内容正文:
6.2 利用导数研究函数的性质
6.2.1 导数与函数的单调性
知识
目标
1.理解导数与函数的单调性的关系. 2.掌握利用导数判断函数单调性的方法. 3.会用导数求函数的单调区间. 4.会根据函数的单调性求参数的值或范围.
素养
目标
通过利用导数判断函数单调性的学习,提升数学抽象素养;借助判断函数单调性及求函数的单调区间,提升逻辑推理、数学运算素养.
如果函数f(x)在区间(a,b)上是增函数,那么对任意的x1,x2∈(a,b),当x1<x2时,f(x1)<f(x2),即x1-x2与f(x1)-f(x2)同号,从而有>0,即>0.这表明,函数的平均变化率与其单调性密切相关.
问题.进一步猜想,函数的瞬时变化率(即导数)与其单调性是否也密切相关?有怎样的关系?
提示:函数的瞬时变化率(即导数)与其单调性密切相关.其关系为:如果在区间(a,b)内,f′(x)>0,则f(x)在(a,b)上是增函数;如果在区间(a,b)内,f′(x)<0,则f(x)在(a,b)上是减函数.
知识点一 函数的单调性与其导数正负的关系
定义在区间(a,b)内的函数y=f(x):
f ′(x)的正负
f(x)的单调性
f ′(x)>0
单调递增
f ′(x)<0
单调递减
[微提醒] (1)如果在某个区间内恒有f ′(x)=0,那么函数f(x)是常数函数.
(2)若在某区间上有有限个点使f ′(x)=0,其余的点恒有f ′(x)>0,则f(x)仍为增函数(减函数的情形完全类似).
(3)f(x)为增函数的充要条件是对任意的x∈(a,b)都有f ′(x)≥0,且在(a,b)内的任一非空子区间上f ′(x)不恒为0.
(4)若函数f(x)在定义域上都有f ′(x)<0,则函数f(x)在定义域上不一定单调递减,如函数y=的导函数y′=-<0恒成立,但是函数y=的图象不是恒下降的.
知识点二 函数图象的变化趋势与导数值大小的关系
一般地,设函数y=f(x),在区间(a,b)上:
导数的绝对值
函数值变化
函数的图象
越大
快
比较“陡峭”(向上或向下)
越小
慢
比较“平缓”(向上或向下)
[微提醒] 常见的对应情况如下表:
图象
f′(x)
变化规律
f′(x)>0
且越来
越大
f′(x)>0
且越来
越小
f′(x)<0
且越来
越小
f′(x)<0
且越来
越大
函数
值变化
规律
函数值
增加得
越来越快
函数值
增加得
越来越慢
函数值
减小得
越来越快
函数值
减小得
越来越慢
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1.函数f(x)=2x-sin x在(-∞,+∞)上是( )
A.增函数 B.减函数
C.先增后减 D.不确定
答案:A
解析:因为f(x)=2x-sin x,所以f ′(x)=2-cos x>0在(-∞,+∞)上恒成立,所以f(x)在(-∞,+∞)上是增函数.故选A.
2.函数y=f(x)的图象如图所示,则导函数y=f ′(x)的图象可能是( )
答案:D
解析:因为函数f(x)在(0,+∞),(-∞,0)上都是减函数,所以当x>0时,f ′(x)<0,当x<0时,f ′(x)<0.
3.(多选)函数y=f(x)的图象如图所示,给出以下说法,正确的是( )
A.函数y=f(x)的定义域是[-1,5]
B.函数y=f(x)的值域是(-∞,0]∪[2,4]
C.函数y=f(x)在定义域内是增函数
D.函数y=f(x)在定义域内的导数f′(x)>0
答案:AB
解析:由图象可知,函数的定义域为[-1,5],值域为(-∞,0]∪[2,4],故A、B正确.故选AB.
4.函数f(x)=ex-x的单调递增区间为________.
答案:(0,+∞)
解析:因为f(x)=ex-x,所以f′(x)=ex-1.由f′(x)>0得,ex-1>0,即x>0.所以f(x)的单调递增区间为(0,+∞).
5.函数f(x)=ax3-x2+x-5在R上单调递增,则实数a的取值范围为________.
答案:
解析:f′(x)=3ax2-2x+1.由题意知3ax2-2x+1≥0在(-∞,+∞)上恒成立,当a=0时,-2x+1≥0在(-∞,+∞)上不恒成立,所以y=3ax2-2x+1为一元二次函数,所以解得a≥.
题型一 利用导数研究函数的单调性
例1 (1)已知f ′(x)是f(x)的导函数,若f ′(x)的图象如图所示,则f(x)的图象可能是( )
(2)证明:函数f(x)=在区间(0,2)上是单调递增函数.
[点拨] (1)导函数值的正负决定原函数的增减趋势;(2)证明f ′(x)>0在区间(0,2)上恒成立即可.
答案:(1)C
解析:(1)由导函数的图象可知,当x<0时,f ′(x)>0,即函数f(x)为增函数;当0<x<x1时,f ′(x)<0,即函数f(x)为减函数;当x>x1时,f ′(x)>0,即函数f(x)为增函数,观察选项易知C正确.
(2)证明:因为f(x)=,所以f ′(x)=,
令f ′(x)>0可知ln x<1,即0<x<e.
故函数f(x)=的单调增区间为(0,e),又(0,2)⊆(0,e),
所以函数f(x)=在(0,2)上为单调递增函数.
1.函数的图象与函数的导数关系的判断方法
(1)对于原函数,要判断其图象在哪个区间内单调递增,在哪个区间内单调递减.
(2)对于导函数,则判断其函数值在哪个区间内大于零,在哪个区间内小于零,并判断这些区间与原函数的单调区间是否一致.
2.利用导数证明或判断函数单调性的思路
求函数f(x)的导数f ′(x):(1)若f ′(x)>0,则y=f(x)在(a,b)上单调递增;(2)若f ′(x)<0,则y=f(x)在(a,b)上单调递减;(3)若恒有f ′(x)=0,则y=f(x)是常数函数,不具有单调性.
对点练1.函数y=f(x)在定义域(-,3)内可导,其图象如图,记y=f(x)的导函数为y=f ′(x),则不等式f ′(x)<0的解集为________________.
答案:∪(2,3)
解析:根据图象可知,函数y=f(x)在区间和区间(2,3)上单调递减,所以在区间和区间(2,3)上,y=f ′(x)<0,所以f ′(x)<0的解集为∪(2,3).
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题型二 求函数的单调区间
例2 求下列函数的单调区间:
(1)f(x)=x3-3x+1;
(2)f(x)=x+(b>0).
[点拨] 先求定义域,再求导函数,令f′(x)>0求得增区间,令f ′(x)<0求得减区间.
解:(1)函数f(x)的定义域为R,
f ′(x)=3x2-3,令f′(x)>0,则3x2-3>0.
即3(x+1)(x-1)>0,解得x>1或x<-1.
所以函数f(x)的单调递增区间为(-∞,-1)和(1,+∞),
令f ′(x)<0,则3(x+1)(x-1)<0,
解得-1<x<1.
所以函数f(x)的单调递减区间为(-1,1).
(2)函数f(x)的定义域为(-∞,0)∪(0,+∞),
f′(x)=(x+)′=1-,
令f ′(x)>0,则(x+)(x-)>0,
所以x>,或x<-.
所以函数的单调递增区间为(-∞,-)和(,+∞).
令f′(x)<0,则(x+)(x-)<0,
所以-<x<,且x≠0.
所以函数的单调递减区间为(-,0)和(0,).
1.利用导数求函数f(x)的单调区间的一般步骤
第一步:确定函数f(x)的定义域;
第二步:求导数f ′(x);
第三步:在函数f(x)的定义域内解不等式f ′(x)>0和f ′(x)<0;
第四步:根据(3)的结果确定函数f(x)的单调区间.
2.若y=f(x)在(a,b)内可导,f ′(x)≥0或f ′(x)≤0且y=f(x)在(a,b)内导数为0的点仅有有限个,则y=f(x)在(a,b)内仍是单调函数,例如:y=x3在R上f ′(x)≥0,所以y=x3在R上单调递增.
对点练2.讨论函数f(x)=(-1<x<1,b≠0)的单调性.
解:f(x)的定义域为(-1,1),函数f(x)是奇函数,
所以只需讨论函数在(0,1)上的单调性.
因为f ′(x)=-,
当0<x<1时,x2+1>0,(x2-1)2>0,
对于f ′(x)=-,
所以当b>0时,f ′(x)<0,所以函数f(x)在(0,1)上是减函数;
当b<0时,f ′(x)>0,所以函数f(x)在(0,1)上是增函数;
又函数f(x)是奇函数,而奇函数的图象关于原点对称,从而可知:当b>0时,f(x)在(-1,1)上是减函数;
当b<0时,f(x)在(-1,1)上是增函数.
题型三 已知函数的单调性,确定参数的取值范围
例3 (1)设函数f(x)=x2+aln(x+1)(a为常数),若函数y=f(x)在区间[1,+∞)上单调递增,则实数a的取值范围为________________.
(2)若函数f(x)=sin 2x-4x-msin x在[0,2π]上单调递减,则实数m的取值范围为________________.
[点拨] 根据函数的单调性与其导函数的正负关系进行求解.
答案:(1)[-4,+∞) (2)[-2,2]
解析:(1)由题意知f ′(x)=≥0在[1,+∞)上恒成立,即a≥-2x2-2x在区间[1,+∞)上恒成立.因为y=-2x2-2x在区间[1,+∞)上的最大值为-4,所以a≥-4.经检验,当a=-4时,f′(x)==≥0,x∈[1,+∞).故实数a的取值范围是[-4,+∞).
(2)易知f ′(x)=2cos 2x-4-mcos x=2(2cos2x-1)-4-mcos x=4cos2x-mcos x-6≤0在[0,2π]上恒成立.令t=cos x,则t∈[-1,1],g(t)=4t2-mt-6,则g(t)≤0在[-1,1]上恒成立,由二次函数的性质得即解得-2≤m≤2.
1.利用导数法解决取值范围问题的两个基本思路
(1)将问题转化为不等式在某区间上的恒成立问题,即f ′(x)≥0(或 f ′(x)≤0)恒成立,利用分离参数或函数性质求解参数范围,注意检验参数取“=”时是否满足题意.
(2)先令f ′(x)>0(或 f ′(x)<0),根据条件求出参数的取值范围,注意检验参数取“=”时,f(x)是否满足题意.
2.恒成立问题的重要思路
(1)m≥f(x)恒成立⇒m≥f(x)max.
(2)m≤f(x)恒成立⇒m≤f(x)min.
对点练3.设函数f(x)=xekx(k≠0).
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若函数f(x)在区间(-1,1)内单调递增,求实数k的取值范围.
解:(1)f ′(x)=(1+kx)ekx,由f ′(x)=(1+kx)ekx=0,得x=-(k≠0).
若k>0,则当x∈时,f ′(x)<0,函数f(x)单调递减;当x∈时,f′(x)>0,函数f(x)单调递增.
若k<0,则当x∈时,f ′(x)>0,函数f(x)单调递增;当x∈时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减.
所以当k>0时,增区间为,减区间为;当k<0时,增区间为,减区间为.
(2)方法一 由(1)知,若k>0,则当且仅当-≤-1,即k≤1时,函数f(x)在(-1,1)内单调递增;若k<0,则当且仅当-≥1,即k≥-1时,函数f(x)在(-1,1)内单调递增.
综上可知,函数f(x)在(-1,1)内单调递增时,实数k的取值范围是[-1,0)∪(0,1].
方法二 因为f(x)在(-1,1)内单调递增,所以f ′(x)≥0在(-1,1)内恒成立.
令g(x)=kx+1,则g(x)≥0在(-1,1)内恒成立,
若k>0,则g(-1)≥0,所以-k+1≥0,所以k≤1,
所以0<k≤1.
若k<0,则g(1)≥0,所以k+1≥0,所以k≥-1,
所以-1≤k<0.
所以实数k的取值范围是[-1,0)∪(0,1].
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易错点 利用导数求函数单调区间时忽视定义域致误
设函数f(x)=ax--2ln x,且f ′(2)=0,求函数f(x)的单调区间.
[易错分析] 解答本题常常因为忽视f(x)的定义域而得到错误的单调区间.
[误区警示] 在利用导数判断函数的单调性和求函数的单调区间时,必须先考虑函数的定义域,在定义域的范围之内解决问题.
[正解] 由已知得x>0,则函数f(x)的定义域为(0,+∞).
因为f ′(x)=a+-,
所以由f ′(2)=a+-1=0,得a=.
即f ′(x)=+-=(2x2-5x+2).
令f ′(x)>0,得0<x<或x>2,
令f ′(x)<0,得<x<2,
故函数f(x)的单调递增区间为,(2,+∞),单调递减区间为.
1.(2024·天津河西区高二期末)设函数f(x)的图象如图所示,则导函数f ′(x)的图象可能为( )
答案:C
解析:因为f(x)在(-∞,1),(4,+∞)上单调递减,在(1,4)上单调递增,所以当x<1,或x>4时,f′(x)<0;当1<x<4时,f′(x)>0.故选C.
2.(多选)下列函数中,在区间上为增函数的是( )
A.y=sin 2x B.y=xex
C.y=x3-x D.y=ln x-x
答案:BC
解析:对于A,当x>1,则2x>2,则函数y=sin 2x在区间上不单调,故A错误;对于B,y′=ex>0在区间上恒成立,则函数y=xex在区间上为增函数,故B正确;对于C,y′=3x2-1>0在区间上恒成立,则y=x3-x在区间上为增函数,故C正确;对于D,y′=-1=<0在区间上恒成立,则y=ln x-x在区间上为减函数,故D错误.故选BC.
3.函数f(x)=x+2cos x,x∈(0,π)的单调递减区间是________.
答案:
解析:由f ′(x)=1-2sin x<0,得sin x>,又x∈(0,π),所以x∈.
4.若函数f (x)=x3-ax2-x+6在(0,1)内单调递减,则实数a的取值范围为________.
答案:[1,+∞)
解析:因为f ′(x)=3x2-2ax-1,由题意可知f ′(x)≤0在(0,1)内恒成立.所以即a≥1,a的取值范围为[1,+∞).
课时测评18 导数与函数的单调性
(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!)
(1-8每小题5分,共40分)
1.已知函数f(x)的导函数f ′(x)有下列信息:
①f ′(x)>0时,-1<x<2;
②f ′(x)<0时,x<-1或x>2;
③f ′(x)=0时,x=-1或x=2.
则函数f(x)的大致图象是图中的( )
答案:C
解析:根据导函数图象信息知,函数f(x)在(-1,2)上是增函数,在(-∞,-1),(2,+∞)上是减函数.故选C.
2.(多选)已知定义在R上的函数f(x),其导函数f ′(x)的大致图象如图所示,则下列叙述正确的是( )
A.f(c)>f(b)
B. f(c)>f(a)
C. f(a)>f(b)
D. f(b)>f(a)
答案:ABD
解析:由f ′(x)图象可知函数f(x)在(-∞,c)上单调递增,在(c,e)上单调递减,在(e,+∞)上单调递增,又a,b,c∈(-∞,c),且a<b<c,故f(c)>f(b)>f(a).故选ABD.
3.定义在R上的可导函数f(x),已知y=ef′(x)的图象如图所示,则y=f(x)的增区间是( )
A.(-∞,1) B.(-∞,2)
C.(0,1) D.(1,2)
答案:B
解析:由题意可知,当f ′(x)≥0时,y≥1,对应的区间是(-∞,2),故函数y=f(x)的增区间为(-∞,2).故选B.
4.已知函数f(x),g(x)对任意实数x,有f(-x)=-f(x),g(-x)=g(x),且当x>0时,有f′(x)>0,g′(x)>0,则当x<0时,有( )
A.f ′(x)>0,g′(x)>0
B.f ′(x)>0,g′(x)<0
C.f ′(x)<0,g′(x)>0
D.f ′(x)<0,g′(x)<0
答案:B
解析:由已知,得f(x)为奇函数,g(x)为偶函数.因为当x>0时,f ′(x)>0,g′(x)>0,所以f(x),g(x)在(0,+∞)上均单调递增,所以f(x)在(-∞,0)上单调递增,g(x)在(-∞,0)上单调递减,所以当x<0时,f ′(x)>0,g′(x)<0.故选B.
5.若函数f(x)=2x+在区间[0,+∞)上单调递增,则实数a的取值范围是( )
A.a≥0 B.a≥2
C.a<2 D.a≤2
答案:D
解析:根据题意,函数f(x)=2x+,其导数f ′(x)=2-,若函数f(x)=2x+在区间[0,+∞)上单调递增,则f ′(x)=2-≥0在区间[0,+∞)上恒成立,必有a≤2(x+1)2,又由x≥0,则a≤2,即实数a的取值范围是a≤2.故选D.
6.已知函数f(x)=kex-1-x+x2(k为常数),曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线与x轴平行,则f(x)的单调递增区间为________.
答案:(0,+∞)
解析:由题知,f′(x)=kex-1-1+x,因为曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线与x轴平行,所以f ′(0)=k·e-1-1=0,解得k=e,故f ′(x)=ex+x-1.令f ′(x)>0,解得x>0,故f(x)的单调递增区间为(0,+∞).
7.已知函数f(x)=2x2-ln x+1,则f(x)的单调减区间为________.
答案:
解析:因为f(x)=2x2-ln x+1(x>0),
所以f ′(x)=4x-,令f ′(x)<0,得4x-<0,解得-<x<.又x>0,所以0<x<.所以f(x)的单调减区间为.
8.已知函数f(x)=ax2-xln x,若f ′(1)=3,则a=________;若函数f(x)在单调递增,则实数a的取值范围是________.
答案:2
解析:因为f(x)=ax2-xln x,所以f ′(x)=2ax-ln x-1,因为f ′(1)=3,所以2a-ln 1-1=3,解得a=2.因为函数f(x)在单调递增,所以f ′(x)=2ax-ln x-1≥0在上恒成立,即a≥,设g(x)=,x∈,则g′(x)==-,当x∈时,g′(x)>0,g(x)单调递增;当x∈(1,+∞)时,g′(x)<0,g(x)单调递减.所以g(x)max=g(1)==.所以a≥,即实数a的取值范围是.
9.(10分)已知函数y=f(x)=x3+bx2+cx+d的图象经过点P(0,2),且在点M(-1,f(-1))处的切线方程为6x-y+7=0.
(1)求函数y=f(x)的解析式;(4分)
(2)求函数y=f(x)的单调区间.(6分)
解:(1)由y=f(x)的图象经过点P(0,2),知d=2,
所以f(x)=x3+bx2+cx+2,f′(x)=3x2+2bx+C.
由在点M(-1,f(-1))处的切线方程为6x-y+7=0,
知-6-f(-1)+7=0,即f(-1)=1,f′(-1)=6.
所以即
解得b=c=-3.
故所求的解析式是y=f(x)=x3-3x2-3x+2.
(2)f ′(x)=3x2-6x-3.
令f ′(x)>0,得x<1-或x>1+;
令f ′(x)<0,得1-<x<1+.
故f(x)=x3-3x2-3x+2的单调递增区间为(-∞,1-)和(1+,+∞),单调递减区间为(1-,1+).
10.(10分)函数f(x)=x-aln x的图象在点(1,f(1))处的切线恰好经过点(2,3).
(1)求a;(4分)
(2)已知函数g(x)=f(x)+x2-bx在其定义域内单调递增,求实数b的取值范围.(6分)
解:(1)由f(x)=x-aln x,得f′(x)=1-,
则f′(1)=1-a,
又f(1)=1,所以函数f(x)的图象在点(1,f(1))处的切线方程为y-1=(1-a)(x-1),
即y=(1-a)x+a,把点(2,3)代入切线方程,得3=2-2a+a,解得a=-1.
(2)由g(x)=f(x)+x2-bx=x+ln x+x2-bx,且函数g(x)在其定义域内单调递增,
得g′(x)=1++2x-b≥0在(0,+∞)上恒成立,所以b≤2x++1,
因为2x++1≥2+1=2+1,当且仅当x=时等号成立,
所以b≤2+1,则实数b的取值范围为(-∞,2+1].
11.(5分)(多选)已知函数f(x)=x3+ax2+4(a∈R),则下列结论正确的是( )
A.当a=0时,函数f(x)为奇函数
B.当a>0时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增
C.当a=-3时,函数f(x)在(0,2)上单调递减
D.若函数f(x)在(0,2)上单调递减,则a<-3
答案:BC
解析:f ′(x)=3x2+2ax=x(3x+2a),对于A,a=0时,f(x)=x3+4,显然不是奇函数,故A错误;对于B,a>0时,令f′(x)>0,解得x>0或x<-,故a>0时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,故B正确;对于C,a=-3时,f(x)=x3-3x2+4,f ′(x)=3x2-6x=3x(x-2),令f ′(x)<0,解得0<x<2,故f(x)在(0,2)递减,故C正确;对于D,f ′(x)=3x2+2ax=x(3x+2a),结合题意(0,2)⊆(0,-)(a<0),则-≥2,解得a≤-3,故D错误.故选BC.
12.(5分)(新定义)(多选)若函数exf(x)在f(x)的定义域上单调递增,则称函数f(x)具有M性质.下列函数中具有M性质的函数是( )
A.f(x)=2-x B.f(x)=3-x
C.f(x)=x3 D.f(x)=x2+2
答案:AD
解析:对于A,exf(x)=ex·2-x=,在R上为增函数,故A符合要求;对于B,exf(x)=ex·3-x=,在R上为减函数,故B不符合要求;对于C,exf(x)=ex·x3,故[exf(x)]′=(ex·x3)′=ex·(x3+3x2),显然函数exf(x)=ex·x3在R上不单调,故C不符合要求;对于D,exf(x)=ex·(x2+2),故[exf(x)]′=[ex·(x2+2)]′=ex·(x2+2x+2)=ex·[(x+1)2+1]>0,故函数exf(x)=ex·(x2+2)在R上为增函数,故D符合要求,故选AD.
13.(15分)已知函数f(x)=ln x-.
(1)求f(x)在(1,f(1))处的切线;(6分)
(2)比较ln与-的大小,并说明理由.(9分)
解:(1)函数f(x)的定义域为(0,+∞).
f′(x)=-=,
所以k=f′(1)=,又切点为(1,0),
所以f(x)在(1,0)处的切线方程为y=(x-1),即y=x-.
(2)ln<-.理由如下:
由(1)知f′(x)=>0在(0,+∞)上恒成立,
所以函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,
由0<<1,得f()<f(1),又f(1)=0,所以f()<0,
即ln-=ln-<0,
即ln<-.
14.(15分)已知函数f(x)=x2-2ax+ln x,a∈R.
(1)当a=1时,求f(x)在x=1处的切线方程;(6分)
(2)讨论函数f(x)的单调性.(9分)
解:(1)因为已知函数f(x)=x2-2ax+ln x,a∈R,所以f ′(x)=(2a-1)x-2a+,
当a=1时,f(x)=x2-2x+ln x,f ′(x)=x+-2,所以f ′(1)=0,又f(1)=-,
所以f(x)在x=1处的切线方程为y-=0,
即y=-.
(2)由(1)知:f ′(x)=(2a-1)x-2a+==,
所以①当a=时,f ′(x)=,此时f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减;
②当a=1时,f ′(x)=≥0,此时f(x)在(0,+∞)上单调递增;
③当a>1时,令f′(x)=0,有x=,或x=1,此时f(x)在和(1,+∞)上单调递增,
在上单调递减;
④当a∈时,f(x)在(0,1)和上单调递增,在上单调递减;
⑤当a<时,f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减;
综合①②③④⑤知:①′当a≤时,f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减;
②′当a∈时,f(x)在(0,1)和上单调递增,在x∈上单调递减;
③′当a=1时,f(x)在(0,+∞)上单调递增;
④′当a>1时,f(x)在和(1,+∞)上单调递增,在上单调递减.
学生用书↓第74页
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