内容正文:
第2讲 函数的单调性与最大(小)值
1.借助函数图象,会用数学符号语言表达函数的单调性、最值,理解实际意义.2.掌握函数单调性的简单应用.
1.函数的单调性
(1)单调函数的定义
单调递增
单调递减
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.当函数f(x)在它的定义域上单调递增时,称它是增函数
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.当函数f(x)在它的定义域上单调递减时,称它是减函数
图象
描述
从左向右,图象上升
从左向右,图象下降
(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.
(1)有多个单调区间应分开写,不能用“∪”连接,也不能用“或”连接,只能用“逗号”或“和”连接.(2)“函数的单调区间是M”与“函数在区间N上单调”是两个不同的概念,显然N⊆M.
2.函数的最值
一般地,设函数y=f(x)的定义域为D,如果存在实数M满足:
(1)∀x∈D,都有f(x)≤M;
(2)∃x0∈D,使得f(x0)=M.
那么,我们称M是函数y=f(x)的最大值.
类比函数y=f(x)的最大值定义,只需把条件(1)变为∀x∈D,都有f(x)≥M,则称M是函数y=f(x)的最小值.
常用结论
1.函数单调性的两个等价结论
设∀x1,x2∈I(x1≠x2),则
(1)>0(或(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]>0)⇔f(x)在I上单调递增.
(2)<0(或(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0)⇔f(x)在I上单调递减.
2.函数y=f(x)(f(x)>0 或f(x)<0)在公共定义域内与y=-f(x),y=的单调性相反.
3.复合函数y=f(g(x))的单调性与y=f(u)和u=g(x)的单调性有关.简记:“同增异减”.
1.思考辨析(在括号内打“ √”或“×”)
(1)对于函数y=f(x),若f(1)<f(3),则f(x)为增函数.( )
(2)函数y=f(x)在[1,+∞)上单调递增,则函数的单调递增区间是[1,+∞).( )
(3)函数y=的单调递减区间是(-∞,0)∪(0,+∞).( )
(4)闭区间上的单调函数的最值一定在区间端点取到.( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)√
2.回源教材
(1)(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
解析:AC y=x2-x在(0,)上单调递减,在(,+∞)上单调递增,y=ex在(0,+∞)上单调递增.故选AC.
(2)函数f(x)=的单调递增区间是________.
解析:由题意可知x2+2x≠0,解得x≠0,且x≠-2,
所以函数f(x)的定义域为(-∞,-2)∪(-2,0)∪(0,+∞),
设y=,u=x2+2x,二次函数u=x2+2x的单调递增区间是(-1,+∞),单调递减区间是(-∞,-1),所以f(x)的单调递增区间是(-∞,-2),(-2,-1).
答案:(-∞,-2),(-2,-1)
(3)已知函数f(x)=,x∈[0,2],则f(x)的最大值为________,最小值为________.
解析:可判断函数f(x)=在[0,2]上单调递减,所以f(x)max=f(0)=2,f(x)min=f(2)=.
答案:2
函数的单调性(区间)的证明或判断
求具体函数的单调区间
例1 函数g(x)=x·|x-1|+1的单调递减区间为( )
A.(-∞,] B.[,1]
C.[1,+∞) D.(-∞,]∪[1,+∞)
解析:B g(x)=x·|x-1|+1=画出函数图象,如图所示,根据图象知,函数的单调递减区间为[,1].
证明函数的单调性
例2 已知函数f(x)对任意的a,b∈R,都有f(a+b)=f(a)+f(b)-1,且当x>0时,f(x)>1.求证:f(x)是R上的增函数.
证明:设x1,x2∈R,且x1<x2,
则x2-x1>0,即f(x2-x1)>1,
所以f(x2)-f(x1)=f[(x2-x1)+x1]-f(x1)=f(x2-x1)+f(x1)-1-f(x1)=f(x2-x1)-1>0,所以f(x1)<f(x2),所以f(x)是R上的增函数.
反思感悟
1.求函数的单调区间,应先求定义域,在定义域内求单调区间.
2.(1)函数单调性的判断方法:①定义法;②图象法;③利用已知函数的单调性;④导数法.
(2)函数y=f(g(x))的单调性应根据外层函数y=f(t)和内层函数t=g(x)的单调性判断,遵循“同增异减”的原则.
训练1 (多选)下列函数在(0,+∞)上单调递增的是( )
A.y=ex-e-x B.y=|x2-2x|
C.y=x- D.y=
解析:AC ∵y=ex与y=-e-x为R上的增函数,
∴y=ex-e-x为R上的增函数,故A正确;
由y=|x2-2x|的图象(图略)知,B不正确;
对于选项C,因为y=x和y=-都在(0,+∞)上单调递增,所以y=x-在(0,+∞)上单调递增,故C正确;
y=的定义域为(-∞,-2]∪[1,+∞),故D不正确.
训练2 试讨论函数f(x)=(a≠0)在(-∞,1)上的单调性.
解:设x1<x2<1,
则f(x1)-f(x2)=-
=.
因为x1<x2<1,
所以x1-1<0,x2-1<0,x2-x1>0,
所以>0.
所以,当a>0时,f(x1)-f(x2)>0,
即f(x1)>f(x2),f(x)在(-∞,1)上单调递减;
当a<0时,f(x1)-f(x2)<0,
即f(x1)<f(x2),
f(x)在(-∞,1)上单调递增.
函数的最值
例3 (1)函数f(x)=()x-log2(x+4)在区间[-2,2]上的最大值为________.
解析:因为函数y=()x,y=-log2(x+4)在区间[-2,2]上都单调递减,
所以函数f(x)=()x-log2(x+4)在区间[-2,2]上单调递减,
所以函数f(x)的最大值为
f(-2)=()-2-log2(-2+4)=9-1=8.
答案:8
(2)对于任意实数a,b,定义min{a,b}=设函数f(x)=-x+3,g(x)=log2x,则函数h(x)=min{f(x),g(x)}的最大值是________.
解析:法一:在同一坐标系中,作函数f(x),g(x)的图象,
依题意,h(x)的图象为如图所示的实线部分.
易知点A(2,1)为图象的最高点,因此h(x)的最大值为h(2)=1.
法二:依题意,h(x)=
当0<x≤2时,h(x)=log2x是增函数;
当x>2时,h(x)=3-x是减函数,
因此h(x)在x=2时取得最大值h(2)=1.
答案:1
反思感悟
1.求函数最值的三种基本方法
(1)单调性法:先确定函数的单调性,再由单调性求最值.
(2)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.
(3)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.
2.对于较复杂函数,可运用导数,求出在给定区间上的极值,最后结合端点值,求出最值.
训练3 (1)函数f(x)=x+的最大值是________.
解析:令t=(t≥0),则x=.
所以原函数可化为y=+t=-(t-1)2+1(t≥0),
故当t=1,即x=0时,y有最大值,最大值为1.
答案:1
(2)已知函数f(x)=则f(x)的最小值是________.
解析:当x≥1时,f(x)=x+-3≥2-3,当且仅当x=时,取等号,此时f(x)min=2-3<0;
当x<1时,f(x)=lg(x2+1)≥lg 1=0,当且仅当x=0时,取等号,此时f(x)min=0.
∴f(x)的最小值为2-3.
答案:2-3
函数单调性的应用
比较函数值的大小
例4 (2023·全国甲卷)已知函数f(x)=e-(x-1)2.记a=f(),b=f(),c=f(),则( )
A.b>c>a B.b>a>c
C.c>b>a D.c>a>b
解析:A 由题意得f(x)=f(2-x),则函数f(x)的图象关于直线x=1对称,且f(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减.
因为1>>,所以b=f()>f()=a,c=f()=f(2-).因为<2-<,所以b>c>a,故选A.
解函数不等式
例5 已知函数f(x)=ln x+2x,若f(x2-4)<2,则实数x的取值范围是________.
解析:因为函数f(x)=ln x+2x在定义域(0,+∞)上单调递增,且f(1)=ln 1+2=2,
所以由f(x2-4)<2,得f(x2-4)<f(1),
所以0<x2-4<1,
解得-<x<-2或2<x<.
答案:(-,-2)∪(2,)
求参数的取值范围
例6 (2024·吉林部分学校大联考)已知函数f(x)=(a>0且a≠1)是R上的单调函数,则a的取值范围是( )
A.(0,)∪(1,+∞) B.(0,]∪(1,+∞)
C.(,1)∪(1,+∞) D.[,1)∪(1,+∞)
解析:B f(x)=(a>0且a≠1)是R上的单调函数,
若f(x)在R上单调递增,
则解得a>1;
若f(x)在R上单调递减,
则解得0<a≤.
综上,a的取值范围是(0,]∪(1,+∞).故选B.
反思感悟
1.比较函数值的大小时,转化到同一个单调区间内,然后利用函数的单调性解决.
2.求解与抽象函数有关的不等式问题时,由条件脱去“f”,转化为自变量间的大小关系,应注意函数的定义域.
3.利用单调性求参数的取值(范围).根据其单调性直接构建参数满足的方程(组)(不等式(组))或先得到其图象的升降,再结合图象求解.对于分段函数,要注意衔接点的取值.
训练4 (1)已知f(x)=2x-,a=f(),b=f(),c=f(),则( )
A.a>b>c B.a>c>b
C.c>a>b D.c>b>a
解析:D 易知f(x)=2x-在(1,+∞)上单调递增,又>>,
故f()>f()>f(),即c>b>a.
(2)(2023·新课标Ⅰ卷)设函数f(x)=2x(x-a)在区间(0,1)上单调递减,则a的取值范围是( )
A.(-∞,-2] B.[-2,0)
C.(0,2] D.[2,+∞)
解析:D 函数y=2x在R上单调递增,而函数f(x)=2x(x-a)在区间(0,1)上单调递减,则有函数y=x(x-a)=(x-)2-在区间(0,1)上单调递减,因此 ≥1,解得a≥2,所以a的取值范围是[2,+∞).故选D.
(3)已知函数f(x)=()x-log2(x+2),若f(a-2)>3,则a的取值范围是________.
解析:由f(x)=()x-log2(x+2)知,
f(x)在定义域(-2,+∞)上是减函数,
且f(-1)=3,
由f(a-2)>3,得f(a-2)>f(-1),
∴
解得0<a<1.
答案:(0,1)
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