内容正文:
第1课时 函数的导数与极值
第六章 6.2.2 导数与函数的极值、最值
知识目标
1.理解极值、极值点的概念,了解函数在某点处取得极值的必要条件和
充分条件.
2.能利用导数求某些函数的极大值、极小值.
3.能利用导数解决与函数极值相关的综合问题
素养目标
通过学习函数的极值、极值点等概念,培养数学抽象素养;利用导数求函数的极值,提升逻辑推理、数学运算素养.
新知导学
1
课时测评
4
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内容索引
随堂演练
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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,且有f ′(x)>0,在x∈(x1,x2)上函数是单调递减的,且有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.
问题导思
知识点一 极值点与极值
1.极值点与极值的一般解释
一般地,设函数y=f (x)的定义域为D,设x0∈D,如果对于x0附近的任意不同于x0的x,都有
(1)f (x)<f (x0),则称x0为函数f (x)的一个极大值点,且f (x)在x0处取______;
(2)f (x)>f (x0),则称x0为函数f (x)的一个极小值点,且f (x)在x0处取______.
________与________都称为极值点,________与________都称为极值.显然,极大值点在其附近函数值最大,极小值点在其附近函数值最小.
新知构建
极大值
极小值
极大值点
极小值点
极大值
极小值
2.极值点与极值的导数解释
一般地,设函数f (x)在x0处可导,且f ′(x0)=0.
(1)如果对于x0左侧附近的任意x,都有________,对于x0右侧附近的任意x,都有________,那么此时x0是f (x)的极大值点.
(2)如果对于x0左侧附近的任意x,都有__________,对于x0右侧附近的任意x,都有________,那么此时x0是f (x)的极小值点.
(3)如果f ′(x)在x0的左侧附近与右侧附近均为______(或均为______),则x0一定不是y=f (x)的极值点.
f ′(x)>0
f ′(x)<0
f ′(x)<0
f ′(x)>0
正号
负号
1.对于极值的认识
(1)函数的极值是一个局部性的概念,是仅对某一点的左右两侧区域而言的,极值点是区间内部的点而不会是端点.
(2)若f (x)在某区间内有极值,那么f (x)在该区间内一定不是单调函数,即在区间上单调的函数没有极值.
2.对函数取极值条件的认识
(1)可导函数的极值点是导数为零的点,但是导数为零的点不一定是极值点,即“函数y=f (x)在一点的导数值为零是函数y=f (x)在这点取极值的必要条件,而非充分条件”.
(2)可导函数f (x)在点x0处取得极值的充要条件是f ′(x0)=0,且在点x0左侧和右侧
f ′(x)的符号不同.
微提醒
3.对于函数极值点的认识
(1)函数f (x)在某区间内有极值,它的极值点的分布是有规律的,相邻两个极大值点之间必有一个极小值点,同样相邻两个极小值点之间必有一个极大值点.
(2)当函数f (x)在某区间上连续且有有限个极值点时,函数f (x)在该区间内的极大值点与极小值点是交替出现的.
(3)从曲线的切线角度看,曲线在极值点处切线的斜率为0,并且,曲线在极大值点左侧切线的斜率为正,右侧为负;曲线在极小值点左侧切线的斜率为负,右侧为正.
知识点二 求可导函数y=f (x)的极值的方法
解方程f ′(x)=0,当f ′(x0)=0时:
(1)如果在x0附近的左侧f ′(x)>0,右侧f ′(x)<0,那么f (x0)是________;
(2)如果在x0附近的左侧f ′(x)<0,右侧f ′(x)>0,那么f (x0)是________.
极大值
极小值
1.函数f (x)的定义域为R,导函数f ′(x)的图象如图所示,则函数f (x)
A.无极大值点,有四个极小值点
B.有三个极大值点,两个极小值点
C.有两个极大值点,两个极小值点
D.有四个极大值点,无极小值点
自主检测
设y=f ′(x)的图象与x轴的交点从左到右横坐标依次为x1,x2,x3,x4,则
f (x)在x=x1,x=x3处取得极大值,在x=x2,x=x4处取得极小值.
√
A.0 B.-1
C.0或1 D.1
因为f ′(x)=x3-x2=x2(x-1),由f ′(x)=0得x=0或x=1.又当x>1时,f ′(x)>0,0<x<1时,f ′(x)<0,所以1是f (x)的极小值点.又x<0时,f ′(x)<0,故x=0不是函数的极值点.
√
3. (多选)如图是函数y=f (x)的导函数的图象,对于下列四个判断,其中正确的是
A.f (x)在[-2,-1]上是增函数
B.当x=-1时,f (x)取得极小值
C. f (x)在(-1,2)上是增函数,在(2,4)上是减函数
D.当x=3时,f (x)取得极小值
根据图象知当x∈(-2,-1)或x∈(2,4)时,f ′(x)<0,函数单调递减;当x∈(-1,2)或x∈(4,+∞)时,f ′(x)>0,函数单调递增.故A错误;故当x=-1时,f (x)取得极小值,故B正确;C正确;当x=3时,f (x)不取得极值,故D错误.故选BC.
√
√
4.若可导函数f (x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,则
f ′(1)=_____,1是函数f (x)的________值点.
0
极大
由题意可知,当x<1时,f ′(x)>0,当x>1时,f ′(x)<0,所以f ′(1)=0,1是函数f (x)的极大值点.
5.函数y=sin x-2x在R上的单调性是________.
单调递减
因为y′=cos x-2,当x∈R时,cos x≤1,则cos x-2<0恒成立,即y′<0,所以函数y=sin x-2x在R上是单调递减的.
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题型一 利用导数求函数的极值
例1 求下列函数的极值:
[点拨] 首先对函数求导,然后求方程y′=0的根,再检查y′在方程根左、右两侧的值的符号.如果左正右负,那么函数在这个根处取得极大值;如果左负右正,那么函数在这个根处取得极小值.
解:函数f (x)的定义域为R,f ′(x)=x2-2x-3.
令f ′(x)=0,得x=3或x=-1.
当x变化时,f ′(x),f (x)的变化情况如下表:
由上表可以看出,x=-1是f (x)的极大值点,x=3是f (x)的极小值点.
所以f (x)极大值= ,f (x)极小值=-6.
x (-∞,-1) -1 (-1,3) 3 (3,+∞)
f ′(x) + 0 - 0 +
f(x) ↗ 极大值 ↘ 极小值-6 ↗
解:函数的定义域为(0,+∞).
又函数的定义域是(0,+∞),故x2=-1舍去.
当x变化时,f ′(x),f (x)的变化情况如下表:
x (0,1) 1 (1,+∞)
f ′(x) + 0 -
f (x) ↗ 极大值- ↗
规律方法
利用导数求函数极值的步骤
第一步:确定函数的定义域;
第二步:求导数f ′(x);
第三步:解方程f ′(x)=0得方程的根;
第四步:利用方程f ′(x)=0的根将定义域分成若干个小开区间,列表,判定导函数在各个小开区间的符号;
第五步:确定函数的极值,如果f ′(x)的符号在x0处由正(负)变负(正),则f (x)在x0处取得极大(小)值.
[注意] 当实数根较多时,要充分利用表格,使极值点的确定一目了然.
对点练1.(1)函数f (x)的定义域为开区间(a,b),其导函数f ′(x)在(a,b)内的图象如图所示,则函数f (x)在开区间(a,b)内极小值点的个数为
A.1
B.2
C.3
D.4
√
由图象可知,满足f ′(x)=0且导函数的函数值左负右正的只有一个,故
f (x)在(a,b)内的极小值点只有一个.故选A.
(2)在等比数列{an}中,a3,a7是函数f (x)= x3+4x2+9x-1的极值点,则
a5=
A.-4 B.-3
C.3 D.4
√
例2 如图是函数y=f (x)的导函数y=f ′(x)的图象,对此图象,有如下
结论:
①在区间(-2,1)内f (x)是增函数;
②在区间(1,3)内f (x)是减函数;
③x=2时,f (x)取到极大值;
④在x=3时,f (x)取到极小值.
其中正确的是____(将你认为正确的序号填在横线上).
[点拨] 根据函数y=f ′(x)的图象,分析并找出使f ′(x)>0与f ′(x)<0的x的取值范围,并区分f ′(x)的符号由正到负和由负到正含义,再做判断.
③
规律方法
有关给出图象研究函数性质的题目,要分清给的是f (x)的图象还是
f ′(x)的图象,若给的是f (x)的图象,应先找出f (x)的单调区间及极值点,如果给的是f ′(x)的图象,应先找出f ′(x)的正负区间及由正变负还是由负变正,然后结合题目特点分析求解.
对点练2.已知函数y=xf ′(x)的图象如图所示(其中f ′(x)是函数f (x)的导函数),给出以下说法:①函数f (x)在区间(1,+∞)内是增函数;②函数f (x)在x=-1处取得极大值;③函数f (x)在x=- 处取得极大值;④函数f (x)在x=1处取得极小值,其中正确的说法有________.(填所有正确的序号)
①②④
从图象上可以发现,当x∈(1,+∞)时,xf ′(x)>0,于是
f′(x)>0,故f (x)在区间(1,+∞)内是增函数,故①正确;
当x∈(-∞,-1)时,xf ′(x)<0,所以f ′(x)>0,当x∈(-1,
0)时,xf ′(x)>0,所以f ′(x)<0,故函数f (x)在x=-1处取得
极大值,故②正确;当x∈(-1,0)时,f ′(x)<0,所以函数f (x)在区间
(-1,0)内是减函数,故③不正确;当x∈(0,1)时,xf ′(x)<0,于是
f ′(x)<0,故f (x)在区间(0,1)内是减函数,而在区间(1,+∞)上是增函数,所以函数f (x)在x=1处取得极小值,故④正确.
题型三 求参数的值或取值范围问题
例3 已知f (x)=ax5-bx3+c在x=±1处的极大值为4,极小值为0,试确定a,b,c的值.
[点拨] 本题的关键是理解“f (x)在x=±1处的极大值为4,极小值为0”的含义.即x=±1是方程f′(x)=0的两个根且在根x=±1处f ′(x)取值左、右
异号.
解:f ′(x)=5ax4-3bx2=x2(5ax2-3b).
由题意,f ′(x)=0应有根x=±1,故5a=3b,于是f ′(x)=5ax2(x2-1).
(1)当a>0时,x变化时,y,y′的变化情况如下表:
又5a=3b,解得a=3,b=5,c=2.
(2)当a<0时,同理可得a=-3,b=-5,c=2.
综上,a=3,b=5,c=2或a=-3,b=-5,c=2.
x (-∞,-1) -1 (-1, 0) 0 (0,1) 1 (1,+∞)
y′ + 0 - 0 - 0 +
y ↘ 极大值 ↘ 无极值 ↘ 极小值 ↗
规律方法
已知函数极值,确定函数解析式中的参数时,注意以下两点:
1.根据极值点的导数为0和极值这两个条件列方程组,利用待定系数法求解.
2.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充分性.
对点练3.(1)已知函数f (x)=2ln x+ax在x=1处取得极值,则实数a=
A.-2 B.2
C.0 D.1
√
(2)设a∈R,若函数y=ex+ax有大于零的极值点,则实数a的取值范围为__________.
(-∞,-1)
因为y=ex+ax,所以y′=ex+a,由题意知方程ex+a=0有大于零的解.因为当x>0时,-ex<-1,所以a=-ex<-1.
易错点 忽视极值存在的条件致误
已知函数f (x)=x3+6mx2+4nx+8m2在x=-2处取得极值,且极值为0,求m+4n的值.
易错分析 可导函数的极值点一定是导数为零的点.在某点导数为零仅是该点为极值点的必要条件,其充要条件是该点两侧的导数异号,这点易被忽略.
误区警示 由于“f ′(x0)=0”是“f (x0)为极值”的必要不充分条件,因此由f ′(x0)=0求得m,n的值后,要验证在x=x0左、右两侧导数值的符号是否相反,才能确定是否真正在点x0处取得极值,忽视了这一检验过程,就可能会导致错解.
易错精析
正解 f ′(x)=3x2+12mx+4n,
依题意有
当m=1,n=3时,f ′(x)=3x2+12x+12=3(x+2)2≥0,
所以f (x)在R上单调递增,无极值,不符合题意;
当m=2,n=9时,f ′(x)=3x2+24x+36=3(x+2)(x+6),当-6<x<-2时,f ′(x)<0,当x>-2时,f ′(x)>0,
故f (x)在x=-2处取得极值,符合题意.
综上所述,m=2,n=9,所以m+4n=38.
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随堂演练
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1.函数f (x)的定义域为开区间(a,b),其导函数f ′(x)在(a,b)内的图象如图所示,则函数f (x)在开区间(a,b)内的极大值点
A.1个 B.2个
C.3个 D.4个
依题意,记函数y=f ′(x)的图象与x轴的交点的横坐标自左向右依次为x1,x2,x3,x4,当a<x<x1时,f ′(x)>0;当x1<x<x2时,f ′(x)<0;当x2<x<x4时,f ′(x)≥0;当x4<x<b时,f ′(x)<0.因此,函数f (x)分别在x=x1,x=x4处取得极大值.故选B.
√
√
3.函数y=x3-2ax+a在(0,1)内有极小值,则实数a的取值范围为
A.(0,3) B.(-∞,3)
C.(0,+∞) D.
√
4.已知a为正实数,若函数f (x)=x3-3ax2+2a2的极小值为0,则a的值为____.
返回
由题意f ′(x)=3x2-6ax=3x(x-2a),因为a>0,所以x<0或x>2a时,
f ′(x)>0,0<x<2a时,f ′(x)<0,所以f (x)在(-∞,0)和(2a,+∞)上单调递增,在(0,2a)上单调递减,f (x)的极小值是f (2a)=8a3-12a3+2a2=0,解得a= (a=0舍去).
课时测评
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1.函数f (x)的定义域为R,导函数f ′(x)的图象如图所示,则函数f (x)
A.有三个极大值点,有四个极小值点
B.有三个极大值点,两个极小值点
C.有两个极大值点,两个极小值点
D.有四个极大值点,无极小值点
f ′(x)的符号由正变负,则f (x0)是极大值,f ′(x)的符号由负变正,则f (x0)是极小值.由图象易知有两个极大值点,两个极小值点.
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2.已知函数f (x)=2x3+ax2+36x-24在x=2处有极值,则该函数的一个递增区间是
A.(2,3) B.(3,+∞)
C.(2,+∞) D.(-∞,3)
√
因为f ′(x)=6x2+2ax+36,且在x=2处有极值,所以f ′(2)=0,24+4a+36=0,a=-15,所以f ′(x)=6x2-30x+36=6(x-2)(x-3),由f ′(x)>0得x<2或x>3.
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3.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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4.已知函数f (x)=x3-px2-qx的图象与x轴切于点(1,0),则f(x)的极值为
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5.(多选)已知函数f (x)=x(ln x-ax)有两个极值点x1,x2(x1<x2),则下列结论正确的是
A.f (x1)<0 B.f (x1)≥0
C.f (x2)<-1 D.f (x2)>-
由于函数f (x)=x(ln x-ax)有两个极值点,所以f ′(x)
=1-2ax+ln x=0有两个不相等的实根,即曲线y=
1+ln x与直线y=2ax有两个不同的交点,如图,
√
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6.已知函数f (x)=x3+3ax2+3(a+2)x+1既有极大值又有极小值,则实数a的取值范围为_______________________.
(-∞,-1)∪(2,+∞)
f ′(x)=3x2+6ax+3(a+2),因为函数f (x)既有极大值又有极小值,所以方程f ′(x)=0有两个不相等的实根,所以Δ=36a2-36(a+2)>0,即a2-a-2>0,解得a>2或a<-1.
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7.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的取值范围为___________.
因为f (x)= x3-4x+4,所以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)的变化情况如下表:
x (-∞,-2) -2 (-2,2) 2 (2,+∞)
f ′(x) + 0 - 0 +
f (x) ↗ 极大值 ↘ 极小值 ↗
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8.已知函数f (x)=xe-x(x∈R),当x=____时,f (x)取得极大值为___.
因为f ′(x)=e-x+xe-x·(-1)=(1-x)e-x.所以由f ′(x)=0得x=1.当x<1时,
f ′(x)>0;当x>1时,f′(x)<0.所以当x=1时,f (x)取极大值f (1)=e-1= .
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9.(10分)求下列函数的极值:
(1)f (x)=2x3+3x2-12x+1;(4分)
解:函数f (x)=2x3+3x2-12x+1的定义域为R,
f ′(x)=6x2+6x-12=6(x+2)(x-1),
令f ′(x)=0,得x1=-2,x2=1.
当x变化时,f ′(x)与f (x)的变化情况如下表:
所以当x=-2时,f (x)取极大值21;
当x=1时,f (x)取极小值-6.
x (-∞,-2) -2 (-2,1) 1 (1,+∞)
f ′(x) + 0 - 0 +
f (x) ↗ 极大值21 ↘ 极小值-6 ↗
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(2)f (x)=x2-2ln x.(6分)
解:函数f (x)=x2-2ln x的定义域为(0,+∞),
令f ′(x)=0,
得x1=1,x2=-1(舍去).
当x变化时,f ′(x)与f (x)的变化情况如下表:
x (0,1) 1 (1,+∞)
f ′(x) - 0 +
f (x) ↘ 极小值1 ↗
因此当x=1时,f (x)有极小值1,无极大值.
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10.(10分)(2024·九省适应性测试)已知函数 f (x)=ln x+x2+ax+2在点
处的切线与直线2x+3y=0垂直.
(1)求a;(4分)
解:因为f (x)=ln x+x2+ax+2,
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(2)求f (x)的单调区间和极值.(6分)
解:由a=-3,得f (x)=ln x+x2-3x+2,
f (x)有极小值f (1)=ln 1+12-3×1+2=0.
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11.(5分)(多选)已知函数f (x)=ax-ln x(a∈R),则下列说法正确的是
A.若a≤0,则函数f (x)没有极值
B.若a>0,则函数f (x)有极值
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12.(5分)已知函数f (x)=ax3+bx2+cx-17(a,b,c∈R)的导函数为f′(x),f ′(x)≤0的解集为{x|-2≤x≤3},若f (x)的极小值等于-98,则a的值是
√
由题意知f ′(x)=3ax2+2bx+C.因为f ′(x)≤0的解集为{x|-2≤x≤3},所以a>0,且-2+3=- ,-2×3= ,则3a=-2b,c=-18a,且可得f (x)的极小值为f (3)=27a+9b+3c-17=-98,解得a=2,b=-3,c=-36.故选C.
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13.(15分)函数f (x)=ln(x+a)- 存在两个不同的极值点x1,x2,求实数a的取值范围.
设g(x)=x2+x+1-a,
可知f (x)存在两个不同的极值点等价于g(x)在(-a,+∞)上存在两个不同的零点,
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14.(15分)已知x=1时,函数f (x)=ax3+bx有极值-2.
(1)求实数a,b的值;(6分)
解:因为f (x)=ax3+bx,
所以f ′(x)=3ax2+B.
又因为当x=1时,f (x)的极值为-2,
解得a=1,b=-3.
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(2)若方程f (x)=k有3个实数根,求实数k的取值范围.(9分)
解:由(1)可得f (x)=x3-3x,f′(x)=3x2-3=3(x+1)·(x-1),
令f ′(x)=0,得x=±1,
当x<-1或x>1时,f ′(x)>0,f (x)单调递增,当-1<x<1时,f ′(x)<0,
f (x)单调递减.
所以当x=-1时,f (x)取得极大值,f (-1)=2;当x=1时f (x)取得极小值,f (1)=-2,大致图象如图所示:
要使方程f (x)=k有3个解,只需-2<k<2.
故实数k的取值范围为(-2,2).
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谢 谢 观 看 !
第
六
章
导
数
及
其
应
用
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(1)f (x)=x3-x2-3x+3;
因为f (x)=x3+4x2+9x-1,所以由f ′(x)=x2+8x+9=0可知a3·a7=9,a3+a7=-8,所以a3<0,a7<0,a5<0,因为等比数列中a=a3·a7,所以a5=-3.故选B.
易得直线y=x与曲线y=1+ln x相切于点(1,1),可得0<2a<1,0<x1<1<x2,所以0<a<,f (x1)=x1(ln x1-ax1)<0.因为当x1<x<x2时,f′(x)>0,所以f (x2)
>f (1)=-a>-.故选AD.
结合图象知-<a<.
由题意得,函数f (x)的定义域为(0,+∞),且f ′(x)=a-=.当a≤0时,f ′(x)<0恒成立,此时f (x)单调递减,没有极值.当x→0时,f (x)→+∞,当x→+∞时,f (x)→-∞,所以f (x)有且只有一个零点;当a>0时,在上有f′(x)<0,f (x)单调递减;在上有f′(x)>0,f (x)单调递增;当x=时,f (x)取得极小值,极小值为f =1+ln A.当x→0时,ln x→-∞,f (x)→+∞,当x→+∞时,f (x)→+∞,当1+ln a=0,即a=时,f (x)有且只有一个零点;当1+ln a<0,即0<a<时,f (x)有且仅有两个零点,综上可知A、B、D正确,C错误.故选ABD.
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