内容正文:
6.1.2 导数及其几何意义
(教师独具内容)
课程标准:1.通过实例分析,经历由平均变化率过渡到瞬时变化率的过程,了解导数概念的实际背景,知道导数是关于瞬时变化率的数学表达,体会导数的内涵与思想.2.体会极限思想.3.通过函数图象直观理解导数的几何意义.
教学重点:1.导数的概念及其求法.2.导数的几何意义.3.求曲线的切线方程.
教学难点:通过函数图象理解导数的几何意义.
核心素养:1.通过学习导数的概念及其求法培养数学抽象素养和数学运算素养.2.通过学习导数的几何意义培养直观想象素养.
知识点一 导数的概念
一般地,设函数y=f(x)在x0附近有定义,自变量在x=x0处的改变量为Δx,当Δx无限接近于0时,若平均变化率=无限接近于一个常数k,那么称常数k为函数f(x)在x=x0处的瞬时变化率.此时,也称f(x)在x0处可导,并称k为f(x)在x=x0处的导数,记作f′(x0)=k.为了简单起见,“当Δx无限接近于0时,无限接近于常数k”也常用符号“→”(读作“趋向于”)表示为当Δx→0时,→k,或者写成=k,即f′(x0)=.
[注意] (1)函数在某处的导数即为函数在该处的瞬时变化率,有两层含义:
①存在,则称f(x)在x=x0处可导并且导数即为极限值;
② 不存在,则称f(x)在x=x0处不可导.
(2)令x=x0+Δx,得Δx=x-x0,于是f′(x0)= 与定义中的f′(x0)=
意义相同.
知识点二 瞬时变化率的实际意义
已知函数y=f(x)在x0附近有定义,自变量在x=x0处的改变量为Δx,且f′(x0)= ,则瞬时变化率f′(x0)的实际意义是:当自变量在x=x0处改变量的绝对值|Δx|很小时,因变量对应的改变量的近似值为f′(x0)Δx.
[说明] 瞬时速度即位移函数相对于时间的瞬时变化率.
知识点三 切线的定义
一般地,如图所示,设S是平面上的一条曲线,P0是曲线S上的一个定点,P是曲线S上P0附近的点,则称直线PP0为曲线S的割线,如果P无限接近于P0时,割线PP0无限接近于通过P0的一条直线l,则称直线l为曲线S在点P0处的切线.
知识点四 导数的几何意义
如果将函数y=f(x)的图象看成曲线(称为曲线y=f(x),下同),而且曲线在点A(x0,f(x0))处的切线为l,则|Δx|很小时,B(x0+Δx,f(x0+Δx))是A附近的一点,割线AB的斜率是=,则当Δx无限接近于0时,割线的斜率将无限趋近于切线l的斜率.
这就是说,f′(x0)就是曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处(也称在x=x0处)的切线的斜率,过切点(x0,f(x0))的切线的方程是y-f(x0)=f′(x0)(x-x0).
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)函数y=f(x)在x=x0处的导数值与Δx值的正、负无关.( )
(2)瞬时变化率是刻画某函数值在区间[x1,x2]上变化快慢的物理量.( )
(3)双曲线y=-在点处的切线的斜率大于在点处的切线的斜率.( )
答案:(1)√ (2)× (3)√
2.做一做
(1)函数在某一点的导数是( )
A.在该点的函数值的增量与自变量的增量的比
B.一个函数
C.一个常数,不是变数
D.函数在这一点到它附近一点之间的平均变化率
(2)设f(x)在定义域内的每一点处都存在导数,且满足 =-1,则曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线的斜率为________.
(3)在曲线y=x2的图象上取一点(1,1)及其附近一点(1+Δx,1+Δy),则为________,瞬时变化率为________.
(4)曲线y=2x2-x在x=2处的切线方程为________.
答案:(1)C (2)-1 (3)Δx+2 2 (4)y=7x-8
题型一 物体运动的瞬时速度
一做直线运动的物体,其位移s(单位:m)与时间t(单位:s)的关系是s(t)=3t-t2.
(1)求物体的初速度;
(2)求物体在t=2时的瞬时速度.
[解] (1)t=0时的速度为初速度.
在t=0时刻取一时间段[0,0+Δt],即[0,Δt],
∴Δs=s(Δt)-s(0)=[3Δt-(Δt)2]-(3×0-02)=3Δt-(Δt)2,
==3-Δt,
当Δt无限接近于0时,3-Δt无限接近于3.
∴物体的初速度为3 m/s.
(2)取一时间段[2,2+Δt],
∴Δs=s(2+Δt)-s(2)=[3(2+Δt)-(2+Δt)2]-(3×2-22)=-Δt-(Δt)2,==-1-Δt,
当Δt无限接近于0时,-1-Δt无限接近于-1.
∴物体在t=2时的瞬时速度为-1 m/s.
感悟提升 要计算物体的瞬时速度,只要给时间一个改变量Δt,求出相应的位移的改变量Δs,再求出平均速度=,最后计算当Δt趋向于0时,趋向于的常数,就是物体在该时刻的瞬时速度.
[跟踪训练1] 若一物体运动方程如下:(位移单位:m,时间单位:s)
s=f(t)=
求:(1)物体的初速度v0;
(2)物体在t=1时的瞬时速度.
解:(1)求物体的初速度v0,即求物体在t=0时的瞬时速度.
∵物体在t=0附近位移的平均变化率为
=
=
=3Δt-18,
当Δt无限接近于0时,3Δt-18无限接近于-18.
∴物体的初速度v0=-18 m/s.
(2)∵物体在t=1附近位移的平均变化率为
=
=
=3Δt-12,
当Δt无限接近于0时,3Δt-12无限接近于-12.
∴物体在t=1时的瞬时速度为-12 m/s.
题型二 求函数在某点处的导数
(1)设f(x)在x=x0处可导,则 =( )
A.f′(x0) B.2f′(-x0)
C.f′(x0) D.2f′(x0)
[解析] 因为f(x)在x=x0处可导,由导数的定义可得, =f′(x0),所以 = =f′(x0).故选A.
[答案] A
(2)利用导数的定义求函数f(x)=-x2+3x在x=2处的导数.
[解] 由导数的定义知,函数f(x)在x=2处的导数f′(2)= ,而f(2+Δx)-f(2)=-(2+Δx)2+3(2+Δx)-2=-(Δx)2-Δx,
于是f′(2)= = (-Δx-1)=-1.
感悟提升 由导数的定义,我们可以得到求函数y=f(x)在x=x0处的导数的方法:
(1)求函数的增量Δf=f(x0+Δx)-f(x0);
(2)求平均变化率=;
(3)取极限,得导数f′(x0)= .
[跟踪训练2] (1)若函数f(x)在x=a处的导数为m,则 =________.
答案:2m
解析:∵ =m,
∴ =m.
∴
=
= +
=m+m=2m.
(2)求函数y=x-在x=1处的导数.
解:∵Δy=(1+Δx)--
=Δx+1-=Δx+.
∴==1+,
∴ = =2.
∴f′(1)=2.
题型三 导数的实际意义
将原油精炼为汽油、柴油、塑胶等产品,需要对原油进行冷却和加热.如果第x h时,原油的温度(单位:℃)为f(x)=x2-7x+15(0≤x≤8),求函数f(x)在x=2和x=6处的导数,并解释它们的实际意义.
[解] ∵Δf=f(2+Δx)-f(2)=(Δx)2-3Δx,
∴=Δx-3,当Δx→0时,→-3,
故f′(2)=-3.
同理可得f′(6)=5.
f′(2)=-3表示在第2 h时,原油温度以3 ℃/h的速度下降;
f′(6)=5表示在第6 h时,原油温度以5 ℃/h的速度上升.
感悟提升 一般地,函数在某点处的导数即在该点处的瞬时变化率,它反映了函数在该点处的变化状态.如以时间为自变量的位移函数的导数表示某时刻物体的运动速度,即v=s′(t);以时间为自变量的速度函数的导数表示某时刻物体的加速度,即a=v′(t).
[跟踪训练3] 一只昆虫的爬行路程s(单位:米)是关于时间t(单位:分)的函数:
s(t)=
求s′(1)与s′(4),并解释它们的实际意义.
解:当0≤t<3时,s(t)=3t2,
===6+3Δt,
当Δt→0时,→6,∴s′(1)=6.
当t≥3时,s(t)=15+3(t-1)2,
=
=
=18+3Δt,
当Δt→0时,→18,∴s′(4)=18.
s′(1)=6表示在第1分钟时,该昆虫的爬行速度为6米/分;
s′(4)=18表示在第4分钟时,该昆虫的爬行速度为18米/分.
题型四 导数的几何意义
角度 求切线方程
(1)已知曲线方程f(x)=x2,求点A(2,4)处与曲线相切的直线方程.
[解] ∵A(2,4)在曲线y=f(x)上,
由f(x)=x2,
得f′(2)= =4.
∴f′(2)=4.
∴所求切线方程为y-4=4(x-2),
即4x-y-4=0.
(2)求抛物线f(x)=x2过点的切线方程.
[解] ∵×42=4≠,
∴点不在抛物线上.
设切线在抛物线上的切点为,
∵f′(x0)=
= =x0,
∴=x0,
即x-8x0+7=0,解得x0=7或x0=1,
即切点为,,
故切线方程为y-=(x-7)或y-=(x-1),
化简得14x-4y-49=0或2x-4y-1=0,
即所求的切线方程为14x-4y-49=0或2x-4y-1=0.
感悟提升
1.过曲线上一点求切线方程的一般步骤
2.求过曲线y=f(x)外一点P(x1,y1)的切线方程的步骤
[跟踪训练4] (1)曲线f(x)=x4在点(2,8)处的切线方程为( )
A.16x-y-24=0 B.16x-y+24=0
C.16x+y+24=0 D.16x+y-24=0
答案:A
解析:因为点(2,8)在曲线f(x)=x4上,由f(x)=x4,得f′(2)= = =16,所以f′(2)=16,所以所求切线方程为y-8=16(x-2),即16x-y-24=0.故选A.
(2)已知曲线y=2x2-7,求曲线过点P(3,9)的切线方程.
解:y′= =
= (4x+2Δx)=4x.
因为2×32-7=11≠9,
所以点P(3,9)不在曲线上.
设所求切线的切点为A(x0,2x-7),
则切线的斜率k=4x0.
又因为点P(3,9),A(x0,2x-7)都是切线上的点,
所以k==4x0,
解得x0=2或x0=4.
当x0=2时,k=8,切点为(2,1),
切线方程为y-1=8(x-2),即8x-y-15=0;
当x0=4时,k=16,切点为(4,25),
切线方程为y-25=16(x-4),即16x-y-39=0.
故所求的切线方程为8x-y-15=0或16x-y-39=0.
角度 导数几何意义的应用
(1)已知函数f(x)的导函数为f′(x),f1(x),f2(x),f3(x)的图象如图所示,则( )
A.f1′(a)>f2′(a)>f3′(a)
B.f1′(a)>f3′(a)>f2′(a)
C.f2′(a)>f1′(a)>f3′(a)
D.f3′(a)>f1′(a)>f2′(a)
[解析] 根据导数的几何意义,结合图象可得f1′(a)>f2′(a)>f3′(a).
[答案] A
(2)已知f(x)=x2+1,利用f(1)=2,f′(1)=2,Δx=0.04,则f(1.04)的近似值为________.
[解析] 由f(x0+Δx)≈f(x0)+f′(x0)Δx,得f(1.04)=f(1+0.04)≈f(1)+f′(1)×0.04=2+2×0.04=2.08.
[答案] 2.08
(3)已知直线l:y=4x+a与曲线C:f(x)=x3-2x2+3相切,求a的值及切点坐标.
[解] 设直线l与曲线C相切于点P(x0,y0),
∵f′(x0)=
=
=3x-4x0.
由题意可知,切线的斜率k=4,即3x-4x0=4,
解得x0=-或x0=2,
∴切点坐标为或(2,3).
当切点为时,有=4×+a,
解得a=.
当切点为(2,3)时,有3=4×2+a,
解得a=-5.
∴当a=时,切点坐标为;
当a=-5时,切点坐标为(2,3).
感悟提升 利用导数的几何意义可以用来比较导数的大小、求近似值、求参数的值等,但解题时要注意解析几何知识的应用,如直线的倾斜角与斜率的关系、平行、垂直等.
[跟踪训练5] (1)已知f(x)=2x2+x,f′(2)=9,Δx=0.05,则f(2.05)的近似值为________.
答案:10.45
解析:由题意可得,f(2)=2×22+2=10.又f′(2)=9,f(x0+Δx)≈f(x0)+f′(x0)Δx,所以f(2.05)=f(2+0.05)≈f(2)+f′(2)×0.05=10+9×0.05=10.45.
(2)在曲线y=x2上过哪一点的切线:
①平行于直线y=4x-5?
②垂直于直线2x-6y+5=0?
③倾斜角为135°?
解:设P(x0,y0)是满足条件的点,
则f′(x0)=
= =2x0.
①因为切线与直线y=4x-5平行,
所以2x0=4,x0=2,y0=4,
即P(2,4)是满足条件的点.
②因为切线与直线2x-6y+5=0垂直,
所以2x0·=-1,得x0=-,y0=,
即P是满足条件的点.
③因为切线的倾斜角为135°,
所以其斜率为-1,即2x0=-1,得x0=-,y0=,
即P是满足条件的点.
1.函数f(x)=2x2-1在x=2处的导数值为( )
A.8+4Δx B.8+2Δx
C.4 D.8
答案:D
解析:由已知,得f′(2)= = = = (2Δx+8)=8,所以f(x)=2x2-1在x=2处的导数值为8.故选D.
2.某堆雪在融化过程中,其体积V(单位:m3)与融化时间t(单位:h)近似满足函数关系:V(t)=H(H为常数),其图象如图所示.记此堆雪从融化开始到结束的平均融化速度为(m3/h),观察图象可知瞬时融化速度等于的时刻是图中的( )
A.t1 B.t2
C.t3 D.t4
答案:C
解析:如图所示,平均融化速度实际上是点A与点B连线的斜率k;瞬时融化速度的几何意义就是曲线V(t)在某时刻的切线斜率,通过对比,t3时刻曲线的切线斜率与k相等,故瞬时融化速度等于的时刻是t3.
3.(多选)下列说法正确的是( )
A.若f′(x0)不存在,则曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处就没有切线
B.若曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处有切线,则f′(x0)不一定存在
C.若f′(x0)不存在,则曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线斜率不存在
D.若曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线斜率不存在,则曲线在该点处就没有切线
答案:BC
解析:对于A,若f′(x0)不存在,则曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处可能有切线x=x0,A错误;对于B,若曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处有切线,则f′(x0)不一定存在,B正确;对于C,由导数的几何意义可知,曲线在某点处的切线的斜率为该点处的导数,若f′(x0)不存在,则曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线斜率一定不存在,C正确;对于D,若曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线斜率不存在,则曲线在该点处的切线为x=x0,D错误.故选BC.
4.人感冒服药后,血液中药物的质量浓度y是时间t的函数y=f(t)(y单位:μg/mL,t单位:min),假设函数y=f(t)在t=20时的导数f′(20)=1.2,则其实际意义是_________________
___________________________________.
答案:表示服药后20 min时,血液中药物质量浓度上升的速度为1.2 μg/(mL·min)
解析:函数在某点处的导数值反映的是函数在该点处的变化情况,在本题中反映的是血液中药物质量浓度上升或下降的速度.
5.已知曲线y=x3-x+3,则曲线在点(1,3)处的切线方程为________.
答案:2x-y+1=0
解析:因为Δy=[(1+Δx)3-(1+Δx)+3]-3=2Δx+3(Δx)2+(Δx)3,所以==2+3Δx+(Δx)2,所以曲线在点(1,3)处的切线斜率k=[2+3Δx+(Δx)2]=2,故所求切线方程为y-3=2(x-1),即2x-y+1=0.
课后课时精练
基础题(占比50%) 中档题(占比40%) 拔高题(占比10%)
题号
1
2
3
4
5
6
7
难度
★
★
★
★
★★
★
★
对点
导数的几何意义
求物体运动的瞬时速度
导数定义的应用
求函数在某点处的导数
利用导数的几何意义求参数的值
由物体在某点处的瞬时速度求参数的值
由导数的几何意义求切线的方程及参数的值
题号
8
9
10
11
12
13
14
难度
★★
★
★★
★★
★★
★★
★★★
对点
由导数的几何意义求值
利用导数的几何意义求与切线平行的直线方程
求函数在某点处的导数;导数的实际意义
求函数在某点处的导数;由函数在某点处的导数求函数在某处的近似值
由函数在某点处的切线求参数的值
求函数的平均变化率;求函数在某点处的导数;导数的实际意义
导数的几何意义与三角形面积问题的综合
一、选择题
1.函数y=f(x)在x=x0处的导数f′(x0)的几何意义是( )
A.在点x=x0处的函数值
B.在点(x0,f(x0))处的切线与x轴所夹锐角的正切值
C.曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线的斜率
D.点(x0,f(x0))与点(0,0)连线的斜率
答案:C
解析:根据导数的几何意义可知C正确.
2.一个物体的运动方程为s=1-t+t2,其中s的单位是m,t的单位是s,那么物体在3 s末的瞬时速度是( )
A.5 m/s B.6 m/s
C.7 m/s D.8 m/s
答案:A
解析:∵==5+Δt,∴= (5+Δt)=5(m/s).
3.已知函数f(x)在x0处的导数为f′(x0)=a,则 =( )
A.a B.-a
C.a D.-a
答案:C
解析: = =f′(x0)=a.
4.已知函数f(x)=则函数f(x)在x=1处的导数为( )
A.2 B.3
C.4 D.6
答案:D
解析:f(1)=4,f′(1)= = =(6+3Δx)=6.
5.(多选)已知抛物线y=x2+bx+c在点(1,2)处的切线与直线y=x-2平行,则( )
A.b=-1 B.b=1
C.c=-2 D.c=2
答案:AD
解析:∵点(1,2)在抛物线y=x2+bx+c上,∴2=1+b+c,即b+c=1 ①.∵抛物线在点(1,2)处的切线与直线y=x-2平行,∴f′(1)=1,而f′(1)= = = (Δx+2+b)=2+b,∴2+b=1 ②.由①②可得b=-1,c=2.
二、填空题
6.一物体的运动方程为s=7t2-13t+8,且在t=t0时的瞬时速度为1,则t0=________.
答案:1
解析:∵Δs=7(t0+Δt)2-13(t0+Δt)+8-7t+13t0-8=14t0·Δt-13Δt+7(Δt)2,∴ = (14t0-13+7Δt)=14t0-13=1,∴t0=1.
7.已知f(x)=x2+ax,f′(1)=4,曲线f(x)在x=1处的切线在y轴上的截距为-1,则实数a的值为________.
答案:2
解析:由导数的几何意义,得切线的斜率为k=f′(1)=4.又切线在y轴上的截距为-1,所以曲线f(x)在x=1处的切线方程为y=4x-1,从而可得切点坐标为(1,3),所以f(1)=1+a=3,即a=2.
8.如图,函数y=f(x)的图象在点P(2,y)处的切线是l,则f(2)+f′(2)=________.
答案:1
解析:由图象可得函数y=f(x)的图象在点P(2,y)处的切线l与x轴交于点(4,0),与y轴交于点(0,4),则可知l:x+y=4,∴f(2)=2,f′(2)=-1,∴f(2)+f′(2)=1.
三、解答题
9.求过点P(-1,2)且与曲线y=3x2-4x+2在点M(1,1)处的切线平行的直线的方程.
解:设f(x)=y=3x2-4x+2且曲线y=3x2-4x+2在M(1,1)处的切线的斜率为k,
则k=f′(1)=
= (3Δx+2)=2.
设过点P(-1,2)且斜率为2的直线为l,
则l的点斜式方程为y-2=2(x+1),
化为一般式为2x-y+4=0,
所以所求直线的方程为2x-y+4=0.
10.建造一栋面积为x平方米的房屋需要成本y万元,y是关于x的函数,y=f(x)=++0.3,求f′(100)的值,并解释它的实际意义.
解:根据导数的定义,得
f′(100)=
=
=
=
=
=+=0.105.
f′(100)=0.105表示当建筑面积为100平方米时,成本增加的速度为1050元/平方米,也就是说当建筑面积为100平方米时,每增加1平方米的建筑面积,成本就要增加1050元.
11.(多选)已知f(x)=,则( )
A.f(3)=9 B.f′(3)=12
C.f(3.02)≈9.18 D.f(3.05)≈9.45
答案:ACD
解析:因为f(x)=,所以f(3)=9,f′(3)= = = =9.则f(3.02)=f(3+0.02)≈f(3)+f′(3)×0.02=9+9×0.02=9.18,f(3.05)=f(3+0.05)≈f(3)+f′(3)×0.05=9+9×0.05=9.45.故选ACD.
12.设定义在(0,+∞)上的函数f(x)=ax++b(a>0).若曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y=x,则a=________,b=________.
答案:2 -1
解析:因为===,所以 ==,解得a=2或a=-(不符合题意,舍去).将a=2代入f(1)=a++b=,解得b=-1.所以a=2,b=-1.
13.某机械厂生产一种木材旋切机,已知总利润c(单位:元)与产量x(单位:台)之间的关系式为c(x)=-2x2+7000x+600.
(1)求产量由1000台提高到1500台时,总利润的平均变化率;
(2)求c′(1000)与c′(1500),并说明它们的实际意义.
解:(1)当产量由1000台提高到1500台时,
总利润的平均变化率为
==2000(元/台).
(2)设x=1000时产量的改变量为Δx1,
则c′(1000)=
=
=
= (-2Δx1+3000)
=3000,
它表示当产量为1000台时,多生产1台旋切机可多获利3000元.
设x=1500时产量的改变量为Δx2,
则c′(1500)=
=
=
= (-2Δx 2+1000)
=1000,
它表示当产量为1500台时,多生产1台旋切机可多获利1000元.
14.已知直线l1为曲线y=x2+x-2在点(1,0)处的切线,l2为该曲线的另一条切线,且l1⊥l2.
(1)求直线l2的方程;
(2)求由直线l1,l2和x轴所围成的三角形的面积.
解:(1)设f(x)=y=x2+x-2,
f′(1)
=
=3,
所以l1的方程为y=3(x-1),即y=3x-3.
设曲线y=x 2+x-2在点B(b,b2+b-2)处的切线为l2,
f′(b)=
=2b+1,
所以l2的方程为y-(b2+b-2)=(2b+1)(x-b),
即y=(2b+1)x-b 2-2.
因为l1⊥l2,所以3×(2b+1)=-1,
所以b=-,
所以l2的方程为y=-x-.
(2)由得
即l1与l2的交点坐标为,l1,l2与x轴的交点坐标分别为(1,0),,
所以所求三角形的面积
S=××=.
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