内容正文:
第三节 导数与函数的极值、最值
【课程标准】 1.借助函数图象,了解函数在某点取得极值的必要条件和充分条件. 2.会用导数求函数的极大值、极小值. 3.会求闭区间上函数的最大值、最小值.
1.函数的极值
微提醒 (1)函数的极值点一定出现在区间的内部,区间的端点不能称为极值点.(2)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.(3)极大值与极小值之间无确定的大小关系.
2.函数的最值
(1)一般地,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)若函数f(x)在[a,b]上单调递增,则f(a)为函数的最小值,f(b)为函数的最大值;若函数f(x)在[a,b]上单调递减,则f(a)为函数的最大值,f(b)为函数的最小值.
【记牢常用结论】
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)在区间(a,b)内只有一个极值点,则相应的极值点一定是函数的最值点.
1.[多选题]下列结论正确的是( )
A.函数的极值可能不止一个,也可能没有
B.函数的极小值一定小于函数的极大值
C.函数的极小值一定是函数的最小值
D.函数的极大值一定不是函数的最小值
答案:AD
2.(链接人A选择性必修二P92T1)如图是f(x)的导函数f′(x)的图象,则f(x)的极小值点的个数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
答案:A
解析:由题意知,只有在x=-1处,f′(-1)=0,且其两侧导数符号为左负右正,故f(x)的极小值点只有1个.故选A.
3.(用结论)连续函数f(x)在[a,b]上有最大值是有极大值的( )
A.充分条件 B.必要条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
答案:D
解析:因为函数的最值是整体概念,而函数的极值是局部概念,这两者之间没有必然关系,所以连续函数f(x)在[a,b]上有最大值是有极大值的既不充分也不必要条件.故选D.
4.(链接人A选择性必修二P95例7)函数f(x)=2x-xln x的极大值是( )
A. B.
C.e D.e2
答案:C
解析:f′(x)=2-(ln x+1)=1-ln x.令f′(x)=0,得x=e.当0<x<e时,f′(x)>0;当x>e时,f′(x)<0.所以x=e时,f(x)取到极大值,f(x)极大值=f(e)=e.故选C.
5.(用结论)函数y=ln x-x在x∈(0,e]上的最大值为________.
答案:-1
解析:函数y=ln x-x的定义域为(0,+∞),y′=-1=.当x∈(0,1)时,y′>0,函数单调递增;当x∈(1,e]时,y′<0,函数单调递减.所以当x=1时,函数取得最大值-1.
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考点一 利用导数求解函数的极值问题多维练
角度1 根据函数图象判断极值
(2023·河南郑州模拟)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)
答案:D
解析: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.故函数f(x)在x=-2处取得极大值,在x=2处取得极小值.故选D.
规律方法
由图象判断函数y=f(x)极值的两个关键点
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f′(x)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.
角度2 求函数的极值
已知函数f(x)=ln x-ax(a∈R).
(1)当a=时,求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,x∈(0,+∞),且f′(x)=-=,
令f′(x)=0,解得x=2,则当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)
单调递增
ln 2-1
单调递减
故f(x)极大值=f(2)=ln 2-1,无极小值.
(2)f′(x)=-a=(x>0).
当a≤0时,f′(x)>0在(0,+∞)上恒成立,则函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值点;
当a>0时,若x∈,则f′(x)>0,
若x∈,则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f(x)有一个极大值点,即x=.
规律方法
求函数的极值或极值点的步骤
第一步:求导数f′(x),不要忘记函数f(x)的定义域;
第二步:求方程f′(x)=0的根;
第三步:检查在方程的根的左、右两侧f′(x)的符号,确定极值点或函数的极值.
角度3 已知函数极值(点)求参数
(1)(2024·山东威海模拟)函数f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=1处取得极值10,则a+b=( )
A.-7 B.0
C.-7或0 D.-15或6
(2)(2024·江苏苏州模拟)已知函数f(x)=x2-4x+aln x有两个极值点,则实数a的取值范围为( )
A.(-∞,2] B.(-∞,2)
C.(0,2] D.(0,2)
答案:(1)A (2)D
解析:(1)由f(x)=x3+ax2+bx+a2,可得f′(x)=3x2+2ax+b,因为f(x)在x=1处取得极值10,可得解得或检验知,当a=-3,b=3时,可得f′(x)=3x2-6x+3=3(x-1)2≥0,此时函数f(x)单调递增,函数无极值点,不符合题意;当a=4,b=-11时,可得f′(x)=3x2+8x-11=(3x+11)(x-1),当x<-或x>1时,f′(x)>0,f(x)单调递增;当-<x<1时,f′(x)<0,f(x)单调递减,当x=1时,函数f(x)取得极小值,符合题意.所以a+b=-7.故选A.
(2)函数f(x)的定义域是(0,+∞),f′(x)=2x-4+=.因为函数f(x)有两个极值点,所以方程f′(x)=0有两个不相等的正根,所以方程2x2-4x+a=0有两个不相等的正根x1,x2,所以得0<a<2.故选D.
规律方法
已知函数极值点或极值求参数的两个要领
1.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.
2.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.
提醒:若函数y=f(x)在区间(a,b)内有极值,那么y=f(x)在(a,b)内不是单调函数.
对点练1.(1)(2024·福建福州质检)已知函数f(x)=x(x-c)2在x=2处有极小值,则c的值为( )
A.2 B.4
C.6 D.2或6
(2)(2024·广西桂林模拟)函数f(x)=ln x+x2-ax(x>0)有极值,则实数a的取值范围是________.
答案:(1)A (2)(2,+∞)
解析:(1)由题意,f′(x)=(x-c)2+2x(x-c)=(x-c)·(3x-c),则f′(2)=(2-c)(6-c)=0,所以c=2或c=6.若c=2,则f′(x)=(x-2)(3x-2),当x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增;当x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减;当x∈(2,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,函数f(x)在x=2处有极小值,满足题意;若c=6,则f′(x)=(x-6)(3x-6),当x∈(-∞,2)时,f′(x)>0,f(x)单调递增;当x∈(2,6)时,f′(x)<0,f(x)单调递减;当x∈(6,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,函数f(x)在x=2处有极大值,不符合题意.综上,c=2.故选A.
(2)因为f(x)=ln x+x2-ax(x>0),所以f′(x)=+x-a,因为函数f(x)=ln x+x2-ax(x>0)有极值,所以y=f′(x)有变号零点.令f′(x)=+x-a=0,得a=+x.设g(x)=+x,则g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,所以g(x)min=g(1)=2,所以a>2,即实数a的取值范围是(2,+∞).
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考点二 利用导数求函数最值多维练
角度1 求函数的最值
(1)(2024·广东佛山模拟)函数f(x)=sin x+sin 2x的最大值为________.
(2)已知函数f(x)=xln x-a(x-1),求函数f(x)在区间[1,e]上的最小值.
答案:(1)
解析:(1)由题意得f(x)为周期函数,且T=2π,f′(x)=cos x+cos 2x=2cos2x+cos x-1=(2cos x-1)(cos x+1),因为cos x+1≥0,所以当<cos x≤1时,f′(x)>0,当-1≤cos x<时,f′(x)≤0,即当2kπ-<x<2kπ+,k∈Z时,f(x)单调递增,当2kπ+<x<2kπ+,k∈Z时,f(x)单调递减,故f(x)在x=2kπ+,k∈Z处取得极大值,即最大值,所以f(x)max=sin+sin=+×=.
(2)f(x)=xln x-a(x-1),
则f′(x)=ln x+1-a,
由f′(x)=0,得x=ea-1.
所以在区间(0,ea-1)上f(x)单调递减,
在区间(ea-1,+∞)上f(x)单调递增.
①当ea-1≤1,即a≤1时,f(x)在[1,e]上单调递增,所以f(x)的最小值为f(1)=0.
②当1<ea-1<e,即1<a<2时,
f(x)在上单调递减,
在(ea-1,e]上单调递增,
所以f(x)的最小值为f(ea-1)=a-ea-1.
③当ea-1≥e,即a≥2时,
f(x)在[1,e]上单调递减,
所以f(x)的最小值为f(e)=a+e-ae.
综上,当a≤1时,f(x)的最小值为0;
当1<a<2时,f(x)的最小值为a-ea-1;
当a≥2时,f(x)的最小值为a+e-ae.
规律方法
求函数f(x)在[a,b]上最值的方法
1.若函数在区间[a,b]上单调递增或单调递减,则f(a)与f(b)中,一个为最大值,一个为最小值.
2.若函数在闭区间[a,b]内有极值,则要先求出[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.
3.若函数f(x)在区间(a,b)上有唯一一个极值点,则函数在该极值点处取得最大(或最小)值.
角度2 已知函数的最值求参数
(1)(2024·福建莆田模拟)已知函数f(x)=(x+1)2+cos(x+1)+a的最小值是4,则a=( )
A.3 B.4
C.5 D.6
(2)(2024·辽宁沈阳检测)函数f(x)=x2-ln x在区间(其中a>0)上存在最小值,则实数a的取值范围为________.
答案:(1)A (2)
解析:(1)由题意得f′(x)=2(x+1)-sin(x+1),f ″(x)=2-cos(x+1)>0,所以f′(x)单调递增,又f′(-1)=0,所以当x<-1时,f′(x)<0,当x>-1时,f′(x)>0,故x=-1为f(x)的极小值点,也是最小值点,即f(-1)=1+a=4,解得a=3.故选A.
(2)由题意得f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=x-,令f′(x)>0,解得x>1,令f′(x)<0,解得0<x<1,所以f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,因为f(x)在区间(其中a>0)上存在最小值,所以解得<a<1,所以实数a的取值范围为.
规律方法
由函数的最值求参数,需先求函数的定义域、导函数,通过对参数分类讨论,判断函数的单调性,结合已知条件列出关于参数的方程(不等式)组,从而求解.
对点练2.已知函数f(x)=ax+ln x,其中a为常数.
(1)当a=-1时,求f(x)的最大值;
(2)若f(x)在区间(0,e]上的最大值为-3,求a的值.
解:(1)易知f(x)的定义域为(0,+∞),
当a=-1时,f(x)=-x+ln x,f′(x)=-1+=,令f′(x)=0,得x=1.
当0<x<1时,f′(x)>0;当x>1时,f′(x)<0.
所以f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减.所以f(x)max=f(1)=-1.所以当a=-1时,函数f(x)在(0,+∞)上的最大值为-1.
(2)f′(x)=a+,x∈,∈.
①若a≥-,则f′(x)≥0,从而f(x)在(0,e]上是增函数,
所以f(x)max=f(e)=ae+1≥0,不符合题意;
②若a<-,令f′(x)>0,则a+>0,结合x∈(0,e],解得0<x<-,
令f′(x)<0,则a+<0,结合x∈(0,e],
解得-<x≤e.
从而f(x)在上单调递增,在上单调递减,
所以f(x)max=f=-1+ln.
令-1+ln=-3,则ln=-2,
即a=-e2.
因为-e2<-,所以a=-e2符合题意.
课时测评20 导数与函数的极值、最值
(时间:40分钟 满分:100分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1-9,每小题5分,共45分)
1. 已知函数f(x)的定义域为(a,b),导函数f′(x)在(a,b)上的图象如图所示,则函数f(x)在(a,b)上的极大值点的个数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
答案:B
解析:由函数极值的定义和导函数的图象可知,f′(x)在(a,b)上与x轴的交点个数为4,但是在原点附近的导数值恒大于零,故x=0不是函数f(x)的极值点.其余的3个交点都是极值点,其中有2个点满足其附近的导数值左正右负,故极大值点有2个.故选B.
2.(2024·江苏南通段考)已知函数f(x)=2ln x+ax2-3x在x=2处取得极小值,则f(x)的极大值为( )
A.2 B.-
C.3+ln 2 D.-2+2ln 2
答案:B
解析:f′(x)=+2ax-3,因为f(x)在x=2处取得极小值,所以f′(2)=4a-2=0,解得a=,所以f(x)=2ln x+x2-3x,f′(x)=+x-3=,所以f(x)在(0,1),(2,+∞)上单调递增,在(1,2)上单调递减,所以f(x)的极大值为f(1)=-3=-.故选B.
3.函数f(x)=在[2,+∞)上的最小值为( )
A. B.e2
C. D.2e
答案:A
解析:依题意f′(x)=(x2-2x-3)=(x-3)(x+1),故函数在(2,3)上单调递减,在(3,+∞)上单调递增,故函数在x=3处取得极小值也是最小值,且最小值为f(3)==.故选A.
4.当x=1时,函数f(x)=aln x+取得最大值-2,则f′(2)等于( )
A.-1 B.-
C. D.1
答案:B
解析:函数f(x)的定义域为(0,+∞),依题意可知而f′(x)=-,所以即所以f′(x)=-+,因此函数f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,当x=1时取最大值,满足题意.所以f′(2)=-1+=-.故选B.
5.[多选题]下列说法正确的是( )
A.f(x)=x+(x∈R)的最小值为1
B.f(x)=(x>0)的最小值为1
C.f(x)=x-ln x(x>0)的最小值为1
D.f(x)=xe(x>0)的最小值1
答案:AC
解析:f(x)=x+(x∈R),f′(x)=1-=,函数f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增,故函数f(x)的最小值为f(0)=1,故A正确;f(x)=(x>0),f′(x)=,函数f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,故函数f(x)的最小值为f(1)=e,故B错误;f(x)=x-ln x(x>0),f′(x)=1-=,函数f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,故函数f(x)的最小值为f(1)=1,故C正确;f(x)=xe(x>0),f′(x)=e+xe·=,函数f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,故函数f(x)的最小值为f(1)=e,故D错误.故选AC.
6.[多选题](2024·湖南永州一模)对于函数f(x)=,则( )
A.f(x)有极大值,没有极小值
B.f(x)有极小值,没有极大值
C.函数f(x)与y=-x+2的图象有两个交点
D.函数g(x)=f(x)-有两个零点
答案:AD
解析:由题意得f′(x)==-,因为ex>0在x∈R恒成立,所以当x>0时,f′(x)<0,f(x)单调递减;当x<0时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
所以f(x)在x=0处有极大值,没有极小值,故A正确,B错误;根据f(x)的单调性,画出函数f(x)及y=-x+2的图象,如图①所示:
由图可知,函数f(x)与y=-x+2的图象只有一个交点,故C错误;函数g(x)=f(x)-的零点个数即
为函数f(x)与y=的图象交点个数,画出函数f(x)及y=的图象,如图②所示:
由图可知,函数f(x)与y=的图象有两个交点,即函数g(x)=f(x)-有两个零点,故D正确.故选AD.
7.(新设问)(2024·山东潍坊模拟)写出一个存在极值的奇函数f(x)=________.
答案:sin x(答案不唯一)
解析:正弦函数f(x)=sin x为奇函数,且存在极值.
8.已知函数f(x)=ax3-x,若f(x)有极大值,则a=________.
答案:3
解析:f′(x)=3ax2-1,当a≤0时,f′(x)<0,f(x)单调递减,无极大值.当a>0时,令f′(x)=0,得x=± ,令f′(x)>0,得x<-或x>,令f′(x)<0,得-<x<,所以f(x)在上单调递增,在上单调递减,在上单调递增,所以f(x)在x=-处取得极大值,所以f=,解得a=3.
9.甲、乙两地相距240 km,汽车从甲地以速度v(km/h)匀速行驶到乙地.已知汽车每小时的运输成本由固定成本和可变成本组成,固定成本为160元,可变成本为元.为使全程运输成本最小,汽车应以________km/h的速度行驶.
答案:80
解析:设全程运输成本为y元,由题意,得y==240,v>0,y′=240.令y′=0,得v=80.当v>80时,y′>0;当0<v<80时,y′<0.所以函数y=在(0,80)上单调递减,在(80,+∞)上单调递增,所以当v=80时,全程运输成本最小.
10.(13分)已知函数f(x)=excos x-x.
(1)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)求函数f(x)在区间上的最大值和最小值.
解:(1)因为f(x)=excos x-x,所以f′(x)=ex(cos x-sin x)-1,f′(0)=0.
又因为f(0)=1,
所以曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=1.
(2)设h(x)=f′(x)=ex(cos x-sin x)-1,
则h′(x)=ex(cos x-sin x-sin x-cos x)
=-2exsin x.
当x∈时,h′(x)≤0,
所以h(x)在区间上单调递减,
所以对任意x∈有h(x)≤h(0)=0,即f′(x)≤0,
所以函数f(x)在区间上单调递减.
因此f(x)在区间上的最大值为f(0)=1,最小值为f=-.
11.(14分)(2024·九省适应性测试)已知函数f(x)=ln x+x2+ax+2在点(2,f(2))处的切线与直线2x+3y=0垂直.
(1)求a;
(2)求f(x)的单调区间和极值.
解:(1)因为 f(x)=ln x+x2+ax+2,
所以f′(x)=+2x+a,则f′(2)=+2×2+a=+a,
由题意函数f(x)=ln x+x2+ax+2在点(2,f(2))处的切线与直线2x+3y=0垂直,
可得×=-1,解得a=-3.
(2)由a=-3,得f(x)=ln x+x2-3x+2,
所以f′(x)=+2x-3==,x>0,
所以当0<x<时,f′(x)>0,当<x<1时,f′(x)<0,当x>1时,f′(x)>0,
故f(x)的单调递增区间为和(1,+∞),f(x)的单调递减区间为,
故f(x)有极大值f=ln+2-3×+2=-ln 2,
f(x)有极小值f(1)=ln 1+12-3×1+2=0.
(每小题6分,共12分)
12.(2024·黑龙江哈尔滨质检)已知函数f(x)=-x3+ax2-4在x=2处取得极值.若m,n∈[-1,1],则f(m)+f′(n)的最小值是( )
A.15 B.-15
C.10 D.-13
答案:D
解析:因为f′(x)=-3x2+2ax,f(x)在x=2处取得极值,所以f′(2)=0,即-12+4a=0,解得a=3,所以f′(x)=-3x2+6x.又当n∈[-1,1]时,f′(n)=-3n2+6n单调递增,所以当n=-1时,f′(n)的最小值为-9.当m∈[-1,1]时,f(m)=-m3+3m2-4,f′(m)=-3m2+6m,令f′(m)=0,得m=0或m=2,所以f(m)在[-1,0]上单调递减,在[0,1]上单调递增,所以当m=0时,f(m)的最小值为-4.故f(m)+f′(n)的最小值为-4+(-9)=-13.故选D.
13.[多选题](2023·山东烟台模拟)已知函数f(x)=,则下列结论正确的是( )
A.函数f(x)存在两个不同的零点
B.函数f(x)既存在极大值又存在极小值
C.当-e<k≤0时,方程f(x)=k有且只有两个实根
D.若x∈[t,+∞)时,f(x)max=,则t的最小值为2
答案:ABC
解析:由f(x)=0,得x2+x-1=0,所以x=,故A正确;f′(x)=-=-,当x∈(-∞,-1)∪(2,+∞)时,f′(x)<0,当x∈(-1,2)时,f′(x)>0,所以f(x)在(-∞,-1),(2,+∞)上单调递减,在(-1,2)上单调递增,所以f(-1)是函数的极小值,f(2)是函数的极大值,故B正确;
又f(-1)=-e,f(2)=,且当x→-∞时,f(x)→+∞,x→+∞时,f(x)→0,所以f(x)的图象如图所示,由图知C正确,D不正确.故选ABC.
(每小题8分,共16分)
14.[多选题]已知函数f(x)=xln x+x2,x0是函数f(x)的极值点,以下几个结论中正确的是( )
A.0<x0< B.x0>
C.f(x0)+2x0<0 D.f(x0)+2x0>0
答案:AD
解析:函数f(x)=xln x+x2(x>0),所以f′(x)=ln x+1+2x,因为x0是函数f(x)的极值点,所以f′(x0)=0,即ln x0+1+2x0=0,又函数f′(x)=ln x+1+2x在(0,+∞)上单调递增,所以f′=>0=f′(x0),所以0<x0<,即A正确,B不正确;f(x0)+2x0=x0ln x0+x+2x0=x0(ln x0+x0+2)=x0(1-x0)>0,即D正确,C不正确.故选AD.
15.已知函数f(x)=若a<b,且f(a)=f(b),则b-a的最小值为( )
A.1 B.
C.e-1 D.2
答案:D
解析:令f(a)=f(b)=t(t>0),因为f(x)=且a<b,所以-=t,ln b+1=t,
所以a=-,b=et-1,因此b-a=et-1+,
令f(t)=et-1+(t>0),则f′(t)=et-1-,
当t∈(0,1)时,f′(t)<0,f(t)单调递减;当t∈(1,+∞)时,f′(t)>0,f(t)单调递增,所以f(t)在t=1处取得极小值,也是最小值,f(1)=e1-1+=2,因此b-a的最小值为2.故选D.
学生用书↓第60页
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