.a>c>b D.b>a>c
解析:选D 因为f(x)的图象关于直线x=1对称,所以f=f.由x2>x1>1时,[f(x2)-f(x1)](x2-x1)<0恒成立,知f(x)在(1,+∞)上单调递减.因为1<2<<e,所以f(2)>f>f(e),即b>a>c.
个性点拨
比较函数值的大小时,先把自变量转化到同一个单调区间内,然后利用函数的单调性解决.
题点2 求函数的最值
[例5] 若函数f(x)=在区间[0,1]上的最大值为,则实数m=( )
A.3 B.
C.2 D.或3
解析:选B f(x)==2+,当m=2时,f(x)=2,不符合题意;当m-2>0,即m>2时,f(x)在[0,1]上单调递减,可得f(0)为最大值,即f(0)==,解得m=;当m-2<0,即m<2时,f(x)在[0,1]上单调递增,可得f(1)为最大值,即f(1)==,解得m=3,不满足条件.综上可得m=.故选B.
[例6] (2024·宁波调研)设f(x)=则f(f(-1))=_______,f(x)的最小值是_______.
解析:∵f(-1)=2,∴f(f(-1))=f(2)=2+-3=0.当x≥1时,f(x)=x+-3在[1,]上单调递减,在[,+∞)上单调递增,∴f(x)在x=时取得最小值,即f(x)min=2-3;当x<1时,f(x)=x2+1在(-∞,0)上单调递减,在(0,1)上单调递增,∴f(x)在x=0时取得最小值,即f(x)min=1.综上,f(x)的最小值为2-3.
答案:0 2-3
个性点拨 求函数最值的3种基本方法
单调性法
先确定函数的单调性,再由单调性求最值
图象法
先作出函数的图象,再观察其最高点、最低点,求出最值
基本不
等式法
先对解析式变形,使之具备“一正二定三相等”的条件后用基本不等式求出最值
题点3 解不等式
[例7] 已知函数f(x)=-x|x|,则不等式f(2+5m)<f(2m2-1)的解集为( )
A.
B.∪(3,+∞)
C.
D.(-∞,-3)∪
解析:选A 由函数f(x)=-x|x|=根据二次函数的性质,可得函数f(x)在R上单调递减.又由不等式f(2+5m)<f(2m2-1),可得2+5m>2m2-1,即(2m+1)(m-3)<0,解得-<m<3,即实数m的取值范围为.
个性点拨 利用函数单调性解不等式的具体步骤
(1)将不等式转化成f(x1)>f(x2)的形式;
(2)考查函数f(x)的单调性;
(3)根据函数f(x)的单调性去掉“f”,转化为形如“x1>x2”或“x1<x2”的常规不等式,从而得解.
题点4 求参数的取值范围
[例8] (2024·苏州调研)已知函数f(x)=是R上的减函数,则a的取值范围是( )
A.[2,+∞) B.(0,+∞)
C.[2,3] D.[2,3)
解析:选C 二次函数y=x2-ax+5的对称轴为x=,因为函数f(x)=是R上的减函数,所以有⇒2≤a≤3.故选C.
个性点拨 求参数的范围(或值)的注意点
(1)视参数为已知数,依据函数的图象或单调性的定义,确定函数的单调区间,与已知单调区间比较求参数;
(2)若分段函数是单调函数,则不仅要保证在各区间上单调性一致,还要确保在整个定义域内具有单调性.
逐点验收(一) 确定函数的单调性(区间)
1.函数f(x)=(x-4)·|x|的单调递减区间是( )
A.(-∞,0) B.(0,2)
C.(-∞,0)和(2,+∞) D.(2,+∞)
解析:选B f(x)=(x-4)·|x|=函数图象如图所示,由图可知函数的单调递减区间为(0,2).
2.函数f(x)=log2(x2-2x-8)的单调递增区间是( )
A.(-∞,-2) B.(-∞,1)
C.(1,+∞) D.(4,+∞)
解析:选D 由x2-2x-8>0,得x>4或x<-2.设t=x2-2x-8,则y=log2t单调递增.要求函数f(x)的单调递增区间,即求t=x2-2x-8(x>4或x<-2)的单调递增区间.因为函数t=x2-2x-8(x>4或x<-2)的单调递增区间为(4,+∞),所以函数f(x)的单调递增区间为(4,+∞).
3.讨论函数f(x)=x+(a>0)在(0,+∞)上的单调性.
解:法一:设x1,x2是任意两个正数,且0<x1<x2,则f(x1)-f(x2)=-=·(x1x2-a).
当0<x1<x2≤时,0<x1x2<a.又x1-x2<0,所以f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2).所以函数f(x)在(0,]上单调递减.
当≤x1<x2时,x1x2>a.又x1-x2<0,所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2).
所以函数f(x)在[,+∞)上单调递增.
综上,f(x)在(0,]上单调递减,在[,+∞)上单调递增.
法二:因为f(x)=x+,所以f′(x)=1-.
当x>0时,由f′(x)>0,得1->0,即x2>a,解得x>;
由f′(x)<0,得1-<0,即x2<a,解得0<x<.所以f(x)在(0,]上单调递减,在[,+∞)上单调递增.
逐点验收(二) 函数单调性的应用
4.(2024·武汉模拟)已知函数f(x)=-,若a=f(21.3),b=f(40.7),c=f(log38),则a,b,c的大小关系为( )
A.c<a<b B.a<c<b C.b<a<c D.a<b<c
解析:选C 函数f(x)=-是R上的减函数,又log38<2<21.3<21.4=40.7,所以f(40.7)<f(21.3)<f(log38),即b<a<c.
5.(2023·新课标Ⅰ卷)设函数f(x)=2x(x-a)在区间(0,1)单调递减,则a的取值范围是( )
A.(-∞,-2] B.[-2,0)
C.(0,2] D.[2,+∞)
解析:选D 由题意得y=x(x-a)在区间(0,1)单调递减,所以x=≥1,解得a≥2.故选D.
6.(2024·大理期中)已知函数f(x)=满足对任意的实数x1≠x2,都有<0成立,则实数a的取值范围为( )
A. B.
C. D.
解析:选D 因为函数f(x)满足对任意的实数x1≠x2,都有<0成立,不妨设x1<x2,则x1-x2<0,则f-f>0,即f>f,所以函数f(x)在R上为减函数,则解得a≤.因此,实数a的取值范围是.
7.已知函数f(x)=-x2-3在区间上单调递增,则满足f>f的x取值范围为________.
解析:函数f(x)=-x2-3的定义域为R,且f=-2-3=-x2-3=f(x),即f(x)=-x2-3为偶函数.又函数f(x)=-x2-3在区间上单调递增,则f(x)=-x2-3在区间上单调递减,所以不等式f>f,即f()>f,则<1,即-1<x-1<1,解得0<x<2.故满足f>f的x取值范围为.
答案:
8.函数y=的值域为________.
解析:由y===1+,令t=x2+1,则t≥1,∴∈[-2,0),∴y=1+∈[-1,1),∴所求函数的值域为[-1,1).
答案:[-1,1)
细节、微点提醒
与函数单调性有关的常用结论
(1)若∀x1,x2∈D(x1≠x2),则
①>0(或(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]>0)⇔f(x)在区间D上单调递增.
②<0(或(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0)⇔f(x)在区间D上单调递减.
(2)y=x+的单调递增区间为(-∞,-1]和[1,+∞),单调递减区间为(-1,0)和(0,1).
(3)y=ax+(a>0,b>0)的单调递增区间为和,单调递减区间为和.
(4)在共同定义域上,两个增函数的和仍单调递增,两个减函数的和仍单调递减.
(5)函数f(g(x))的单调性与函数y=f(u)和u=g(x)的单调性的关系是“同增异减”.
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1.下列函数在区间(0,+∞)上单调递增的是( )
A.y= B.y=x
C.y=x2 D.y=logx
解析:选C y=在(0,+∞)上单调递减,故A错误;y=x在R上单调递减,故B错误;y=x2在(0,+∞)上单调递增,在(-∞,0)上单调递减,故C正确;y=logx在(0,+∞)上单调递减,故D错误.故选C.
2.函数f(x)=2x+sinx在[0,1]上的取值范围为( )
A.[1,2] B.[1,3] C.[2,3] D.[2,4]
解析:选B 易知函数f(x)=2x+sinx在[0,1]上单调递增,且f(0)=1,f(1)=3,所以f(x)在[0,1]上的取值范围为[1,3].故选B.
3.若函数f(x)=2+3在区间[1,+∞)上不具有单调性,则a的取值范围是( )
A.[1,+∞) B.(1,+∞)
C.(-∞,1) D.(-∞,1]
解析:选B 因为函数f(x)=2+3在上单调递减,在上单调递增,所以当函数f(x)=2+3在区间[1,+∞)上不具有单调性,则有1<a,即a>1.
4.函数y=f(x)在R上是增函数,若a+b≤0,则有( )
A.f(a)+f(b)≤-f(a)-f(b)
B.f(a)+f(b)≥-f(a)-f(b)
C.f(a)+f(b)≤f(-a)+f(-b)
D.f(a)+f(b)≥f(-a)+f(-b)
解析:选C ∵a+b≤0,∴a≤-b,b≤-a,又∵函数f(x)在R上是增函数,∴f(a)≤f(-b),f(b)≤f(-a).故f(a)+f(b)≤f(-a)+f(-b),故选C.
5.[多选]关于函数f(x)=的结论,下列说法正确的是( )
A.f(x)的单调递增区间是[-1,1]
B.f(x)的单调递减区间是[1,+∞)
C.f(x)的最大值为2
D.f(x)没有最小值
解析:选AC 要使函数有意义,有-x2+2x+3≥0,解得-1≤x≤3,可知B错误;当x=-1或x=3时,-x2+2x+3=0,此时函数有最小值0,可知D错误;令y=-x2+2x+3=-(x-1)2+4,根据复合函数的单调性可知A正确;根据函数的单调性及定义域,可知f(x)max=f(1)=2,从而C正确.
6.(2024·兰州模拟)若偶函数f(x)在(0,+∞)上单调递减,且f(2)=0,则不等式<0的解集为( )
A.(-2,2)
B.(-2,0)∪(2,+∞)
C.(-∞,-2)∪(2,+∞)
D.(-∞,-2)∪(0,2)
解析:选B 因为f(x)为偶函数,所以f(-x)=f(x),所以=<0,且x≠0.因为f(x)在(0,+∞)上单调递减,且f(2)=0,所以f(x)在(-∞,0)上单调递增,且f(-2)=f(2)=0.当x>0时,则f(x)<0=f(2),故x>2;当x<0时,则f(x)>0=f(-2),故-2<x<0.综上,<0的解集为(-2,0)∪(2,+∞).
7.[多选]已知函数f(x)在R上单调递增,函数g(x)在(-∞,0)上单调递增,在[0,+∞)上单调递减,则( )
A.函数f(f(x))在R上单调递增
B.函数f(g(x))在(-∞,0)上单调递增
C.函数g(-g(x))在(-∞,0)上单调递减
D.函数g(-f(x))在[0,+∞)上单调递减
解析:选AB 因为f(x)在R上单调递增,所以f(f(x))在R上单调递增,故A正确;因为f(x)在R上单调递增,g(x)在(-∞,0)上单调递增,所以f(g(x))在(-∞,0)上单调递增,故B正确;因为g(x)在(-∞,0)上单调递增,所以-g(x)在(-∞,0)上单调递减.因为-g(x)的值域是否在(-∞,0)上无法判断,所以g(-g(x))在(-∞,0)上的单调性无法判断,故C错误;因为-f(x)在R上单调递减,g(x)在[0,+∞)上单调递减,而-f(x)的值域是否在[0,+∞)上无法判断,所以g(-f(x))在[0,+∞)上的单调性无法判断,故D错误.故选AB.
8.函数y=-x(x≥0)的最大值为________.
解析:令t=,则t≥0,所以y=t-t2=-2+,当t=,即x=时,ymax=.
答案:
9.已知函数f(x)=-x|x|+2x,则f(x)的单调递增区间为________;若x∈[-2,1],则f(x)的最小值为________.
解析:函数f(x)的定义域为R,且f(-x)=x|x|-2x=-f(x),所以函数f(x)为奇函数.当x≥0时,f(x)=-x2+2x,由二次函数性质得函数f(x)在区间[0,1]上单调递增,在[1,2]上单调递减.由奇函数在对称区间的单调性一致得,函数f(x)在[-1,0]上单调递增,且f(0)=0,所以f(x)的单调递增区间为[-1,1].同样根据奇函数的对称性可得函数f(x)在[-2,-1]上单调递减.所以在[-2,1]上f(x)的最小值为f(-1)=1×1+2×(-1)=-1.
答案:[-1,1] -1
10.若函数f(x)=在R上单调递增,则实数a的取值范围是________.
解析:根据题意得解得≤a≤2,所以实数a的取值范围是.
答案:
11.已知函数f(x)=-x,x∈(0,+∞).
(1)判断并证明f(x)在(0,+∞)上的单调性;
(2)解不等式f>f(1).
解:(1)f(x)在(0,+∞)上单调递减,理由如下:
设∀x1,x2满足0<x1<x2,
f(x1)-f(x2)=-=-(x1-x2)=-(x1-x2)=(x2-x1).
∵0<x1<x2,∴x2-x1>0,+1>0,
∴f(x1)-f(x2)>0,∴f(x1)>f(x2),
∴f(x)在(0,+∞)上单调递减.
(2)∵f(1)=2,则令f(m)=2,解得m=1或m=-3,
∵m>0,∴m=1,故只有f(1)=2.
∵f(x)在(0,+∞)上单调递减,且f>2=f(1),∴0<<1,∴解得-1<x<1,
即不等式解集为(-1,1).
12.已知f(x)=(x≠a).
(1)若a=-2,试证f(x)在(-∞,-2)上单调递增;
(2)若a>0且f(x)在(1,+∞)上单调递减,求a的取值范围.
解:(1)证明:设x1<x2<-2,则f(x1)-f(x2)=-=.
∵(x1+2)(x2+2)>0,x1-x2<0,
∴f(x1)<f(x2),
∴f(x)在(-∞,-2)上单调递增.
(2)f(x)===1+,
当a>0时,f(x)在(-∞,a),(a,+∞)上单调递减,又f(x)在(1,+∞)上单调递减,
∴0<a≤1,故实数a的取值范围是(0,1].
二、创优训练,冲刺“双一流”
13.已知函数f(x)=,若0<x1<x2<x3≤2,则,,的大小关系是( )
A.<<
B.<<
C.<<
D.<<
解析:选C 当0<x≤2时,设g(x)===.由y=在[0,+∞)上单调递增,y=-1在(0,2]上单调递减,根据复合函数单调性得g(x)=在(0,2]上单调递减,若0<x1<x2<x3≤2,则<<.
14.(2024·福州模拟)已知定义在[0,+∞)上的函数f(x)满足:对任意的x1,x2∈[0,+∞),x1≠x2,都有>2,且f(1)=2 024,则满足不等式f(x-2 024)>2(x-1 013)的x的取值范围是( )
A.(2 024,+∞) B.(2 025,+∞)
C.[2 024,2 025) D.[2 023,2 025)
解析:选B >2可转化为>0,不妨设x2>x1≥0,则x2-x1>0,∴[f(x2)-2x2]-[f(x1)-2x1]>0.令g(x)=f(x)-2x,由单调性的定义可知,g(x)在[0,+∞)上单调递增.∵f(x-2 024)>2(x-1 013),∴f(x-2 024)-2(x-2 024)>2 022.∵f(1)=2 024,∴g(1)=f(1)-2=2 022,∴g(x-2 024)>g(1),∴∴x>2 025,即x的取值范围为(2 025,+∞).故选B.
15.设函数f(x)=x2 024-+5,则f(x)的单调递增区间为________,不等式f(x-1)<5的解集为________.
解析:由题意得f(x)的定义域为(-∞,0)∪(0,+∞).因为f(x)=f(-x),所以f(x)是偶函数.当x>0时,f(x)=x2 024-+5,f(x)单调递增,因此当x<0时,f(x)单调递减.又因为f(1)=f(-1)=5,所以由f(x-1)<5可得-1<x-1<0或0<x-1<1,即0<x<1或1<x<2.
答案:(0,+∞) (0,1)∪(1,2)
16.已知函数f(x)=x+,
(1)判断函数f(x)在区间(0,+∞)上的单调性,并利用定义证明;
(2)若对任意的x1,x2∈时,|f(x1)-f(x2)|≤m+恒成立,求实数m的取值范围.
解:(1)f(x)=x+在(0,2)上单调递减,在(2,+∞)上单调递增,
理由如下:取∀x1,x2∈(0,2),且x1<x2,f(x1)-f(x2)=x1+-x2-=(x1-x2)-=(x1-x2)=(x1-x2)·.
因为∀x1,x2∈(0,2),x1<x2,故x1x2>0,x1x2-4<0,x1-x2<0,f(x1)-f(x2)=(x1-x2)·>0,所以f(x1)>f(x2),
所以f(x)=x+在(0,2)上单调递减.
取∀x3,x4∈(2,+∞),且x3<x4,f(x3)-f(x4)=x3+-x4-=(x3-x4)-=(x3-x4)=(x3-x4)·.
因为∀x3,x4∈(2,+∞),x3<x4,故x3x4>0,x3x4-4>0,x3-x4<0,
f(x3)-f(x4)=(x3-x4)·<0,
所以f(x3)<f(x4),所以f(x)=x+在(2,+∞)上单调递增.综上,f(x)在(0,2)上单调递减,在(2,+∞)上单调递增.
(2)若对任意的x1,x2∈时,|f(x1)-f(x2)|≤m+恒成立,
当m=0时,m+无意义,舍去.
当m<0时,m+<0,此时|f(x1)-f(x2)|≤m+无解,舍去,所以m>0.
只需求出|f(x1)-f(x2)|的最大值,
当x∈时,f(x)=x+单调递减,当x∈(2,4]时,f(x)=x+单调递增,
故f(x)min=f(2)=2+2=4.
又因为f=+8=,f(4)=4+1=5,
故f(x)max=f=,故|f(x1)-f(x2)|max=-4=,所以≤m+,
因为m>0,故解得m≥4或0<m≤.
故实数m的取值范围是∪[4,+∞).
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