内容正文:
课时冲关20 导数的综合应用
学生用书 P274
1.已知函数f(x)=xlnx(x>0).
(1)求函数f(x)的极值;
(2)若 存 在 x∈ (0,+ ∞),使 得 f(x)≤
-x2+mx-3
2
成立,求实数m 的最小值.
解:(1)由f(x)=xlnx,得f′(x)=1+lnx,定
义域为(0,+∞),
令f′(x)>0,得x>1e
;令f′(x)<0,得0<x<1e.
所 以 f (x)在 0,1e
æ
è
ç
ö
ø
÷ 上 单 调 递 减,在
1
e
,+∞æ
è
ç
ö
ø
÷上单调递增.
所以f(x)在x=1e
处取得极小值,且为f 1e
æ
è
ç
ö
ø
÷
=-1e
,无极大值.
(2)由f(x)≤-x
2+mx-3
2
,
得m≥2xlnx+x
2+3
x .
问题转化为m≥ 2xlnx+x
2+3
x
æ
è
ç
ö
ø
÷
min
.
令g(x)=2xlnx+x
2+3
x =2lnx+x+
3
x
(x>0).
则g′(x)=2x+1-
3
x2
=x
2+2x-3
x2
=
(x+3)(x-1)
x2
.
由g′(x)>0,得x>1;
由g′(x)<0,得0<x<1.
所以g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上
单调递增.
所以g(x)min=g(1)=4,则m≥4.
故m 的最小值为4.
2.(2025天津市南开中学月考)已知函数f(x)
=alnx+x.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)当a=1时,证明:xf(x)<ex.
解:(1)f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=ax+1=
x+a
x .
当a≥0时,f′(x)>0,
所以f(x)在(0,+∞)上单调递增.
当a<0时,若x∈(-a,+∞),则f′(x)>0;
若x∈(0,-a),则f′(x)<0.
所以f(x)在(-a,+∞)上单调递增,
在(0,-a)上单调递减.
综上所述,当a≥0时,f(x)在(0,+∞)上单调
递增;
当a<0时,f(x)在(-a,+∞)上单调递增,在
(0,-a)上单调递减.
(2)当a=1时,要证xf(x)<ex,
即证x2+xlnx<ex,即证1+lnxx <
ex
x2
.
令函数g(x)=1+lnxx
,
则g′(x)=1-lnxx2
.令g′(x)>0,得x∈(0,e);
令g′(x)<0,得x∈(e,+∞).
所以g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单
调递减,
所以g(x)max=g(e)=1+
1
e
,令函数h(x)=
ex
x2
,则h′(x)=e
x(x-2)
x3
.
当x∈(0,2)时,h′(x)<0;当x∈(2,+∞)时,
h′(x)>0.
所以h(x)在(0,2)上单调递减,在(2,+∞)上
单调递增,
所以h(x)min=h(2)=
e2
4.
因为e
2
4- 1+
1
e
æ
è
ç
ö
ø
÷>0,
所以h(x)min>g(x)max,
即1+lnxx <
ex
x2
,从而xf(x)<ex 得证.
3.(2025山东济南高三期末)已知函数f(x)=
-x3+ax-14
,g(x)=ex -e(e为自然对数
的底数).
(1)若曲线y=f(x)在(0,f(0))处的切线与曲
线y=g(x)在(0,g(0))处的切线互相垂直,求
实数a的值;
244
高考总复习 数学(BS)
(2)设函数h(x)=
f(x),f(x)≥g(x),
g(x),f(x)<g(x),{ 试讨论
函数h(x)零点的个数.
解:(1)f′(x)=-3x2 +a,g′(x)=ex,所 以
f′(0)=a,g′(0)=1,由题意,知a=-1.
(2)易知函数g(x)=ex-e在 R上单调递增,仅
在x=1处有一个零点,且x<1时,g(x)<0,
又f′(x)=-3x2+a,
①当a≤0时,f′(x)≤0,f(x)在 R 上单调递
减,且过点 0,-14
æ
è
ç
ö
ø
÷,f(-1)=34-a>0
,
即f(x)在x≤0 时 必 有 一 个 零 点,此 时y=
h(x)有两个零点;
②当a>0时,令f′(x)=-3x2+a=0,得两根
为x1=-
a
3<0
,x2=
a
3>0
,
则- a3
是函数f(x)的一个极小值点,a3
是函
数f(x)的一个极大值点,
而f - a3
æ
è
ç
ö
ø
÷=- - a3
æ
è
ç
ö
ø
÷
3
+a - a3
æ
è
ç
ö
ø
÷-14
=-2a3
a
3-
1
4<0.
现在讨论极大值的情况:
f a3
æ
è
ç
ö
ø
÷=- a
3
æ
è
ç
ö
ø
÷
3
+a a3-
1
4=
2a
3
a
3-
1
4
,
当f a3
æ
è
ç
ö
ø
÷<0,即a<34
时,
函数y=f(x)在(0,+∞)上恒小于零,此时y=
h(x)有两个零点;
当f a3
æ
è
ç
ö
ø
÷=0,即a=34
时,函数y=f(x)在
(0,+∞)上有一个零点x0=
a
3=
1
2
,此时y=
h(x)有三个零点;
当f a3
æ
è
ç
ö
ø
÷ >0,即a>34
时,函 数y=f(x)在
(0,+∞)上有两个零点,一个零点小于 a3
,一
个零点大于 a
3
,
若f(1)=a-54<0
,即a<54
时,y=h(x)有四
个零点;
若f(1)=a-54=0
,即a=54
时,y=h(x)有三
个零点;
若f(1)=a-54>0
,即a>54
时,y=h(x)有两
个零点.
综上所述,当a<34
或a>54
时,y=h(x)有两个
零点;当a=34
或a=54
时,y=h(x)有三个零
点;当3
4<a<
5
4
时,y=h(x)有四个零点.
4.(2025天津崇化中学期末)已知函数f(x)=
alnx
x+1+
b
x
,曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切
线方程为x+2y-3=0.
(1)求a,b的值;
(2)证明:当x>0,且x≠1时,f(x)>lnxx-1.
解:(1)f′(x)=
a x+1x -lnx
æ
è
ç
ö
ø
÷
(x+1)2
-b
x2
.由于直线
x+2y-3=0的斜率为-12
,且过点(1,1),所
以
f(1)=1,
f′(1)=-12
,{ 即
b=1,
a
2-b=-
1
2
,{
解得
a=1,
b=1.{
(2)证明:由(1)知f(x)=lnxx+1+
1
x
,所以f(x)
>lnxx-1⇔
lnx
x+1+
1
x>
lnx
x-1⇔
2lnx
1-x2
+1x>0⇔
H(x)= 2
1-x2
lnx-12 x-
1
x
æ
è
ç
ö
ø
÷[ ] >0.构造函
数h(x)=lnx-12 x-
1
x
æ
è
ç
ö
ø
÷(x>0),则h′(x)=
1
x-
1
2 1+
1
x2
æ
è
ç
ö
ø
÷=-
(x-1)2
2x2
≤0,于是h(x)在
(0,+∞)上单调递减.
当0<x<1 时,h(x)单调递减,所以h(x)>
h(1)=0,于是 H(x)= 1
1-x2
h(x)>0;当x>1
时,h(x)单调递减,所以h(x)<h(1)=0,于是
H(x)= 1
1-x2
h(x)>0.
综上所述,当x>0,且x≠1时,f(x)>lnxx-1.
344
主题二 第三章 导数及其应用
5.(2025安徽省江淮名校期末)已知函数f(x)
=ae2x+(a-2)ex-x.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)有两个零点,求a的取值范围.
解:(1)f(x)的定义域为(-∞,+∞),f′(x)=
2ae2x+(a-2)ex-1=(aex-1)(2ex+1).
(ⅰ)若a≤0,则f′(x)<0,所以f(x)在(-∞,
+∞)上单调递减.
(ⅱ)若a>0,则由f′(x)=0,得x=-lna.
当x∈(-∞,-lna)时,f′(x)<0;当x∈(-lna,
+∞)时,f′(x)>0.所以f(x)在(-∞,-lna)上
单调递减,在(-lna,+∞)上单调递增.
(2)(ⅰ)若a≤0,由(1)知,f(x)至 多 有 一 个
零点.
(ⅱ)若a>0,由(1)知,当x=-lna时,f(x)取
得最小值,最小值为f(-lna)=1-1a+lna.
①当a=1时,由于f(-lna)=0,故f(x)只有
一个零点;
②当a∈(1,+∞)时,由于1-1a+lna>0
,即
f(-lna)>0,故f(x)没有零点;
③当a∈(0,1)时,1-1a+lna<0
,即f(-lna)<0.
又f(-2)=ae-4+(a-2)e-2+2>-2e-2+2
>0,故f(x)在(-∞,-lna)有一个零点.
设正整数n0 满足n0>ln
3
a-1
æ
è
ç
ö
ø
÷,则f(n0)=
en0(aen0+a-2)-n0>en0-n0>2n0-n0>0.
由于ln 3a-1
æ
è
ç
ö
ø
÷>-lna,因此f(x)在(-lna,
+∞)有一个零点.
综上,a的取值范围为(0,1).
6.(2025江西南昌南昌二中校联考模拟预测)定
义:如果函数y=f(x)和y=g(x)的图象上分
别存在点M 和N 关于x 轴对称,则称函数y=
f(x)和y=g(x)具有C关系.
(1)判断函数f(x)=log2(8x2)和g(x)=log12x
是否具有C 关系;
(2)若函数f(x)=a x-1和g(x)=-x-1不
具有C关系,求实数a的取值范围;
(3)若函数f(x)=xex 和g(x)=msinx(m<0)
在区间(0,π)上具有C 关系,求实数m 的取值
范围.
解:(1)f(x)与g(x)是具有C 关系,理由如下:
根据定义,若f(x)与g(x)具有C 关系,则在
f(x)与g(x)的定义域的交集上存在x,使得
f(x)+g(x)=0,因为f(x)=log2(8x2),g(x)
=log12x,x>0,所以f(x)+g(x)=log2(8x
2)
+log12x=log28+log2x
2 -log2x=log2x+3,
令f(x)+g(x)=0,即log2x+3=0,解得x=
1
8
,
所以f(x)与g(x)具有C 关系.
(2)令φ(x)=f(x)+g(x),因为f(x)=
a x-1,g(x)=-x-1,所以φ(x)=a x-1-x
-1(x≥1),令t= x-1(t≥0),则x=t2+1,故y
=φ(x)=at-(t
2+1)-1=-t2+at-2,
因为f(x)与g(x)不具有C 关系,所以φ(x)在
[0,+∞)上恒为负或恒为正,又因为y=-t2+
at-2开口向下,所以y=-t2+at-2在[0,
+∞)上恒为负,即-t2+at-2<0在[0,+∞)
上恒成立,当t=0时,-t2+at-2=-2<0显
然成立;当t>0时,a<t+2t
在[0,+∞)上恒成
立,因为t+2t≥2 t
2
t=2 2
,当且仅当t=2t
,
即t= 2时,等号成立,
所以 t+2t
æ
è
ç
ö
ø
÷
min
=2 2,所以a<2 2,
综上:a<2 2,即a∈(-∞,2 2).
(3)因为f(x)=xex 和g(x)=msinx(m<0),
令h(x)=f(x)+g(x),
则h(x)=xex+msinx,
因为f(x)与g(x)在(0,π)上具有C 关系,所以
h(x)在(0,π)上存在零点,
因为h′(x)=(x+1)ex+mcosx,
当-1≤m≤0且x∈(0,π)时,因为(x+1)ex>1,
|mcosx|<|m|≤1,所以h′(x)>0,
所以h(x)在(0,π)上单调递增,则h(x)>h(0)
=0,此时h(x)在(0,π)上不存在零点,不满足
题意;
444
高考总复习 数学(BS)
当m<-1时,显然当x∈ π2
,π[ öø÷时,h′(x)>0,
当x∈ 0,π2
æ
è
ç
ö
ø
÷时,因为h′(x)在 0,π2
æ
è
ç
ö
ø
÷上单调递
增,且h′(0)=1+m<0,h′ π2
æ
è
ç
ö
ø
÷= π2+1
æ
è
ç
ö
ø
÷e
π
2 >0,
故h′(x)在 0,π2
æ
è
ç
ö
ø
÷ 上存在唯一零点,设为α,则
h′(α)=0,所以当x∈(0,α),h′(x)<0;当x∈
α,π2
æ
è
ç
ö
ø
÷,h′(x)>0;又当x∈ π2
,π[ öø÷ 时,h′(x)>0,
所以h(x)在(0,α)上单调递减,在(α,π)上单调递
增,h(x)在(0,π)上存在唯一极小值点α,因为
h(0)=0,所以h(α)<0,又因为h(π)=πeπ>0,
所以h(x)在(0,π)上存在唯一零点β,所以函数
f(x)与g(x)在(0,π)上具有C 关系,综上:m<
-1,即m∈(-∞,-1).
7.已知函数f(x)=xlnx-(a+1)x+1,a∈R.
(1)求函数f(x)的单调区间和极值;
(2)若方程(2a-1)f
(x)
x +a+1
æ
è
ç
ö
ø
÷+1x+x+2
=0有三个解,求实数a的取值范围.
解:(1)函数的定义域(0,+∞),f′(x)=lnx-a,
当x>ea 时,f′(x)>0,函数单调递增,当0<x
<ea 时,f′(x)<0,函数单调递减,
故当x=ea 时,函数取得极小值f(ea)=1-ea,
没有极大值.
(2)由(2a-1)f
(x)
x +a+1
æ
è
ç
ö
ø
÷ +1x+x+2=0
整理可得(1-2a)(xlnx+1)=(x+1)2,
令y=xlnx+1,则 y′=lnx+1=0,可 得
x=1e
,
易得当x>1e
时,函数单调递增,当x<1e
时,函
数单调递减,
故x=1e
时,函数取得最小值1-1e>0
,
即y=xlnx+1>0,
故原方程可转化为1-2a=
(x+1)2
xlnx+1
,
令g(x)=
(x+1)2
xlnx+1
,
则g′(x)=
(x+1)(lnx-1)(x-1)
(xlnx+1)2
,
因为x>0,易得当x>e或0<x<1时,g′(x)
>0,函数单调递增,当1<x<e时,g′(x)<0,
函数单调递减,
故当x=1时,函数取得极大值g(1)=4,当x=
e时,函数取得极小值g(e)=e+1,
由题意可得,y=1-2a与g(x)有3个交点,
则e+1<1-2a<4,
解得-32<a<-
e
2
,
故实数a的取值范围 -32
,-e2
æ
è
ç
ö
ø
÷.
8.已知函数f(x)=ex-ax和g(x)=ax-lnx有
相同的最小值.
(1)求a;
(2)证明:存在直线y=b,其与两条曲线y=
f(x)和y=g(x)共有三个不同的交点,并且从
左到右的三个交点的横坐标成等差数列.
解:(1)f′(x)=ex-a,g′(x)=a-1x
,
①a≤0时,f′(x)>0恒成立,所以f(x)在R上单
调递增,即f(x)没有最小值,该类情况应舍去.
②a>0时,f′(x)在(-∞,lna)上小于0,
在(lna,+∞)上大于0,
所以f(x)在(-∞,lna)上单调递减,在(lna,
+∞)上单调递增,
所以f(x)在x=lna处有最小值为
f(lna)=a-alna,
因为g′(x)在 0,1a
æ
è
ç
ö
ø
÷ 上小于0,在 1a
,+∞æ
è
ç
ö
ø
÷ 上
大于0,
所以g(x)在 0,1a
æ
è
ç
ö
ø
÷上单调递减,
在 1
a
,+∞æ
è
ç
ö
ø
÷上单调递增,
所以g(x)在x=1a
处有最小值为g 1a
æ
è
ç
ö
ø
÷=1+
lna,
因为f(x)=ex-ax和g(x)=ax-lnx有相同
的最小值,
544
主题二 第三章 导数及其应用
所以有f(lna)=a-alna=g 1a
æ
è
ç
ö
ø
÷=1+lna,
即a-alna=1+lna,
因为a>0,所以上式等价于lna-a-1a+1=0
,
令h(x)=lnx-x-1x+1
(x>0),
则h′(x)= x
2+1
x(x+1)2
>0恒成立,所以h(x)在
(0,+∞)上单调递增,
又因为h(1)=0=h(a)且a>0,所以a=1.
(2)证明:由(1)知f(x)=ex-x,g(x)=x-lnx,
且f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上
单调递增,
g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,
且f(x)min=g(x)min=1.
①当b<1时,此时f(x)min=g(x)min=1>b,显
然直线y=b与两条曲线y=f(x)和y=g(x)
没有交点,不符合题意;
②当b=1时,此时f(x)min=g(x)min=1=b,则
直线y=b与两条曲线y=f(x)和y=g(x)共
有2个交点,交点的横坐标分别为0和1;
③当b>1时,首先证明直线y=b与曲线y=
f(x)有2个交点;
即证 明 F(x)=f(x)-b 有 2 个 零 点,因 为
F′(x)=f′(x)=ex-1,
所以F(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)
上单调递增,
又因为F(-b)=e-b>0,F(0)=1-b<0,F(b)
=eb-2b>0,
(令t(b)=eb-2b,b>1,则t′(b)=eb-2>0,
t(b)>t(1)=e-2>0,所以F(b)>0.)
所以F(x)=f(x)-b在(-∞,0)上存在且只
存在1个零点,设为x1,在(0,+∞)上存在且只
存在1个零点,设为x2.
其次证明直线y=b与曲线y=g(x)有2个交点,
即证 明 G(x)=g(x)-b 有 2 个 零 点,因 为
G′(x)=g′(x)=1-1x
,
所以G(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上
单调递增,
又因为 G(e-b)=e-b >0,G(1)=1-b<0,
G(2b)=b-ln2b>0,
(令μ(b)=b-ln2b,则μ′(b)=1-
1
b>0
,
μ(b)>μ(1)=1-ln2>0,即G(2b)>0),
所以G(x)=g(x)-b在(0,1)上存在且只存在
1个零点,设为x3,在(1,+∞)上存在且只存在
1个零点,设为x4.
再次证明存在b使得x2=x3,
因为F(x2)=G(x3)=0,
所以b=ex2-x2=x3-lnx3,
若x2=x3,则ex2-x2=x2-lnx2,
即ex2-2x2+lnx2=0,
所以只需证明ex-2x+lnx=0在(0,1)上有解
即可,
即证φ(x)=e
x-2x+lnx在(0,1)上有零点,
因为φ
1
e3
æ
è
ç
ö
ø
÷=e
1
e3 -2
e3
-3<0,φ(1)=e-2>0,
所以φ(x)=e
x-2x+lnx在(0,1)上存在零点,
取一零点为x0,令x2=x3=x0 即可,此时取b=
ex0-x0,
则此时存在直线y=b与两条曲线y=f(x)和y
=g(x)共有三个不同的交点,
最后证明x1+x4=2x0,即从左到右的三个交点
的横坐标成等差数列.
因为F(x1)=F(x2)=F(x0)=0=G(x3)=G(x0)
=G(x4),
所以F(x1)=G(x0)=F(lnx0),
又因为 F(x)在(-∞,0)上单调递减,x1<0,
0<x0<1即lnx0<0,所以x1=lnx0,
同理,因为F(x0)=G(ex0)=G(x4),
又因为G(x)在(1,+∞)上单调递增,x0>0,即
ex0>1,x4>1,所以x4=ex0,
又因为ex0-2x0+lnx0=0,
所以x1+x4=ex0+lnx0=2x0,
即存在直线y=b与两条曲线y=f(x)和y=
g(x)从 左 到 右 的 三 个 交 点 的 横 坐 标 成 等 差
数列.
644
高考总复习 数学(BS)