内容正文:
用导数解决生活中的优化问题
某企业拟建造如图所
示的容器(不计厚度,长度
单位:米),其中容器的中间
为圆柱形,左右两端均为半球形,按照设计
要求容器的体积为64π
3
立方米.假设该容器
的建造费用仅与其表面积有关.已知圆柱形
部分每平方米建造费用为3千元,半球形部分
每平方米建造费用为4千元.设该容器的总建
造费用为y千元.
(1)将y表示成r的函数f(r),并求该函数
的定义域.
(2)讨论函数f(r)的单调性,并确定r和l
为何值时,该容器的建造费用最小,并求出
最小建造费用.
【解】 (1)因为容器的体积为64π3
立方米,
所以4πr
3
3 +πr
2l=643π
,解得l=64
3r2
-43r
,
所以圆柱的侧面积为
2πrl=2πr 643r2-
4
3r =128π3r -8πr
2
3
,
两端两个半球的表面积之和为4πr2,
所以y=f(r)= 128π3r -
8πr2
3 ×3+4πr2×4
=128πr +8πr
2,
又l=64
3r2
-43r>0⇒r<2
4
3,
所以定义域为(0,2
4
3).
(2)因为y'=-128πr2
+16πr=16π
(r3-8)
r2
,
所以令y'>0,得2<r<2
4
3;
令y'<0,得0<r<2,
当r∈(2,2
4
3)时,f(r)为增函数;
当r∈(0,2)时,f(r)为减函数,
所以当r=2,l=83
时,
该容器的建造费用最小为96π千元.
利用导数解决生活中的优化问题的四个步骤
(1)分析实际问题中各量之间的关系,建立
实际问题的数学模型,写出实际问题中变
量之间的函数关系式y=f(x).
(2)求函数的导数f'(x),解方程f'(x)=0.
(3)比较函数在区间端点和f'(x)=0处的
点的函数值的大小,最大(小)者为最大
(小)值.
(4)回归实际问题作答.
[针对训练]
5.现有一块边长为a的正方形铁片,铁片的四角
截去四个边长均为x的小正方形,然后做成一
个无盖方盒,该方盒容积的最大值是 .
第四节 导数的综合应用
第一课时 导数与不等式
导数法证明不等式
已知函数f(x)=xlnx-2x.
(1)求f(x)的单调区间、极值;
(2)若x>y>0,试确定f(x)-f(y)与
xlny-ylnx的大小关系,并给出证明.
【解】 (1)f(x)的定义域为(0,+∞),f'(x)
=lnx+1-2=lnx-1,令f'(x)=0得x=e.
将x,f'(x),f(x)变化情况列表:
x (0,e) e (e,+∞)
f'(x) - 0 +
f(x) ↘ 极小值 ↗
51
第四章 导数及其应用
可得(0,e)是f'(x)的递减区间,
(e,+∞)是f(x)的递增区间,f'(x)在x=e
处有极小值-e,无极大值.
(2)f(x)-f(y)>xlny-ylnx.证明如下:
[f(x)-f(y)]-(xlny-ylnx)
=xlnx-2x-ylny+2y-xlny+ylnx
=xlnxy+yln
x
y-2
(x-y)
=y xyln
x
y+ln
x
y-2
(x
y-1
)
.(*)
设t=xy>1
,Q(t)=tlnt+lnt-2(t-1)(t>1),
则Q'(t)=lnt+1+1t-2=lnt+
1
t-1
(>1).
设 M(t)=lnt+1t-1
(t>1),
则 M'(t)=1t-
1
t2
=t-1
t2
>0(t>1).
所以 M(t)在(1,+∞)上是递增函数.
所以 M(t)>M(1)=0,即Q'(t)>0.
所以Q(t)在(1,+∞)上是递增函数.
所以Q(t)>Q(1)=0.
又y>0,所以(*)>0,
所以f(x)-f(y)>xlny-ylnx.
利用导数证明不等式的方法
(1)构造法:证明f(x)<g(x),x∈(a,b),
可以构造函数F(x)=f(x)-g(x),如果
F'(x)<0,则F(x)在(a,b)上是减函数,
则只需F(a)≤0,由减函数的定义可知,
x∈(a,b)时,有F(x)<0,即证明了f(x)
<g(x).
(2)最值比较法:证明f(x)<g(x),x∈
(a,b)时,若构造函数F(x)=f(x)-g(x)
后,F(x)的单调性无法确定,可考虑f(x)
的最大值与g(x)的最小值,如果f(x)max
<g(x)min,可证:f(x)<g(x).
(3)适当放缩构造法:一是根据已知条件适
当放缩,二是利用常见的放缩结论;lnx<
x<ex(x>0);xx+1≤ln
(x+1)≤x(x>
-1);若x∈(0,π2
),则tanx>x>sinx;
若x∈(0,+∞),则ex≥x+1>x-1≥
lnx.
[针对训练]
1.(2025·全国一卷)(1)求函数f(x)=5cosx
-cos5x在区间 0,π4 的最大值;
(2)给定θ∈(0,π)和α∈R,证明:存在y∈
[a-θ,a+θ]使得cosy≤cosθ;
(3)设b∈R,若存在φ∈R 使得5cosx-
cos(5x+φ)≤b对x∈R恒成立,求b的最
小值.
52
名师大课堂 艺术生必备·数学
单变量不等式恒成立问题
已知函数f(x)=1+lnxx .
(1)若函数f(x)在区间 a,a+12 上存在极
值,求正实数a的取值范围;
(2)如果当x≥1时,不等式f(x)≥ kx+1
恒
成立,求实数k的取值范围.
【解】 (1)函数的定义域为(0,+∞),
f'(x)=1-1-lnxx2
=-lnx
x2
,
令f'(x)=0,得x=1.
当x∈(0,1)时,f'(x)>0,f(x)单调递增;
当x∈(1,+∞)时,f'(x)<0,f(x)单调递减.
所以x=1为函数f(x)的极大值点,且是唯
一的极值点,
所以0<a<1<a+12
,故1
2<a<1
,
即正实数a的取值范围为 12
,1 .
(2)当x≥1时,k≤
(x+1)(1+lnx)
x
恒成立,
令g(x)=
(x+1)(1+lnx)
x
(x≥1),
则g'(x)=
x(1+lnx+1+1x
)-(x+1)(1+lnx)
x2
=x-lnx
x2
.
再令h(x)=x-lnx(x≥1),
则h'(x)=1-1x≥0.
所以h(x)≥h(1)=1,所以g'(x)>0,
所以g(x)为单调增函数,
所以g(x)≥g(1)=2,
故k≤2,即实数k的取值范围是(-∞,2].
1.分离参数法解含参不等式恒成立问题的
思路
用分离参数法解含参不等式恒成立问题
是指在能够判断出参数的系数正负的情
况下,可以根据不等式的性质将参数分
离出来,得到一个一端是参数,另一端是
变量表达式的不等式,只要研究变量表
达式的最值就可以解决问题.
2.求解含参不等式恒成立问题的关键是过
好“双关”
转化
关
通过分离参数法,先转化为f(a)
≥g(x)(或f(a)≤g(x))对∀x∈
D恒成立,再转化为f(a)≥g(x)max
((或f(a)≤g(x)min)
求最
值关
求函数g(x)在区间D 上的最大值
(或最小值)问题
[针对训练]
2.(2025·石嘴山模拟)设函数f(x)=lnx+kx
,
k∈R.
(1)若曲线y=f(x)在点(e,f(e))处的切线
与直线x-2=0垂直,求f(x)的单调性和
极小值(其中e为自然对数的底数);
(2)若对任意的x1>x2>0,f(x1)-f(x2)
<x1-x2 恒成立,求k的取值范围.
53
第四章 导数及其应用
f π3 .又x∈ 0,π2 时,得f'(x)=sinx+xcosx>0,
所以f(x)在 0,π2 上是增函数.所以f π5 <f(1)<
f π3 .所以f -π3 >f(1)>f π5 ,故选A.
4.解:(1)因为f(x)在(-∞,+∞)上是增函数,所以f'(x)
=3x2-a≥0在(-∞,+∞)上恒成立,即a≤3x2 对x∈
R恒成立.因为3x2≥0,所以只需a≤0.又因为a=0时,
f'(x)=3x2≥0,f(x)=x3-1在R上是增函数,所以a≤
0,即实数a的取值范围为(-∞,0].
(2)由题意知f'(x)=3x2-a≤0在(-1,1)上恒成立,所
以a≥3x2在(-1,1)上恒成立,
因为当-1<x<1时,3x2<3,所以a≥3,所以a的取值
范围为[3,+∞).
(3)由题意知f'(x)=3x2-a,则f(x)的单调递减区间
为 - 3a3
, 3a
3 ,
又f(x)的单调递减区间为(-1,1),
所以 3a
3 =1
,解得a=3.
(4)由题意知:f'(x)=3x2-a,当a≤0时,f'(x)≥0,此
时f(x)在(-∞,+∞)上为增函数,不合题意,故a>0.
令f'(x)=0,解得x=± 3a3 .
因为f(x)在区间(-1,1)上不单调,所以f'(x)=0在
(-1,1)上有解,需0< 3a3 <1
,得0<a<3,
所以实数a的取值范围为(0,3).
第三节 导数与函数的极值、最值
基础知识必备
1.(1)极大值f(x0) (2)极小值f(x0)
2.极值 端点处的函数值f(a),f(b)
考点知能突破
针对训练
1.ABD 根 据 导 函 数 f'(x)的 图 象 可 知,f(x)在 区 间
-12
,0 上单调递减,在区 间[0,4]上 单 调 递 增,所 以
f(x)在x=0处取得极小值,没有极大值.所以选项A、B、
D正确,选项C错误.
2.答案:-4
解析:f'(x)=(x-2)'[(x-1)(x-a)]+(x-2)[(x-1)
(x-a)]'=(x-1)(x-a)+(x-2)[(x-1)(x-a)]',因
为x=2是函数f(x)的极值点,所以f'(2)=0,即(2-1)
(2-a)=0,则a=2,经检验,满足题意,所以f(x)=(x-
1)(x-2)2,所以f(0)=-4.
3.A f'(x)=2x
(2x+1)-2x2
(2x+1)2
=2x
(x+1)
(2x+1)2
,
x∈ -13
,1 ,当f'(x)=0时,x=0;
当-13≤x≤0
时,f'(x)<0;当0<x≤1时,f'(x)>0,
所以f(x)在 -13
,0 上是减函数,在(0,1]上是增函数.
所以f(x)min=f(0)=0.又f -
1
3 =13,f(1)=13.所
以f(x)的最大值与最小值的和为13.
故选A.
4.解:(1)易知f(x)的定义域为(0,+∞),当a=-1时,
f(x)=-x+lnx,f'(x)=-1+1x=
1-x
x
,令f'(x)=0,
得x=1.当0<x<1时,f'(x)>0;当x>1时,f'(x)<0.
所以f(x)在(0,1)上是增函数,在(1,+∞)上是减函数.
所以f(x)max=f(1)=-1.所以当a=-1时,函数f(x)在
(0,+∞)上的最大值为-1.
(2)f'(x)=a+1x
,x∈(0,e],1x∈
1
e
,+∞ .
①若a≥-1e
,则f'(x)≥0,从而f(x)在(0,e]上是增函
数,所以f(x)max=f(e)=ae+1≥0,不符合题意;
②若a<-1e
,令f'(x)>0得a+1x>0
,结合x∈(0,e],
解得0<x<-1a
,令f'(x)<0得a+1x<0
,结合x∈(0,
e],解得-1a<x≤e.
从而f(x)在 0,-1a 上为增函数,
在 -1a
,e 上 为 减 函 数,所 以f(x)max=f -1a =
-1+ln -1a .
令-1+ln -1a =-3,得ln -1a =-2,即a=-e2.
因为-e2<-1e
,所以a=-e2 为所求.故实数a的值为
-e2.
5.答案:227a
3
解析:容积V=(a-2x)2x,0<x<a2
,则V'=2(a-2x)
×(-2x)+(a-2x)2=(a-2x)(a-6x),由V'=0得
x=a6
或x=a2
(舍去),则x=a6
为V 在定义域内唯一的
极大值点也是最大值点,此时Vmax=
2
27a
3.
第四节 导数的综合应用
第一课时 导数与不等式
考点知能突破
针对训练
1.解:(1)解法一:第1步:求f'(x)
因为f(x)=5cosx-cos5x,
所以f'(x)=-5sinx+5sin5x.
第2步:令f'(x)=0,求出导函数的零点,讨论函数f(x)
的单调性
令f'(x)=0,得sinx=sin5x,又x∈ 0,π4 ,所以x=
5x或x=π-5x,
所以x=0或x=π6
,
所以x,f'(x),f(x)的关系如表所示:
x 0 0,π6 π6 π6,π4
f'(x) 0 大于0 0 小于0
f(x) 单调递增 极大值 单调递减
第3步:求f(x)在区间 0,π4 的最大值
因为f π6 =5cosπ6-cos5π6=3 3,
所以函数f(x)=5cosx-cos5x 在区间 0,π4 的最大
值为3 3.
—603—
解法二:第1步:求f'(x)
因为f(x)=5cosx-cos5x,所以f'(x)=-5sinx+5sin5x.
第2步:对f'(x)提取公因式,进行分析
f'(x)=5(sinxcos4x+sin4xcosx-sinx)=5sinx(cos
4x+4cos2x·cos2x-1)=5sinx·4cos2x(1-4sin2x),
易得当x∈ 0,π4 时,5sinx·4cos2x≥0,令f'(x)>0,
得x∈ 0,π6 ,
令f'(x)<0,得x∈ π6
,π
4 .
第3步:写出x,f'(x),f(x)的关系
所以x,f'(x),f(x)的关系如表所示:
x 0 0,π6 π6 π6,π4
f'(x) 0 大于0 0 小于0
f(x) 单调递增 极大值 单调递减
第4步:求f(x)在区间 0,π4 的最大值
因为f π6 =5cosπ6-cos5π6=3 3,
所以函数f(x)=5cosx-cos5x 在区间 0,π4 的最大
值为3 3.
解法三:第1步:求导并化简
由题得f'(x)=-5sinx+5sin5x=5×2cos5x+x2 sin
5x-x
2 =10sin2xcos3x.
第2步:写出x,f'(x),f(x)的关系
由x∈ 0,π4 ,得sin2x≥0,故x,f'(x),f(x)的关系如
表所示:
x 0 0,π6 π6 π6,π4
f'(x) 0 大于0 0 小于0
f(x) 单调递增 极大值 单调递减
第3步:求f(x)在区间 0,π4 的最大值
因为f π6 =5cosπ6-cos5π6=3 3,
所以函数f(x)=5cosx-cos5x 在区间 0,π4 的最大
值为3 3.
(2)解法一:第1步:根据周期性写出a的范围
因为余弦函数的周期为2π,所以不妨设a∈(0,2π].
第2步:分a≤2θ和a>2θ两种情况讨论
当a≤2θ时,a-θ≤θ,则θ∈[a-θ,a+θ),此时存在y=θ,
使得cosy=cosθ;
当a>2θ时,θ<a-θ≤2π-θ,
作出余弦函数的大致图象(如图所示),
所以cos(a-θ)≤cosθ,
只需要取y=a-θ,即可得到cosy≤cosθ.
第3步:得出结论
综上可得,给定θ∈(0,π)和a∈R,存在y∈[a-θ,a+θ]
使得cosy≤cosθ.
解法二(反证法):第1步:假设结论不正确
假设cosy>cosθ对任意y∈[a-θ,a+θ]恒成立.
第2步:根据余弦函数的图象与性质得出y的取值范围
由cosy>cosθ得2kπ-θ<y<2kπ+θ,k∈Z,这与a∈R,
任意y∈[a-θ,a+θ]矛盾,
所以假设不正确,故一定存在y∈[a-θ,a+θ]使得cosy
≤cosθ.
解法三(综合法):第1步:利用两角和与差的余弦公式探
寻关系
因为cos(a+θ)+cos(a-θ)=2cosacosθ≤2cosθ,
所以cos(a+θ)与cos(a-θ)中必有一个小于等于cosθ.
第2步:反证法证明以上结论
否则cos(a+θ)>cosθ,cos(a-θ)>cosθ,这与cos(a+θ)
+cos(a-θ)=2cosacosθ≤2cosθ矛盾.
第3步:得出结论
所以一定存在y=a-θ或y=a+θ,使得cosy≤cosθ,
所以对于给定θ∈(0,π)和a∈R,存在y∈[a-θ,a+θ]使
得cosy≤cosθ.
(3)第1步:特殊值φ=0探路
令h(x)=5cosx-cos(5x+φ),当φ=0时,因为h(x)=
h(-x),
h(x)=h(x+2π),所以h(x)为偶函数,且2π为h(x)的周
期,所以讨论h(x)在[0,2π)上的情况,由(1)可知h(x)在
0,π6 上 单 调 递 增,在 π6,5π6 上 单 调 递 减,在
5π
6
,π 上单调递增,结合对称性,及h(π)=-4,可知x∈
[0,2π)时h(x)≤3 3,所以此时b的最小值为3 3.
第2步:根据φ的任意性,将问题进行转化
要证3 3为b的最小值,对于任意的φ,只需要证明h(x)
的最大值不小于3 3,
只需要证明存在x0,使得h(x0)≥3 3.
第3步:利用(2)的结论进行求解
当|x0| ≤
π
6
时,令 y0 = 5x0 + φ,则 y0 ∈
-5π6+φ
,5π
6+φ .
由 (2)可 知,取 θ=5π6
,a =φ,可 得 存 在 y0 ∈
-5π6+φ
,5π
6+φ 使得cosy0≤cos5π6=- 32,
所以h(x0)=5cosx0-cos(5x0+φ)=5cosx0-cosy0≥
5× 32- -
3
2 =3 3,
综上可得,bmin=3 3.
2.解:(1)由条件得f'(x)=1x-
k
x2
(x>0),
因为曲线y=f(x)在点(e,f(e))处的切线与直线x-2=
0垂直,
所以f'(e)=0,即1e-
k
e2
=0,解得k=e,所以f'(x)=1x
-e
x2
=x-e
x2
(x>0).
由f'(x)<0得0<x<e;由f'(x)>0得x>e.
—703—
所以f(x)在(0,e)上单调递减,在(e,+∞)上单调递增,
当x=e时,f(x)取得极小值,且f(e)=lne+ee=2.
所以f(x)的极小值为2.
(2)由题意知对任意的x1>x2>0,f(x1)-x1<f(x2)-
x2恒成立,
设h(x)=f(x)-x=lnx+kx -x
(x>0),
则h(x)在(0,+∞)上单调递减,
所以h'(x)=1x-
k
x2
-1≤0在(0,+∞)上恒成立,
故当x>0时,k≥-x2+x=- x-12
2
+14
恒成立,
又- x-12
2
+14≤
1
4
,则k≥14
,故实数k的取值范围
是 1
4
,+∞ .
第二课时 导数与函数零点
考点知能突破
针对训练
1.解:(1)f'(x)=-1x2
+e
x
e=
x2ex-e
ex2
,
令f'(x)>0,解得x>1,令f'(x)<0,解得0<x<1,
所以f(x)在(0,1)上单调递减,
在(1,+∞)上单调递增.
(2)F'(x)=f(x)=1x+
ex
e-3
,
由(1)得∃x1,x2,满足0<x1<1<x2,
使得f(x)在(0,x1)上大于0,在(x1,x2)上小于0,在(x2,
+∞)上大于0,
即F(x)在(0,x1)上单调递增,在(x1,x2)上单调递减,在
(x2,+∞)上单调递增,
而F(1)=0,x→0时,F(x)→
-∞,x→+∞时,
F(x)→+∞,
画出 函 数 F(x)的 草 图,如 图
所示.
故F(x)在(0,+∞)上的零点
有3个.
2.解:(1)由题意知,函数f(x)的定义域为R,
又f(0)=1-a=2,得a=-1,
所以f(x)=ex-x+1,求导得f'(x)=ex-1.
易知f(x)在[-2,0]上单调递减,在(0,1]上单调递增,
所以当x=0时,f(x)在[-2,1]上取得最小值2.
(2)由(1)知f'(x)=ex+a,由于ex>0,
①当a>0时,f'(x)>0,f(x)在R上是增函数,
当x>1时,f(x)=ex+a(x-1)>0;
当x<0时,取x=-1a
,
则f -1a <1+a -1a-1 =-a<0.
所以函数f(x)存在零点,不满足题意.
②当a<0时,令f'(x)=0,得x=ln(-a).
在(-∞,ln(-a))上,f'(x)<0,f(x)单调递减,
在(ln(-a),+∞)上,f'(x)>0,f(x)单调递增,
所以当x=ln(-a)时,f(x)取最小值.
函数f(x)不存在零点,等价于f(ln(-a))=eln(-a)+
aln(-a)-a=-2a+aln(-a)>0,
解得-e2<a<0.
综上所述,实数a的取值范围是(-e2,0).
微专题(一) 导数中函数的构造问题
跟踪训练
1.答案:(-2,0)∪(2,+∞)
解析:构 造 函 数g(x)=x2f(x),其 中f(x)为 奇 函 数
且x≠0,
则g(-x)=(-x)2f(-x)=-x2f(x)=-g(x),
所以函数g(x)为奇函数,
且g(2)=0,g(-2)=-g(2)=0,
当x>0时,g'(x)=x2f'(x)+2xf(x)=x[xf'(x)+
2f(x)]>0,
所以函数g(x)在(0,+∞)上单调递增,
因为函数g(x)为奇函数,故函数g(x)在(-∞,0)上单调
递增,
故x2f(x)>0⇒g(x)>0,
当x<0时,g(x)>0=g(-2),可得-2<x<0;
当x>0时,g(x)>0=g(2),可得x>2.
综上所述,不等式x2f(x)>0的解集为(-2,0)∪(2,+∞).
2.A 令φ(x)=exf(x)-ex,x∈R,
则φ'(x)=exf(x)+exf'(x)-ex
=ex[f(x)+f'(x)-1].
又f(x)+f'(x)>1,∴f(x)+f'(x)-1>0,
∴φ'(x)>0,
∴φ(x)在定义域上是增函数,
不等式exf(x)>ex+1可化为exf(x)-ex>1,
又φ(0)=e0f(0)-e0=1,
∴原不等式等价于φ(x)>φ(0),故x>0,
∴原不等式的解集为{x|x>0}.
3.B 令g(x)=f(x)sinx,则g'(x)=f(x)cosx+f'(x)sinx,
当x∈ -π2
,0 时恒有f(x)cosx+f'(x)sinx>0,所以
g'(x)>0,则g(x)=f(x)sinx在 -π2
,0 上单调递增,
所以g -π6 >g -π4 ,则 -12f -π6 >- 22f
-π4 ,即 f (-π6 < 2f -π4 ,选 项 A 错 误;
g -π6 >g(-π3),则-12f(-π6)>- 32f(-π3),
又f(x)为奇函数,所以-f(-x)=f(x),即f (π6
)>
- 3f(- π3
),选 项 B正 确;g(- π3
)<g(- π4
),则
3f(-π3
)> 2f(-π4
),所以 3f(π3
)< 2f(π4
),选
项C错误;由 3f(-π3
)> 2f(-π4
),得- 3f(π3
)>
2f(-π4
),选项D错误.
4.(1)D (2)D (1)易知a=12e=
lne
2e
,
b=lnπ2π
,c=ln 33 =
ln3
2×3
,
令f(x)=lnx2x
(x>0),
则f'(x)=1-lnx2x2
,f'(x)<0⇒x>e,
所以f(x)在(e,+∞)上单调递减,
又因为e<3<π,
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