第3章 第4讲 导数与函数的极值、最值(word教师用书)-【高考领航】2025年高考数学大一轮复习

2024-09-10
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内容正文:

第4讲 导数与函数的极值、最值  1.借助函数图象,了解函数在某点取得极值的必要和充分条件. 2.会用导数求函数的极大值、极小值. 3.掌握利用导数研究函数最值的方法.4.会用导数研究生活中的最优化问题. 1.导数与函数的极值 条件 设函数f(x)在x0处可导,且f′(x0)=0 在点x=x0附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0 在点x=x0附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0 图象 极值 f(x0)为极大值 f(x0)为极小值 极值点 x0为极大值点 x0为极小值点  (1)在函数的整个定义域内,极值不一定是唯一的,有可能有多个极大值或极小值. (2)极大值与极小值之间无确定的大小关系. 2.导数与函数的最值 (1)函数f(x)在[a,b]上有最值的条件 如果在区间[a,b]上函数y=f(x)的图象是一条连续不断的曲线,那么它必有最大值和最小值. (2)求y=f(x)在[a,b]上的最大(小)值的步骤 ①求函数y=f(x)在(a,b)内的极值. ②将函数y=f(x)的各极值与端点处的函数值f(a),f(b)比较,其中最大的一个是最大值,最小的一个是最小值.  极值只能在定义域内部取得,而最值却可以在区间的端点处取得,有极值的未必有最值,有最值的未必有极值. 常用结论 1.对于可导函数f(x),f′(x0)=0是函数f(x)在x=x0处有极值的必要不充分条件. 2.若函数f(x)在开区间(a,b)内只有一个极值点,则该极值点一定是函数的最值点. 3.若函数f(x)在[a,b]上是单调函数,则f(x)一定在区间端点处取得最值. 1.思考辨析(在括号内打“ √”或“×”) (1)函数的极大值不一定比极小值大.(  ) (2)对可导函数f(x),f′(x0)=0是x0点为极值点的充要条件.(  ) (3)函数的极大值一定是函数的最大值.(  ) (4)开区间上的单调连续函数无最值.(  ) 答案:(1)√ (2)× (3)× (4)√ 2.回源教材 (1)函数f(x)=的极大值为(  ) A.-e   B. C.1   D.0 解析:B f′(x)=,由f′(x)>0得0<x<e,由f′(x)<0得x>e,故f(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,故f(x)的极大值为f(e)=. (2)已知f(x)=x3-12x+1,x∈,则f(x)的最大值为________,最小值为________. 解析:f′(x)=3x2-12=3(x2-4), 因为x∈,所以f′(x)<0,则f(x)在上单调递减,故f(x)的最大值为f(-)=,最小值为f(1)=-10. 答案: -10 (3)函数f(x)=x3-ax2+2x有极值,则实数a的取值范围是________. 解析:f′(x)=3x2-2ax+2,由于f(x)有极值,故f′(x)=0有两个不等实数根,故Δ=4a2-24>0,解得a>或a<-. 答案:(-∞,-)∪(,+∞)  利用导数研究函数的极值  根据函数图象判断极值 例1 (多选)函数y=f(x)的导函数y=f′(x)的图象如图所示,则(  ) A.f(x)在x=-3处取得极小值f(-3) B.-1是函数y=f(x)的极小值点 C.y=f(x)在区间(-3,1)上单调递增 D.-2是函数y=f(x)的极大值点 解析:AC 根据导函数的图象可知,当x∈(-∞,-3)时,f′(x)<0,当x∈(-3,-1)时,f′(x)>0,所以函数y=f(x)在(-∞,-3)上单调递减,在(-3,-1)上单调递增. 则f(x)在x=-3处取得极小值f(-3),A正确. 因为函数y=f(x)在(-3,1)上单调递增,可知-1不是函数y=f(x)的极小值点,-2也不是函数y=f(x)的极大值点,所以B错误,C正确,D错误. 反思感悟 由图象判断函数y=f(x)的极值,要抓住两点: (1)由y=f′(x)的图象与x轴的交点,可得函数y=f(x)的可能极值点. (2)由导函数y=f′(x)的图象可以看出y=f′(x)的值的正负,从而可得函数y=f(x)的单调性.两者结合可得极值点.  求已知函数的极值 例2 已知函数f(x)=ln x-ax(a∈R). (1)当a=时,求函数f(x)的极值; (2)讨论函数f(x)在定义域内极值点的个数. 解:(1)当a=时,f(x)=ln x-x,定义域为(0,+∞),且f′(x)=-=, 令f′(x)=0,得x=2, 于是当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表. x (0,2) 2 (2,+∞) f′(x) + 0 - f(x) ↗ ln 2-1 ↘ 故f(x)在定义域上的极大值为f(2)=ln 2-1,无极小值. (2)由(1)知,函数f(x)的定义域为(0,+∞), f′(x)=-a=(x>0). 当a≤0时,f′(x)>0在(0,+∞)上恒成立, 即函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,此时函数f(x)在定义域上无极值点; 当a>0时,当x∈(0,)时,f′(x)>0; 当x∈(,+∞)时,f′(x)<0, 故函数f(x)在x=处有极大值. 综上可知,当a≤0时,函数f(x)无极值点; 当a>0时,函数y=f(x)有一个极大值点,且为x=. 反思感悟 运用导数求函数f(x)极值的一般步骤:(1)确定函数f(x)的定义域;(2)求导数f′(x);(3)解方程f′(x)=0,求出函数在定义域内的所有根;(4)列表检验f′(x)在f′(x)=0的根x0左右两侧值的符号;(5)求出极值.  已知极值求参数 例3 (2023·全国乙卷节选)已知函数f(x)=(+a)ln(1+x),若f(x)在(0,+∞)上存在极值,求a的取值范围. 解:f′(x)=-ln(1+x)+(+a)· ==(x>0), 设h(x)=-ln(1+x),则h′(x)=-==, ①当a≤0时,2a-1<0,当x>0时,h′(x)<0,所以h(x)在(0,+∞)上单调递减, 所以当x>0时,h(x)<h(0)=0,即f′(x)<0, 所以f(x)在(0,+∞)上单调递减,无极值,不满足题意. ②当a≥时,2a-1≥0,当x>0时,h′(x)>0,所以h(x)在(0,+∞)上单调递增, 所以当x>0时,h(x)>h(0)=0,即f′(x)>0, 所以f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值,不满足题意. ③当0<a<时,令h′(x)=0,得x=,当0<x<时,h′(x)<0,当x>时,h′(x)>0, 所以h(x)在(0,)上单调递减,在(,+∞)上单调递增, 所以h()<h(0)=0, 又当x→+∞时,h(x)→+∞,所以存在x0∈(,+∞),使得h(x0)=0, 即当0<x<x0时,h(x)<0,f(x)单调递减,当x>x0时,h(x)>0,f(x)单调递增, 此时y=f(x)有极小值点x0. 综上所述,a的取值范围为(0,) 反思感悟 已知函数极值点或极值求参数的两个关键 列式 根据极值点处导数为0和极值这两个条件列方程组,利用待定系数法求解 验证 因为导数值等于零不是此点为极值点的充要条件,所以利用待定系数法求解后必须验证根的合理性 训练1 (1)设函数f(x)在R上可导,其导函数为f′(x),且函数y=(1-x)f′(x)的图象如图所示,则下列结论中一定成立的是(  ) A.函数f(x)有极大值f(2)和极小值f(1) B.函数f(x)有极大值f(-2)和极小值f(1) C.函数f(x)有极大值f(2)和极小值f(-2) D.函数f(x)有极大值f(-2)和极小值f(2) 解析:D 由题图可知, 当x<-2时,f′(x)>0; 当-2<x<1时,f′(x)<0; 当1<x<2时,f′(x)<0; 当x>2时,f′(x)>0. 由此可以得到函数f(x)在x=-2处取得极大值,在x=2处取得极小值. (2)(多选)(2023·新课标Ⅱ卷)若函数f(x)=aln x++(a≠0)既有极大值也有极小值,则(  ) A.bc>0   B.ab>0 C.b2+8ac>0   D.ac<0 解析:BCD 依题意,x>0, f′(x)=--=. 设g(x)=ax2-bx-2c, 由题意g(x)在(0,+∞)上有两个零点x1,x2,所以x1+x2=>0,x1x2=->0,则->0,所以ab>0,ac<0,bc<0,故A错误,B正确,D正确.因为二次函数g(x)有两个正零点,所以Δ=b2+8ac>0,故C正确.故选BCD. (3)已知函数f(x)=x-1+(a∈R,e为自然对数的底数).求函数f(x)的极值. 解:f′(x)=1-, 当a≤0时,f′(x)>0, 所以f(x)在(-∞,+∞)上单调递增,因此f(x)无极大值与极小值. 当a>0时,令f′(x)>0,则x>ln a, 所以f(x)在(ln a,+∞)上单调递增. 令f′(x)<0,则x<ln a, 所以f(x)在(-∞,ln a)上单调递减. 故f(x)在x=ln a处取得极小值, 且f(ln a)=ln a,但是无极大值. 综上,当a≤0时,f(x)无极大值与极小值; 当a>0时,f(x)在x=ln a处取得极小值ln a,但是无极大值.  利用导数研究函数的最值  求已知函数的最值 例4 已知函数g(x)=aln x+x2-(a+2)x(a∈R). (1)若a=1,求g(x)在区间[1,e]上的最大值; (2)求g(x)在区间[1,e]上的最小值h(a). 解:(1)∵a=1,∴g(x)=ln x+x2-3x, ∴g′(x)=+2x-3=, ∵x∈[1,e],∴g′(x)≥0, ∴g(x)在[1,e]上单调递增, ∴g(x)max=g(e)=e2-3e+1. (2)g(x)的定义域为(0,+∞), g′(x)=+2x-(a+2) ==. ①当≤1,即a≤2时,g(x)在[1,e]上单调递增,h(a)=g(1)=-a-1; ②当1<<e,即2<a<2e时,g(x)在上单调递减,在(,e]上单调递增,h(a)=g()=aln -a2-a; ③当≥e,即a≥2e时,g(x)在[1,e]上单调递减,h(a)=g(e)=(1-e)a+e2-2e. 综上,h(a)= 反思感悟 求函数f(x)在[a,b]上最值的方法 (1)若函数在区间[a,b]上单调递增或递减,f(a)与f(b)一个为最大值,一个为最小值. (2)若函数在区间[a,b]内有极值,要先求出[a,b]上的极值,与f(a),f(b)比较,最大的是最大值,最小的是最小值,可列表完成. (3)函数f(x)在区间(a,b)上有唯一一个极值点,这个极值点就是最大(或最小)值点,此结论在导数的实际应用中经常用到.  由函数的最值求参数 例5 (2024·苏州模拟)函数f(x)=-x3+x在(a,10-a2)上有最大值,则实数a的取值范围是________. 解析:由于f′(x)=-x2+1, 易知f(x)在(-∞,-1)和(1,+∞)上单调递减,在(-1,1)上单调递增, 故若函数f(x)在(a,10-a2)上存在最大值, 则即-2≤a<1. 答案:[-2,1) 反思感悟 由函数的最值确定参数的值或范围,一般要利用最值或最值点列出含参数的方程或不等式(组),解方程或不等式(组)即可. 训练2 已知函数f(x)=(4x2+4ax+a2),其中a<0.若f(x)在区间[1,4]上的最小值为8,求a的值. 解:f′(x)=,a<0,x>0, 由f′(x)=0得x=-或x=-. 当x∈(0,-)和(-,+∞)时,f(x)单调递增; 当x∈(-,-)时,f(x)单调递减. 易知f(x)=(2x+a)2≥0,且f(-)=0. ①当-≤1,即-2≤a<0时, f(x)在[1,4]上的最小值为f(1), 由f(1)=4+4a+a2=8,得a=±2-2,均不符合题意. ②当1<-≤4,即-8≤a<-2时,f(x)在[1,4]上的最小值为f(-)=0,不符合题意. ③当->4,即a<-8时,f(x)在[1,4]上的最小值可能在x=1或x=4处取得,而f(1)≠8,由f(4)=2×(64+16a+a2)=8得a=-10或a=-6(舍去), 当a=-10时,f(x)在[1,4]上单调递减,f(x)在[1,4]上的最小值为f(4)=8,符合题意. 综上,a=-10.  三次函数的图象和性质 设三次函数f(x)=ax3+bx2+cx+d(a,b,c,d∈R且a≠0).Δ=4(b2-3ac),其基本性质有: 性质1:①定义域为R.②值域为R,函数在整个定义域上没有最大值、最小值.③单调性和图象: a>0 a<0 图象 Δ>0 Δ≤0 Δ>0 Δ≤0 性质2:对称性,三次函数是中心对称曲线,且对称中心是(-,f(-)). 典例 对于三次函数f(x)=ax3+bx2+cx+d(a≠0),给出定义:设y=f′(x)是函数y=f(x)的导数,f″(x)是f′(x)的导数,若方程f″(x)=0有实数解x0,则称点(x0,f(x0))为函数y=f(x)的“拐点”.探究发现:任何一个三次函数都有“拐点”;任何一个三次函数都有对称中心,且“拐点”就是对称中心,设函数f(x)=x3-x2+,则以下说法正确的是(  ) ①函数f(x)的对称中心为(,0); ②f()+f()+…+f()+f()的值是99; ③函数f(x)的对称中心为(,1); ④f()+f()+…+f()+f()的值是1. A.①②   B.①④ C.②③   D.③④ 解析:C f(x)=x3-x2+⇒f′(x)=x2-x⇒f″(x)=2x-1, 令f″(x)=2x-1=0,解得x=,f()=×()3-×()2+=1, 由题意可知,函数f(x)=x3-x2+的对称中心为(,1); 因为函数f(x)=x3-x2+的对称中心为(,1), 所以有f(x)+f(1-x)=2,设S=f()+f()+…+f()+f(), (1) 所以有S=f()+f()+…+f()+f(), (2) (1)+(2)得,2S=2+2+…+2+2=2×99⇒S=99, 即f()+f()+…+f()+f()的值是99. 训练1 已知三次函数f(x)=x3-(4m-1)x2+(15m2-2m-7)x+2在定义域R上无极值点,则m的取值范围是(  ) A.m<2或m>4   B.m≤2或m≥4 C.2≤m≤4   D.2<m<4 解析:C f′(x)=x2-2(4m-1)x+15m2-2m-7, 由题意得导函数f′(x)=x2-2(4m-1)x+15m2-2m-7无变号零点, ∴x2-2(4m-1)x+15m2-2m-7≥0恒成立, ∴Δ=4(4m-1)2-4(15m2-2m-7)=64m2-32m+4-60m2+8m+28=4(m2-6m+8)≤0, 解得2≤m≤4.故选C. 训练2 设三次函数f(x)=ax3+bx2+cx+1的导函数f′(x)=3ax(x-1),且a>2,则函数f(x)的零点个数为(  ) A.0   B.1 C.2   D.3 解析:D 由f′(x)=3ax(x-1)且a>2知,当0<x<1时,f′(x)<0, 当x<0或x>1时,f′(x)>0, 则函数f(x)在(-∞,0)上单调递增, 在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增, 又f′(x)=3ax2+2bx+c=3ax(x-1), 则b=-,c=0, 则f(x)=ax3-x2+1, 所以f(0)=1>0, f(1)=a-+1=1-<0, 又f(-1)=-a+1<0,f(2)=2a+1>0, 所以函数有三个零点. 学科网(北京)股份有限公司 $$

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