内容正文:
第三章 一元函数的导数及其应用
第一节 导数的概念及其意义、导数的运算
课标要求
1.能根据导数定义求函数y=C,y=x,y=x2,y=x3,y=,的导数.
2.能利用给出的基本初等函数的导数公式和导数的四则运算法则,求简单函数的导数;能求简单的复合函数限于形如y=fax+b的导数.
[系统主干知识]
1.导数的概念
称函数y=f(x)在x=x0处的瞬时变化率 = 为函数y=f(x)在x=x0处的导数,记作f′(x0)或y′|x=x0,即f′(x0)= .
2.导数的几何意义
函数y=f(x)在点x0处的导数f′(x0)就是曲线y=f(x)在点P(x0,f(x0))处的切线的斜率,其切线方程为y-f(x0)=f′(x0)(x-x0).
3.基本初等函数的导数公式
f(x)=c(c为常数)
f′(x)=0
f(x)=xα(α∈R,且α≠0)
f′(x)=αxα-1
f(x)=sin x
f′(x)=cos_x
f(x)=cos x
f′(x)=-sin_x
f(x)=ax(a>0,且a≠1)
f′(x)=axln_a
f(x)=ex
f′(x)=
f(x)=logax(a>0,且a≠1)
f′(x)=
f(x)=ln x
f′(x)=
4.导数的运算法则
加减
[f(x)±g(x)]′=f′(x)±g′(x)
积
[f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x),[cf(x)]′=cf′(x)
商
′=(g(x)≠0)
5.复合函数的导数
复合函数y=f(g(x))的导数和函数y=f(u),u=g(x)的导数间的关系为y′x=y′u·u′x,即y对x的导数等于y对u的导数与u对x的导数的乘积.
[细作教材小题]
1.(人教A版选择性必修二P76·例3改编)若函数f(x)=2x+cos x,则( )
A.f′(x)=2x+sin x B.f′(x)=2x-sin x
C.f′(x)=2xln 2+sin x D.f′(x)=2xln 2-sin x
解析:选D 因为函数f(x)=2x+cos x,则f′(x)=2xln 2-sin x.
2.(苏教版选择性必修一P231·T9)对于函数f(x)=xln x,若f′(x0)=2,则实数x0的值为( )
A.e2 B.e C. D.ln 2
解析:选B f(x)=xln x⇒f′(x)=ln x+1,因为f′(x0)=2,所以ln x0+1=2⇒ln x0=1⇒x0=e.
3.(人教A版选择性必修二P75·T4改编)曲线y=x在点(4,2)处的切线方程为__________.
解析:因为y′=x-,所以y′|x=4=,曲线y=x在点(4,2)处的切线方程为y-2=(x-4),即x-4y+4=0.
答案:x-4y+4=0
4.(人教A版选择性必修二P81·T6改编)已知函数f(x)满足f(x)=f′cos x-sin x,则f′=________.
解析:f′(x)=-f′sin x-cos x,令x=,得f′=-f′-,解得f′=1-.
答案:1-
逐点清(一) 导数的运算
[例1] (2024·济南质检)[多选]下列求导运算正确的是( )
A.′=-
B.(x2ex)′=2x+ex
C.′=-sin
D.′=1+
解析:选AD ′=-·(ln x)′=-,故A正确;(x2ex)′=(x2+2x)ex,故B错误;′=-2sin,故C错误;′=1+,故D正确.
[例2] 已知函数f(x)=ln(2x-3)+axe-x,若f′(2)=1,则a=________.
解析:因为f(x)=ln(2x-3)+axe-x,所以f′(x)=+ae-x-axe-x,所以f′(2)=2+ae-2-2ae-2=2-ae-2=1,则a=e2.
答案:e2
点拨·建模 导数运算的3个关键点
(1)求函数的导数要准确地把函数拆分成基本初等函数的和、差、积、商,再利用运算法则求导.
(2)抽象函数求导,恰当赋值是关键,然后活用方程思想求解.
(3)复合函数求导,应由外到内逐层求导,必要时要进行换元.
逐点清(二) 导数的几何意义
题点1 求曲线的切线方程
[例3] (2023·全国甲卷)曲线y=在点处的切线方程为( )
A.y=x B.y=x
C.y=x+ D.y=x+
解析:选C 由题意可知y′==,则曲线y=在点处的切线斜率k=y′|x=1=,所以曲线y=在点处的切线方程为y-=(x-1),即y=x+,故选C.
[例4] (2022·新课标Ⅱ卷)曲线y=ln|x|过坐标原点的两条切线的方程为________,________.
解析:先求当x>0时,曲线y=ln x过原点的切线方程,设切点为(x0,y0),则由y′=,得切线斜率为,又切线的斜率为,所以=,解得y0=1,代入y=ln x,得x0=e,所以切线斜率为,切线方程为y=x.同理可求得当x<0时的切线方程为y=-x.综上可知,两条切线方程为y=x,y=-x.
答案:y=x y=-x
个性点拨 与切线有关的问题的处理策略
(1)已知切点A(x0,y0)求斜率k,即求该点处的导数值k=f′(x0).
(2)已知斜率k,求切点A(x1,f(x1)),即解方程f′(x1)=k.
(3)若已知曲线y=f(x)过点P(x0,y0),求曲线过点P的切线方程,则需分点P(x0,y0)是切点和不是切点两种情况求解.
①当点P(x0,y0)是切点时,切线方程为y-y0=f′(x0)(x-x0).
②当点P(x0,y0)不是切点时,可分以下几步:
第一步:设出切点坐标P′(x1,f(x1));
第二步:写出曲线在点P′(x1,f(x1))处的切线方程y-f(x1)=f′(x1)(x-x1);
第三步:将点P的坐标(x0,y0)代入切线方程求出x1;
第四步:将x1的值代入方程y-f(x1)=f′(x1)(x-x1),可得过点P(x0,y0)的切线方程.
题点2 求参数的值(范围)
[例5] 若曲线y=ax+bln x在点A(1,2)处的切线在y轴上的截距为1,则b=( )
A.-1 B.0 C.1 D.2
解析:选A 因为点A(1,2)在曲线y=ax+bln x上,所以2=a×1+bln 1,得a=2.因为y′=a+,所以该曲线在点A处的切线斜率k=2+b,所以切线方程为y-2=(2+b)(x-1).令x=0,则y=-b=1,故b=-1.
[例6] 函数f(x)=x-aln x在区间(1,6)的图象上存在两条相互垂直的切线,则a的取值范围是( )
A.(1,6) B.(1,3) C.(3,4) D.(4,6)
解析:选C 设切点横坐标为x0,所作切线斜率为k,则k=f′(x0)=1-,当a≤0时,k=1->0,故不存在k1k2=-1;当a>0时,满足
所以3<a<4.
个性点拨 利用导数的几何意义求参数的基本方法
处理与切线有关的参数问题,通常利用曲线、切线、切点的三个关系列出关于参数的方程(组)或不等式(组)求解,其关键点:①切点处的导数是切线的斜率;②切点在切线上,故满足切线方程;③切点在曲线上,故满足曲线方程;④注意曲线上点的横坐标的取值范围.
逐点清(三) 两曲线的公切线
[例7] 已知定义在区间(0,+∞)上的函数f(x)=-2x2+m,g(x)=-3ln x-x,若以上两函数的图象有公共点,且在公共点处切线相同,则m的值为( )
A.2 B.5 C.1 D.0
解析:选C 设两曲线y=f(x)与y=g(x)的公共点为(a,b),其中a>0,由f(x)=-2x2+m,得f′(x)=-4x,则切线的斜率为k=f′(a)=-4a.由g(x)=-3ln x-x,得g′(x)=--1,则切线的斜率为k=g′(a)=--1.因为两函数的图象有公共点,且在公共点处切线相同,所以-4a=--1,解得a=1或a=-(舍去).又g(1)=-1,即公共点的坐标为(1,-1),将点(1,-1)代入f(x)=-2x2+m,可得m=1.
[例8] 若直线l与曲线Γ1:y=ex+1、曲线Γ2:y=3+ln x都相切,则直线l的方程为______________.
解析:由y=ex+1得y′=ex,设切点为(x1,e+1),所以切线的斜率为e,则直线l的方程为y-(e+1)=e(x-x1),即y=ex-x1e+e+1.由y=3+ln x得y′=,设切点为(x2,3+ln x2),所以切线的斜率为,则直线l的方程为y=x+ln x2+2,所以e=,且-x1e+e+1=ln x2+2.消去x2得(x1-1)(e-1)=0,故x1=1或x1=0,所以直线l的方程为y=ex+1或y=x+2.
答案:y=ex+1或y=x+2
点拨·建模 公切线问题的解题策略
公切线问题,应根据两个函数在切点处的斜率相等,且切点既在切线上又在曲线上,列出有关切点横坐标的方程组,通过解方程组求解.或者分别求出两函数的切线,利用两切线重合列方程组求解.
逐点验收(一) 导数的运算
1.[多选]下列求导运算正确的是( )
A.若f(x)=sin(2x+3),则f′(x)=2cos(2x+3)
B.若f(x)=e-2x+1,则f′(x)=e-2x+1
C.若f(x)=,则f′(x)=
D.若f(x)=xln x,则f′(x)=ln x+1
解析:选ACD 因为f(x)=sin(2x+3),所以f′(x)=2cos(2x+3),故A正确;因为f(x)=e-2x+1,所以f′(x)=-2e-2x+1,故B错误; 因为f(x)=,所以f′(x)=,故C正确; 因为f(x)=xln x,所以f′(x)=ln x+1,故D正确.
2.若函数f(x)的导函数为f′(x),且满足f(x)=2f′(1)ln x+x,则f(e)=( )
A.0 B.-1 C.-2+e D.-2
解析:选C 由f(x)=2f′(1)ln x+x,得f′(x)=+1,令x=1,则f′(1)=+1,解得f′(1)=-1,所以f(x)=-2ln x+x,f(e)=-2+e.故选C.
3.设函数f(x)=,若f′(1)=,则a=________.
解析:由函数的解析式可得f′(x)==,则f′(1)==,据此可得=,整理可得a2-2a+1=0,解得a=1.
答案:1
逐点验收(二) 导数的几何意义
4.曲线y=在点(-1,-3)处的切线方程为( )
A.y=5x+2 B.y=5x-2
C.y=-5x-2 D.y=-5x+2
解析:选A ∵y′==,∴所求切线斜率k==5,∴所求切线方程为y+3=5(x+1),即y=5x+2.
5.(2023·邯郸二模)已知直线y=x是曲线f(x)=ln x+a的切线,则a=( )
A.-1 B.1 C.-2 D.2
解析:选B 由函数f(x)=ln x+a,求导得f′(x)=,令直线y=x与曲线f(x)=ln x+a的切点为(x0,ln x0+a),于是=1,且ln x0+a=x0,所以a=x0=1.故选B.
6.已知函数f(x)=ln x+x,过原点作曲线y=f(x)的切线l,则切点P的坐标为( )
A.(1,1) B.(e,e+1)
C. D.(e2,e2+2)
解析:选B 由题意可知f′(x)=+1,设切点为P(x0,ln x0+x0),则切线方程为y=(x-x0)+ln x0+x0,因为切线过原点,所以0=(-x0)+ln x0+x0=ln x0-1,解得x0=e,则P(e,e+1).
7.已知过点A(a,0)可作两条不同的直线与曲线C:f(x)=xex相切,则实数a的取值范围是________.
解析:由f(x)=xex⇒f′(x)=(x+1)ex,设切点坐标为(x0,x0e),所以切线的斜率为f′(x0)=(x0+1)e,切线方程为y-x0e=(x0+1)e(x-x0).切线过点A(a,0),所以0-x0e=(x0+1)e(a-x0),化简得x-ax0-a=0.因为过点A(a,0)可作两条不同的直线与曲线C:f(x)=xex相切,所以关于x0的方程x-ax0-a=0有两个不同的实数根,所以该方程的判别式Δ=(-a)2+4a>0⇒a>0或a<-4,因此实数a的取值范围是(-∞,-4)∪(0,+∞).
答案:(-∞,-4)∪(0,+∞)
逐点验收(三) 两曲线的公切线
8.(2024·齐齐哈尔联考)若直线y=kx+b是曲线y=ln x+2的切线,也是曲线y=ln(x+1)的切线,则b=( )
A.1 B.
C.1-ln 2 D.1-2ln 2
解析:选C 设y=kx+b与y=ln x+2和y=ln(x+1)的切点分别为(x1,ln x1+2)和(x2,ln(x2+1)),则切线分别为y-ln x1-2=(x-x1),y-ln(x2+1)=(x-x2).化简得y=x+ln x1+1,y=x-+ln(x2+1),依题意,得解得x1=,从而b=ln x1+1=1-ln 2.故选C.
9.已知曲线y=aln x和曲线y=x2有唯一公共点,且这两条曲线在该公共点处有相同的切线l,则l的方程为________________.
解析:设曲线g(x)=aln x和曲线f(x)=x2在公共点(x0,y0)处的切线相同,则f′(x)=2x,g′(x)=,由题意知f(x0)=g(x0),f′(x0)=g′(x0),即解得a=2e,x0=,故切点为(,e),切线斜率为k=f′(x0)=2,所以切线方程为y-e=2(x-),即2x-y-e=0.
答案:2x-y-e=0
细节、微点提醒
1.明确两点不同
区分在点处的切线与过点处的切线:在点处的切线,该点一定是切点,切线有且仅有一条.过点处的切线,该点不一定是切点,切线至少有一条.
2.谨防两个易误
(1)在复合函数求导中,每一步求导分不清哪个变量对哪个变量的求导而致误.
(2)牢记导数公式和导数的四则运算法则,切忌记错记混.
3.函数y=f(x)的导数f′(x)反映了函数f(x)的瞬时变化趋势,其正负号反映了变化的方向,其大小|f′(x)|反映了变化的快慢,|f′(x)|越大,曲线在这点处的切线越“陡”.
[课时跟踪检测]
一、强基训练,提高自信心
1.函数y=exln x的导数是( )
A. B.exln x
C.exln x+ D.eexln x
解析:选C y′=(ex)′·ln x+ex·(ln x)′=exln x+.故选C.
2.(2024·上饶模拟)设f(x)为可导函数,且 =-1,则曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线斜率为( )
A.2 B.-1
C.1 D.-
解析:选D 由导数的几何意义,点(1,f(1))处的切线斜率为f′(1),因为Δx→0时,→-1,所以f′(1)= ==-,所以在点(1,f(1))处的切线斜率为-,故选D.
3.已知曲线y=x+kln(1+x)在x=1处的切线与直线x+2y=0垂直,则k的值为( )
A.4 B.2
C.-3 D.-6
解析:选B 因为y′=1+,可得y′|x=1=1+,即曲线y=x+kln(1+x)在x=1处的切线斜率为1+,且直线x+2y=0的斜率为-,由题意可得-=-1,解得k=2.故选B.
4.直线l与两条曲线y=ex+1和y=ex+1均相切,则l的斜率为( )
A. B.1
C.2 D.e
解析:选B 由y=ex+1,得y′=ex.由y=ex+1,得y′=ex+1.设两个切点分别为(x1,e+1)和(x2,e+1),直线l的斜率k=e=e+1,故x1=x2+1,因为x1≠x2,所以k===1,即直线l的斜率为1.
5.[多选]若直线y=x+b(b∈R)是曲线y=f(x)的切线,则曲线y=f(x)的方程可以是( )
A.f(x)=x3+2x2+8 B.f(x)=tan x
C.f(x)=e D.f(x)=ln
解析:选AC 因为直线y=x+b(b∈R)是曲线y=f(x)的切线,所以y=f(x)在某点处的导数值为.由f(x)=x3+2x2+8,得f′(x)=3x2+4x,令f′(x)=3x2+4x=,即6x2+8x-1=0,因为Δ=82-4×6×(-1)>0,所以f′(x)=有解,故A正确.由f(x)=tan x,得f′(x)=,令f′(x)==,可得cos2x=2,无解,故B不正确.由f(x)=e,得f′(x)=e>0,故f′(x)=有解,故C正确.f(x)=ln的定义域为,令f′(x)=-=,可得x=-,不符合x>-,所以f′(x)=无解,故D不正确.
6.已知f(x)=ex-1,g(x)=ln x+1,则f(x)与g(x)的公切线有( )
A.0条 B.1条
C.2条 D.3条
解析:选C 根据题意,设直线l与f(x)=ex-1相切于点(m,em-1) ,与g(x)相切于点(n,ln n+1)(n>0),对于f(x)=ex-1,f′(x)=ex,则k1=em,则直线l的方程为y+1-em=em(x-m),即y=emx+em(1-m)-1.对于g(x)=ln x+1,g′(x)=,则k2=,则直线l的方程为y-(ln n+1)=(x-n),即y=x+ln n.直线l是f(x)与g(x)的公切线,则可得(1-m)(em-1)=0,即m=0或m=1,则切线方程为y=ex-1 或y=x,故f(x)与g(x)的公切线有两条.
7.已知a,b为正实数,直线y=x-2a与曲线y=ln(x+b)相切,则+的最小值是( )
A.6 B.4
C.8 D.2
解析:选C 设切点为(m,n),由y=ln(x+b)得y′=,由题意可得=1,n=m-2a,n=ln(m+b),解得n=0,m=2a,即有2a+b=1.因为a,b为正实数,所以+=(2a+b)=2+2++≥4+2=8,当且仅当2a=b=时取等号,故+的最小值为8.故选C.
8.(2023·大庆三模)曲线f(x)=ln x+在点(1,2)处的切线方程为____________.
解析:因为f(x)=ln x+,x∈(0,+∞),所以f′(x)=-,故f′(1)=-1,曲线f(x)=ln x+在点(1,2)处的切线方程为y-2=-1(x-1),即x+y-3=0.
答案:x+y-3=0
9.若直线y=-3x+与曲线f(x)=e-3x+a相切,则a=________.
解析:依题意,设切点为(x0,e-3x0+a),则e-3x0+a=-3x0+.由f(x)=e-3x+a,求导得f′(x)=-3e-3x+a,于是-3e-3x0+a=-3,解得-3x0+a=0,从而x0=-,则a=-.
答案:-
10.(2024·齐齐哈尔一模)已知曲线C1:y=x2+ax-2a2在x=t处的切线为l1,曲线C2:y=ln x在x=t处的切线为l2,若存在实数t使得l1与l2的倾斜角互补,则实数a的取值范围为__________.
解析:由曲线C1可得y′=2x+a,由曲线C2可得y′=,由导数的几何意义可得直线l1的斜率为2t+a,直线l2的斜率为,若存在实数t使得l1与l2的倾斜角互补,则方程2t+a=-,即2t2+at+1=0存在正根,所以
解得a≤-2.
答案:(-∞,-2]
11.设f(x)是定义在R上的奇函数,且当x≥0时,f(x)=2x2.
(1)求x<0时,f(x)的表达式;
(2)令g(x)=ln x,问是否存在x0,使得f(x),g(x)在x=x0处的切线互相平行?若存在,求出x0的值;若不存在,请说明理由.
解:(1)当x<0时,-x>0,
f(x)=-f(-x)=-2(-x)2=-2x2.
所以当x<0时,f(x)的表达式为f(x)=-2x2.
(2)若f(x),g(x)在x=x0处的切线互相平行,
则f′(x0)=g′(x0),当x>0时,f′(x0)=4x0=g′(x0)=,解得x0=(舍负).故存在x0=满足条件.
12.已知函数f(x)=x3+(1-a)x2-a(a+2)x+b(a,b∈R).
(1)若函数f(x)的图象过原点,且在原点处的切线斜率为-3,求a,b的值;
(2)若曲线y=f(x)存在两条垂直于y轴的切线,求a的取值范围.
解:f′(x)=3x2+2(1-a)x-a(a+2).
(1)由题意得
解得b=0,a=-3或1.
(2)因为曲线y=f(x)存在两条垂直于y轴的切线,所以关于x的方程f′(x)=3x2+2(1-a)x-a(a+2)=0有两个不相等的实数根,
所以Δ=4(1-a)2+12a(a+2)>0,
即4a2+4a+1>0,所以a≠-.
所以a的取值范围为∪.
二、创优训练,冲刺“双一流”
13.函数f(x)=x3+(a-1)x2-x+b为R上的奇函数,过点P作曲线y=f(x)的切线,可作切线条数为( )
A.1 B.2
C.3 D.不确定
解析:选A f(-x)=-x3+(a-1)x2+x+b=-f(x)=-x3-(a-1)x2+x-b,故a=1,b=0,f(x)=x3-x,f′(x)=3x2-1.设切点为M(x0,y0),则f′(x0)=3x-1=,且f(x0)=x-x0=y0,整理得(x0+1)(4x-x0+1)=0,解得x0=-1,f′(-1)=2,切线方程为y=2x+2,故可作切线条数为1.
14.[多选]已知曲线f(x)=x3-x2+ax-1上存在两条斜率为3的不同切线,且切点的横坐标都大于零,则实数a的取值可能为( )
A. B.3
C. D.
解析:选AC f′(x)=2x2-2x+a,因为曲线y=f(x)上存在两条斜率为3的不同切线,所以f′(x)=3有两个不相等的实数根,即2x2-2x+a-3=0有两个不相等的实数根,所以Δ=(-2)2-4×2×(a-3)>0.①
设两切点的横坐标分别为x1,x2,
因为切点的横坐标都大于零,所以x1>0,x2>0,所以②
联立①②解得3<a<,故选AC.
15.(2024·南通模拟)已知直线l分别与曲线f(x)=ln x,g(x)=ex相切于点(x1,ln x1),(x2,ex2),则-的值为________.
解析:由f(x)=ln x,g(x)=ex,得f′(x)=,g′(x)=ex,f(x)在点(x1,ln x1)处的切线方程为y-ln x1=(x-x1),g(x)在点(x2,ex2)处的切线方程为y-ex2=ex2(x-x2),则有得ln x1-1=ln e-x2-1=-x2-1=ex2 (1-x2),
所以ex2====1-=1+,可得-=1.
答案:1
16.(2022·全国甲卷)已知函数f(x)=x3-x,g(x)=x2+a,曲线y=f(x)在点(x1,f(x1))处的切线也是曲线y=g(x)的切线.
(1)若x1=-1,求a;
(2)求a的取值范围.
解:(1)当x1=-1时,f(-1)=0,
所以切点坐标为(-1,0).
由f(x)=x3-x,得f′(x)=3x2-1,
所以切线斜率k=f′(-1)=2,
所以切线方程为y=2(x+1),即y=2x+2.
将y=2x+2代入y=x2+a,得x2-2x+a-2=0.
由切线与曲线y=g(x)相切,得Δ=(-2)2-4(a-2)=0,解得a=3.
(2)由f(x)=x3-x,得f′(x)=3x2-1,所以切线斜率k=f′(x1)=3x-1,所以切线方程为y-(x-x1)=(3x-1)(x-x1),
即y=(3x-1)x-2x.
将y=(3x-1)x-2x代入y=x2+a,
得x2-(3x-1)x+a+2x=0.
由切线与曲线y=g(x)相切,
得Δ=(3x-1)2-4(a+2x)=0,
整理,得4a=9x-8x-6x+1.
令h(x)=9x4-8x3-6x2+1,
则h′(x)=36x3-24x2-12x=12x(3x+1)(x-1),
由h′(x)=0,得x=-,0,1,
h(x),h′(x)随x的变化如下表所示:
x
-
0
(0,1)
1
(1,+∞)
h′(x)
-
0
+
0
-
0
+
h(x)
单调递减
极小值
单调递增
极大值
单调递减
极小值
单调递增
由上表知,当x=-时,h(x)取得极小值h=,
当x=1时,h(x)取得极小值h(1)=-4,
易知当x→-∞时,h(x)→+∞,当x→+∞时,h(x)→+∞,所以函数h(x)的值域为[-4,+∞),
所以由4a∈[-4,+∞),得a∈[-1,+∞),
故实数a的取值范围为[-1,+∞).
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