内容正文:
1.3.2 函数的极值与导数
第1章 §1.3 导数在研究函数中的应用
学习目标
1.了解函数极值的概念,会从几何方面直观理解函数的极值与导数的关系.
2.掌握函数极值的判定及求法.
3.掌握函数在某一点取得极值的条件.
同学们,前面我们通过对函数的求导,掌握了函数的单调性,从而也发现了函数图象的变化趋势,正所谓“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”,大家可以想象一下,在群山之中,各个山峰的顶端虽然不一定是群山之中的最高处,但却是其附近的最高点,同样,各个谷底虽然不一定是山谷的最低处,但却是其附近的最低点.这就和我们今天要研究的函数的极值很相似.
导语
内容索引
一、函数极值的概念
二、求函数的极值
课时对点练
三、由极值求参数的值或范围
随堂演练
函数极值的概念
一
问题1 如图是某处群山的截面图,你能指出山峰、山谷吗?
提示 在x1,x3,x5处是山峰,在x2,x4处是山谷.
问题2 你能描述一下在各个山峰、山谷附近的特点吗?
提示 以山峰x=x1处为例来研究,在x=x1处,它附近的函数值都比它小,且在x=x1处的左侧函数是单调递增的,有f′(x)>0;在x=x1处的右侧函数是单调递减的,有f′(x)<0,函数图象是连续不断的,f′(x)的变化也是连续不断的,并且有f′(x1)=0.
极值点与极值的概念
如图1所示,设函数y=f(x)在区间(a,b)内有定义,x0是区间(a,b)内的一个点,若点x0附近的函数值都
f(x0)(即f(x) f(x0)),就说f(x0)是函数y=f(x)的一个极大值,此时x0称为f(x)的一个极大值点.
小于或等于
≤
知识梳理
如图2所示,设函数y=f(x)在区间(a,b)内有定义,x0是
区间(a,b)内的一个点,若点x0附近的函数值都_______
f(x0)(即f(x) f(x0)),就说f(x0)是函数y=f(x)的一
个极小值,此时x0称为f(x)的一个极小值点.
极大值和极小值统称 ,极大值点和极小值点统称 .
若f′(c)=0,则x=c叫作函数f(x)的驻点.
大于或
等于
≥
极值
极值点
知识梳理
注意点:
(1)极值点不是点.
(2)极值是函数的局部性质.
(3)函数的极值不唯一.
(4)极大值与极小值两者的大小关系不确定.
(5)极值点出现在区间的内部,端点不能是极值点.
(6)若f′(c)=0,则c不一定是极值点,即f′(c)=0是f(x)在x=c处取到极值的必要而不充分条件,函数y=f′(x)的变号零点,才是函数的极值点.
知识梳理
例1 (多选)函数y=f(x)的导函数的图象如图所示,给出下列判断,正确的是
√
√
对于B,当x∈(-2,2)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,所以B正确;
对于D,由A知,当x=2时,函数y=f(x)取得极大值,所以D正确.
解答此类问题要先搞清楚所给的图象是原函数的还是导函数的,对于导函数的图象,重点考查在哪个区间上为正,哪个区间上为负,在哪个点处与x轴相交,在该点附近的导数值是如何变化的,若是由正值变为负值,则在该点处取得极大值;若是由负值变为正值,则在该点处取得极小值.
反思感悟
13
跟踪训练1 已知函数y=f(x)的导函数y=f′(x)的图象如图所示,则函数y=f(x)在区间(a,b)内的极小值点的个数为
A.1 B.2 C.3 D.4
√
如图,在(a,c),(d,b)上,f′(x)≥0,
所以函数f(x)在(a,c),(d,b)上单调递增,
在(c,d)上,f′(x)<0,所以f(x)在(c,d)上单调递减,
所以当x=c时,函数f(x)取得极大值,当x=d时,函数f(x)取得极小值.
则函数y=f(x)的极小值点的个数为1.
二
求函数的极值
例2 求下列函数的驻点,并判断其是否为极值点,若是,求出对应极值.
(1)f(x)=x3-3x2-9x+5;
16
函数f(x)的定义域为R.
f′(x)=3x2-6x-9,
令f′(x)=0,即3x2-6x-9=0,
解得x1=-1,x2=3.
所以x=-1或x=3为函数的驻点.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
x (-∞,-1) -1 (-1,3) 3 (3,+∞)
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) 递增↗ 极大值 递减↘ 极小值 递增↗
17
所以当x=-1时,函数y=f(x)有极大值,且f(-1)=10;
当x=3时,函数y=f(x)有极小值,且f(3)=-22.
18
令f′(x)=0,解得x=1,
所以x=1为函数的驻点.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
所以当x=1时,函数f(x)有极小值,为f(1)=3,f(x)无极大值.
x (0,1) 1 (1,+∞)
f′(x) - 0 +
f(x) 递减↘ 极小值 递增↗
19
(1)函数极值和极值点的求解步骤
①确定函数的定义域,并求导数f′(x).
②求f(x)的驻点,即求方程f′(x)=0的解.
③用方程f′(x)=0的解顺次将函数的定义域分成若干个小开区间,并列成表格.
④对于方程f′(x)=0的每一个解x0,分析f′(x)在x0左右两侧的符号,确定极值点.
⑤求出各极值点的函数值,就得到y=f(x)的全部极值.
(2)确定极值点,其记忆口诀为:左正右负为极大,左负右正为极小.
反思感悟
20
跟踪训练2 求下列函数的驻点,并判断其是否为极值点,若是,求出对应极值.
(1)f(x)=x2e-x;
21
函数f(x)的定义域为R,
f′(x)=2xe-x+x2·e-x·(-x)′=2xe-x-x2·e-x=x(2-x)e-x.
令f′(x)=0,即x(2-x)e-x=0,
解得x=0或x=2,即x=0或x=2为函数f(x)的驻点.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
x (-∞,0) 0 (0,2) 2 (2,+∞)
f′(x) - 0 + 0 -
f(x) 递减↘ 极小值 递增↗ 极大值 递减↘
22
因此当x=0时,f(x)取得极小值,且极小值为f(0)=0;
当x=2时,f(x)取得极大值,
23
(2)f(x)=x-aln x(a∈R).
24
f(x)=x-aln x的定义域为(0,+∞),
①当a≤0时,f′(x)>0,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,函数f(x)无驻点;
②当a>0时,由f′(x)=0,
解得x=a,即x=a为函数f(x)的驻点.
又当x∈(0,a)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减;
当x∈(a,+∞)时,f′(x)>0,函数f(x)单调递增.
25
从而函数f(x)在x=a处取得极小值,且极小值为f(a)=a-aln a,无极大值.
综上,当a≤0时,函数f(x)无驻点;当a>0时,函数f(x)的驻点为x=a,且在x=a处取得极小值a-aln a,无极大值.
26
三
由极值求参数的值或范围
例3 (1)已知函数f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=1处取极值10,则a等于
A.4或-3 B.4或-11
C.4 D.-3
√
28
∵f(x)=x3+ax2+bx+a2,
∴f′(x)=3x2+2ax+b.
故函数f(x)单调递增,无极值,不符合题意.
∴a=4.
29
(2)若函数f(x)= x2+(a-1)x-aln x没有极值,则
A.a=-1 B.a≥0
C.a<-1 D.-1<a<0
√
30
令f′(x)<0,得0<x<1;令f′(x)>0,得x>1,
则f(x)在x=1处取极小值,不符合题意.
①若a=-1,此正数解为x=1,
31
f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值.
②若a≠-1,此正数解为x≠1,f′(x)=0必有2个不同的正数解,f(x)存在2个极值.
综上,a=-1.
32
已知函数的极值求参数的方法
(1)对于已知可导函数的极值求参数的问题,解题的切入点是极值存在的条件:极值点处的导数值为0,极值点两侧的导数值异号.
注意:求出参数后,一定要验证是否满足题目中的条件.
(2)对于函数无极值的问题,往往转化为其导函数的值非负或非正在某区间内恒成立的问题,即转化为f′(x)≥0或f′(x)≤0在某区间内恒成立的问题,此时需注意不等式中的等号是否成立.
反思感悟
33
跟踪训练3 若函数f(x)= x3-4x+4的图象与直线y=a恰有三个不同的
交点,则实数a的取值范围是___________.
34
∵f(x)= x3-4x+4(x∈R),
∴f′(x)=x2-4=(x+2)(x-2).
令f′(x)=0,得x=2或x=-2.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
x (-∞,-2) -2 (-2,2) 2 (2,+∞)
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) 递增↗ 极大值 递减↘ 极小值 递增↗
35
且f(x)在(-∞,-2)上单调递增,
在(-2,2)上单调递减,
在(2,+∞)上单调递增.
根据函数单调性、极值的情况,它的图象大致如图所示,
36
1.知识清单:
(1)函数极值的概念.
(2)函数极值的判定及求法.
(3)函数极值的应用.
2.方法归纳:方程思想、分类讨论、数形结合.
3.常见误区:导数值等于零不是此点为极值点的充要条件.
课堂小结
随堂演练
四
1.函数f(x)的定义域为R,它的导函数y=f′(x)的部分图象如图所示,则下面结论错误的是
A.在(1,2)上函数f(x)单调递增
B.在(3,4)上函数f(x)单调递减
C.在(1,3)上函数f(x)有极大值
D.x=3是函数f(x)在区间[1,5]上的极小值点
1
2
3
4
√
39
1
2
3
4
根据导函数图象知,当x∈(1,2)时,f′(x)>0;
当x∈(2,4)时,f′(x)<0,当x∈(4,5)时,f′(x)>0.
∴f(x)在(1,2),(4,5)上单调递增,在(2,4)上单调递减,
x=2是f(x)在[1,5]上的极大值点,x=4是极小值点.
40
2.(多选)已知函数f(x)=2x3+ax2+36x-24在x=2处有极值,则该函数的单调递增区间是
A.(-∞,2) B.(3,+∞) C.(2,+∞) D.(-∞,3)
1
2
3
4
√
∵f′(x)=6x2+2ax+36,且在x=2处有极值,
∴f′(2)=0,即24+4a+36=0,解得a=-15,
∴f′(x)=6x2-30x+36=6(x-2)(x-3),
由f′(x)>0得x<2或x>3.
√
1
2
3
4
3.设函数f(x)=xex,则
A.x=1为f(x)的极大值点 B.x=1为f(x)的极小值点
C.x=-1为f(x)的极大值点 D.x=-1为f(x)的极小值点
f′(x)=ex+x·ex=(1+x)ex,令f′(x)=0,
得x=-1.
当x<-1时,f′(x)<0,则f(x)单调递减;
当x>-1时,f′(x)>0,则f(x)单调递增.
故x=-1为f(x)的极小值点.
√
4.函数f(x)=4x3-ax2-2bx+2在x=1处有极大值-3,则a-b的值等于
A.0 B.6 C.3 D.2
1
2
3
4
√
f′(x)=12x2-2ax-2b,因为f(x)在x=1处有极大值-3,
解得a=b=3,经检验a=b=3满足题意,所以a-b=0.
课时对点练
五
1.函数f(x)=2x2-6x+1的驻点为
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基础巩固
√
2.下列函数中存在极值的是
A.y= B.y=x-ex C.y=2 D.y=x3
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√
对于y=x-ex,y′=1-ex,
令y′=0,得x=0.
在区间(-∞,0)上,y′>0;
在区间(0,+∞)上,y′<0.
故当x=0时,函数y=x-ex取得极大值.
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√
4.函数f(x)=ln x-x在区间(0,e)上的极大值为
A.-e B.-1 C.1-e D.0
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√
函数f(x)的定义域为(0,+∞),
令f′(x)=0,得x=1.
当x∈(0,1)时,f′(x)>0,故f(x)单调递增;
当x∈(1,e)时,f′(x)<0,故f(x)单调递减;
故f(x)在x=1处取得极大值f(1)=ln 1-1=0-1=-1.
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5.设函数f(x)在R上可导,其导函数为f′(x),且函数y=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)
√
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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.
6.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
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√
∵f(x)在x=2处取得极小值,
∴f(x)在(0,1),(2,+∞)上单调递增,在(1,2)上单调递减,
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令f′(x)<0,得x<-2或x>1;
令f′(x)>0,得-2<x<1.
所以f(x)在(-∞,-2),(1,+∞)上单调递减,在(-2,1)上单调递增,
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8.函数f(x)=ax-1-ln x(a≤0)在定义域内的极值点的个数为____.
0
所以当a≤0时,f′(x)<0在(0,+∞)上恒成立,
所以函数f(x)在(0,+∞)上单调递减,
所以f(x)在(0,+∞)上没有极值点.
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(1)求a的值;
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由题意知,曲线在x=1处的切线斜率为0,即f′(1)=0,
解得a=-1.
(2)求函数f(x)的极值.
当x∈(0,1)时,f′(x)<0,故f(x)在(0,1)上单调递减;
当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,故f(x)在(1,+∞)上单调递增.
故f(x)在x=1处取得极小值,极小值为f(1)=3,无极大值.
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10.设a为实数,函数f(x)=x3-x2-x+a.
(1)求f(x)的极值;
f′(x)=3x2-2x-1.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
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(2)当a在什么范围内取值时,曲线y=f(x)与x轴仅有一个交点?
函数f(x)=x3-x2-x+a=(x-1)2(x+1)+a-1,
由此可知,x取足够大的正数时,有f(x)>0,
x取足够小的负数时,有f(x)<0,
∴曲线y=f(x)与x轴至少有一个交点.
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∵曲线y=f(x)与x轴仅有一个交点,
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11.已知函数f(x)=x3+3mx2+nx+m2在x=-1处的极值为0,则m+n等于
A.11 B.4或11
C.4 D.8
综合运用
√
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f′(x)=3x2+6mx+n,
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此时f(x)=x3+6x2+9x+4,f′(x)=3x2+12x+9=3(x+1)(x+3),
当-3<x<-1时,f′(x)<0,当x>-1时,f′(x)>0,
故函数f(x)在x=-1处取得极小值,符合题意,因此m+n=11.
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12.若函数f(x)=ex-ax-b在R上有小于0的极值点,则实数a的取值范围是
A.(-1,0) B.(0,1) C.(-∞,-1) D.(1,+∞)
√
由题意知f′(x)=ex-a.
当a≤0时,f′(x)>0恒成立,则f(x)在R上单调递增,不符合题意;
当a>0时,令f′(x)=0,解得x=ln a,
∴当x∈(-∞,ln a)时,f′(x)<0;当x∈(ln a,+∞)时,f′(x)>0.
可知x=ln a为f(x)的极小值点,
∴ln a<0,∴a∈(0,1).
13.设函数f(x)在R上可导,其导函数为f′(x),且函数f(x)在x=-2处取得极小值,则函数y=xf′(x)的图象可能是
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因为f(x)在x=-2处取得极小值,
所以当x<-2时,f(x)单调递减,即f′(x)<0;
当x>-2时,f(x)单调递增,即f′(x)>0.
所以当x<-2时,y=xf′(x)>0;
当x=-2时,y=xf′(x)=0;
当-2<x<0时,y=xf′(x)<0;
当x=0时,y=xf′(x)=0;
当x>0时,y=xf′(x)>0.
结合选项中的图象知选C.
14.函数f(x)=ex(x-aex)恰有两个极值点x1,x2(x1<x2),则实数a的取值范围
是________.
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∵函数f(x)=ex(x-aex),
∴f′(x)=(x+1-2aex)ex.
∵函数f(x)恰有两个极值点x1,x2,
∴x1,x2是方程f′(x)=0的两个不相等的实数根.
令x+1-2aex=0,可知a≠0,
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拓广探究
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15.已知函数f(x)=ax3+bx2+cx的图象如图所示,且f(x)在x=x0与x=2处取得极值,则f(1)+f(-1)的值一定
A.等于0 B.大于0
C.小于0 D.小于或等于0
√
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f′(x)=3ax2+2bx+c.
令f′(x)=0,则x0和2是该方程的根.
由题图知,f′(x)<0的解集为(x0,2),
∴3a>0,则b>0,
∵f(1)+f(-1)=2b,
∴f(1)+f(-1)>0.
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f′(x)=[x2+(a+2)x-2a2+4a]ex.
令f′(x)=0,解得x=-2a或x=a-2,
分以下两种情况讨论:
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当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
x (-∞,-2a) -2a (-2a,a-2) a-2 (a-2,+∞)
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) 递增↗ 极大值 递减↘ 极小值 递增↗
所以f(x)的单调递增区间为(-∞,-2a),(a-2,+∞),单调递减区间为(-2a,a-2),函数f(x)在x=-2a处取得极大值f(-2a),且f(-2a)=3ae-2a,函数f(x)在x=a-2处取得极小值f(a-2),且f(a-2)=(4-3a)·ea-2.
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当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
x (-∞,a-2) a-2 (a-2,-2a) -2a (-2a,+∞)
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) 递增↗ 极大值 递减↘ 极小值 递增↗
所以f(x)的单调递增区间为(-∞,a-2),(-2a,+∞),
单调递减区间为(a-2,-2a),
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函数f(x)在x=a-2处取得极大值f(a-2),
且f(a-2)=(4-3a)ea-2,
函数f(x)在x=-2a处取得极小值f(-2a),
且f(-2a)=3ae-2a.
A.函数y=f(x)在区间内单调递减
B.函数y=f(x)在区间(-2,2)内单调递增
C.当x=-时,函数y=f(x)有极大值
D.当x=2时,函数y=f(x)有极大值
对于A,当x∈时,f′(x)>0,f(x)单调
递增,当x∈(2,3)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,所以A错误;
对于C,当x∈(-2,2)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,故当x=-时,f 不是极大值,所以C错误;
(2)f(x)=+3ln x
函数f(x)=+3ln x的定义域为(0,+∞),
f′(x)=-+=.
且极大值为f(2)=4e-2=.
由f′(x)=1-=,x>0知
由题意得即
解得或
当时,f′(x)=3x2-6x+3=3(x-1)2≥0,
此时f′(x)=≥0,
f′(x)=(x-1),x>0,
当a≥0时,+1>0,
当a<0时,方程+1=0必有一个正数解x=-a,
∴当x=-2时,函数取得极大值f(-2)=;
当x=2时,函数取得极小值f(2)=-.
结合图象知-<a<.
所以
A.1 B. C.2 D.3
f′(x)=4x-6,令f′(x)=0,得x=.
3.若x=1是函数f(x)=ax3+的一个极值点,则a的值为
A. B.1 C.0 D.
由f(x)=ax3+,得f′(x)=3ax2-,
依题意可得f′(1)=3a-1=0,解得a=,
经检验,a=满足题意.
f′(x)=-1.
-
f′(x)=+x-3=,
∴f(x)的极大值为f(1)=-3=-.
由题意得,f′(x)=+2ax-3,
∴f′(2)=4a-2=0,解得a=,
∴f(x)=2ln x+x2-3x,x>0,
7.函数f(x)=的极小值为________.
-
f′(x)==.
所以f(x)极小值 =f(-2)=-.
因为x>0,f′(x)=a-=,
9.设函数f(x)=aln x++x+1,其中a∈R,曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线垂直于y轴.
f′(x)=-+(x>0).
从而a-+=0,
由(1)知f(x)=-ln x++x+1(x>0),
f′(x)=--+==.
令f′(x)=0,解得x1=1,x2=-(舍去).
令f′(x)=0,得x=-或x=1.
x
-
1
(1,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
递增↗
极大值
递减↘
极小值
递增↗
∴f(x)的极大值是f =+a,极小值是f(1)=a-1.
由(1)知f(x)极大值=f =+a,f(x)极小值=f(1)=a-1.
∴f(x)极大值<0或f(x)极小值>0,即+a<0或a-1>0,
∴a<-或a>1,
∴当a∈∪(1,+∞)时,曲线y=f(x)与x轴仅有一个交点.
由题意知
解得
设y1=(a≠0),y2=ex,在同一坐标系内画出两个函数的图象,如图所示.
∴=ex.
要使这两个函数有两个不同的交点,应满足>1,解得0<a<,
所以实数a的取值范围为.
∴x0+2=-<0,即>0.
16.已知函数f(x)=(x2+ax-2a2+3a)ex(x∈R),当实数a≠时,求函数
f(x)的单调区间与极值.
由a≠,得-2a≠a-2.
①若a>,则-2a<a-2.
②若a<,则-2a>a-2.
$$