内容正文:
第1章 导数及其应用
1.1 导数概念及其意义
1.1.3 导数的几何意义
(教师独具内容)
课程标准:通过函数图象直观理解导数的几何意义.
教学重点:1.导数的几何意义.2.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:通过学习导数的几何意义培养直观想象素养.
核心概念掌握
核心素养形成
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目录
课后课时精练
核心概念掌握
知识点一 曲线的切线
如图,设函数y=f(x)的图象是一条光滑曲线,P(x0,f(x0)),Q(x0+Δx,f(x0+Δx))是该曲线上的两点,这时直线PQ称为该曲线的一条割线.可以发现,当点Q沿该曲线无限趋近点P(即Δx→0)时,割线PQ将绕点P转动并趋于一确定的位置PT,则称该位置上的直线PT为曲线在P点的切线,或称直线PT与曲线在点P处相切,其中点P称为切点.
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f′(x0)
该曲线在点(x,f(x))
处的切线的斜率
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√
×
×
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2.做一做
(1)若曲线y=x2+ax+b在点(0,b)处的切线方程是x-y+1=0,则( )
A.a=1,b=1 B.a=-1,b=1
C.a=1,b=-1 D.a=-1,b=-1
(2)曲线y=2x2-x在x=2处的切线方程为________.
(3)若抛物线y=x2-x+c上一点P的横坐标是-2,抛物线在点P处的切线恰好过坐标原点,则c的值为____.
y=7x-8
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题型一 求切线的方程
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【感悟提升】 利用导数的几何意义求切线方程的分类
(1)当已知的点在曲线上且切于该点时,直接利用导数求切线的斜率,写出直线方程.
(2)当已知点不是切点时,设出切点,利用导数表示出切线斜率,写出切线方程,代入点的坐标,求出切点坐标,写出直线方程.
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【跟踪训练】
1.已知曲线C:f(x)=x3.
(1)求曲线C上横坐标为1的点处的切线的方程;
(2)求过点(1,1)与f(x)=x3相切的直线方程.
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题型二 导数几何意义的应用
在曲线f(x)=x2上哪一点处的切线:
(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°?
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【感悟提升】 解答此类题目时,所给的直线的倾斜角或斜率是解题的关键,由这些信息得知函数在某点处的导数,进而可求此点的横坐标.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.
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【跟踪训练】
2.已知直线l:y=4x+a和曲线C:f(x)=x3-2x2+3相切,求a的值及切点坐标.
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2.设f′(x0)=0,则曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线( )
A.不存在 B.与x轴平行或重合
C.与x轴垂直 D.与x轴相交但不垂直
解析 函数在某点处的导数为零,说明相应曲线在该点处的切线的斜率为零.
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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
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,则曲线在该点处可能有切线为x=x0,D错误.故选BC.
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5.已知曲线y=2x2-7,求曲线过点P(3,9)的切线方程.
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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.
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课后课时精练
一、选择题
1.若曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线方程为2x+y+1=0,则( )
A.f′(x0)>0 B.f′(x0)=0
C.f′(x0)<0 D.f′(x0)不存在
解析 根据导数的几何意义,f′(x0)表示曲线y=f(x)在点x0处切线的斜率,因为切线斜率k=-2<0,所以f′(x0)<0.
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3.已知曲线y=x3在点P处的切线的斜率k=3,则点P的坐标是( )
A.(1,1) B.(-1,1)
C.(1,1)或(-1,-1) D.(2,8)或(-2,-8)
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解析 由导数的几何意义可知,函数f(x)在点x0处的导数即为曲线f(x)在点P(x0,f(x0))处的切线的斜率,又由图象可知曲线f(x)在x=2,3,4处的切线的斜率逐渐减小.所以0<f′(4)<f′(3)<f′(2),故选C.
4.函数f(x)的图象如图所示,下列排序正确的是( )
A.0<f′(2)<f′(3)<f′(4)
B.0<f′(3)<f′(4)<f′(2)
C.0<f′(4)<f′(3)<f′(2)
D.0<f′(2)<f′(4)<f′(3)
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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
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二、填空题
6.设曲线y=x2+x-2在点M处的切线斜率为3,则点M的坐标为________.
(1,0)
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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)=___.
解析 由图象可得函数y=f(x)的图象在点P处的切线是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.
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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方程.
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2.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.
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知识点二 导数的几何意义
当Δx→0时,割线PQ趋近于切线PT,于是,割线PQ的斜率将趋近于切线PT的斜率,因为割线PQ的斜率为eq \f(f(x0+Δx)-f(x0),Δx),且由导数的定义可知,当Δx→0时,eq \f(f(x0+Δx)-f(x0),Δx)→f′(x0),因此,切线PT的斜率k就是函数y=f(x)在x=x0处的导数,即k=________.
当函数y=f(x)表示曲线方程时,其导数的几何意义就是___________________
__________________.
对导数几何意义的理解
(1)若函数在某点处的导数存在,则函数图象在该点处的切线斜率存在,故切线一定存在;
若函数在某点处的导数不存在,则函数图象在该点处的切线斜率不存在,但切线不一定不存在.如函数f(x)=xeq \s\up6(\f(1,3))在x=0处的导数不存在,但函数f(x)的图象在x=0处的切线存在,为y轴所在的直线.
(2)曲线的切线并不一定与曲线只有一个交点,可以有多个,甚至可以无穷多.与曲线只有一个公共点的直线也不一定是曲线的切线.
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)直线与曲线相切,则直线与已知曲线只有一个公共点.( )
(2)已知曲线y=2x2+4x在点P处的切线斜率为16,则点P的横坐标为1.( )
(3)双曲线y=-eq \f(1,x)在点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,-\f(1,2)))处的切线的斜率大于在点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3,-\f(1,3)))处的切线的斜率.( )
(1)求点A(2,4)处与曲线相切的直线方程;
(2)求过点Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(7,2),6))且与曲线相切的直线方程.
解 (1)∵A(2,4)在f(x)=x2上,由f(x)=x2,得f′(x)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(f(x+d)-f(x),d)=2x.
∴f′(2)=4.
∴切线方程为y-4=4(x-2),
即4x-y-4=0.
(2)设切点坐标为(x0,xeq \o\al(2,0)).
由(1)得f′(x)=2x,∴f′(x0)=2x0.
∴切线方程为y-xeq \o\al(2,0)=2x0(x-x0).
∵点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(7,2),6))在切线上,
∴6-xeq \o\al(2,0)=2x0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(7,2)-x0)),
即xeq \o\al(2,0)-7x0+6=0,解得x0=1或x0=6,
∴切线方程为2x-y-1=0或12x-y-36=0.
解 (1)∵f′(x)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((x+d)3-x3,d)
=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(d3+3x2d+3xd2,d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) (d2+3x2+3xd)=3x2,
∴f′(1)=3×12=3,又f(1)=13=1,
∴切线方程为y-1=3(x-1),
即3x-y-2=0.
(2)设切点为P(x0,xeq \o\al(3,0)),
由(1)知切线斜率为k=f′(x0)=3xeq \o\al(2,0),
故切线方程为y-xeq \o\al(3,0)=3xeq \o\al(2,0)(x-x0).
又点(1,1)在切线上,将其代入切线方程得1-xeq \o\al(3,0)=3xeq \o\al(2,0)(1-x0),即2xeq \o\al(3,0)-3xeq \o\al(2,0)+1=0,
解得x0=1或x0=-eq \f(1,2).
故所求的直线方程为y-1=3(x-1)或y-1=eq \f(3,4)(x-1),
即3x-y-2=0或3x-4y+1=0.
解 设P(x0,y0)是满足条件的点,
则f′(x0)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(f(x0+d)-f(x0),d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) 2,0)eq \f((x0+d)2-x,d)
=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·eq \f(1,3)=-1,得x0=-eq \f(3,2),y0=eq \f(9,4),
即Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,2),\f(9,4)))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=-eq \f(1,2),y0=eq \f(1,4),
即Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,2),\f(1,4)))是满足条件的点.
解 设直线l与曲线C相切于点P(x0,y0),
∵f′(x0)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(f(x0+d)-f(x0),d)
=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) 3,0)eq \f((x0+d)3-2(x0+d)2+3-(x-2xeq \o\al(2,0)+3),d)
=3xeq \o\al(2,0)-4x0.
由题意可知k=4,
即3xeq \o\al(2,0)-4x0=4,
解得x0=-eq \f(2,3)或x0=2,
∴切点坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2,3),\f(49,27)))或(2,3).
当切点为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2,3),\f(49,27)))时,有eq \f(49,27)=4×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2,3)))+a,
解得a=eq \f(121,27).
当切点为(2,3)时,有3=4×2+a,
解得a=-5.
∴当a=eq \f(121,27)时,切点坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2,3),\f(49,27)));
当a=-5时,切点坐标为(2,3).
1.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)=Heq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(10-\f(1,10)t))
eq \s\up12(3)(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eq \o(v,\s\up6(-))(m3/h),观察图象可知瞬时融化速度等于
eq \o(v,\s\up6(-))(m3/h)的时刻是图中的( )
A.t1
B.t2
C.t3
D.t4
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eq \o(v,\s\up6(-))(m3/h)的时刻是t3.
4.如图,直线l是曲线y=f(x)在x=4处的切线,则f′(4)=( )
A.eq \f(1,2)
B.3
C.4
D.5
解析 根据导数的几何意义知f′(4)是曲线y=f(x)在x=4处的切线的斜率k,注意到k=eq \f(5-3,4-0)=eq \f(1,2),所以f′(4)=eq \f(1,2).
解 y′=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(2(x+d)2-7-(2x2-7),d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) (4x+2d)=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(x0,2xeq \o\al(2,0)-7),
则切线的斜率k=4x0.
又因为点P(3,9),A(x0,2xeq \o\al(2,0)-7)都是切线上的点,
所以k=2,0)eq \f(2x-7-9,x0-3)
=4x0,
2.已知曲线f(x)=eq \f(1,2)x2-2上一点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,-\f(3,2))),则曲线在点P处的切线的倾斜角为( )
A.30°
B.45°
C.135°
D.165°
解析 因为f(x)=eq \f(1,2)x2-2,所以f′(x)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(f(x+d)-f(x),d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,2)d))=x,所以曲线在点P处的切线的斜率为1,所以曲线在点P处的切线的倾斜角为45°.
解析 因为y=x3,所以y′=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((x+d)3-x3,d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) (3x2+3xd+d2)=3x2.由题意,知切线斜率k=3,令3x2=3,得x=1或x=-1.当x=1时,y=1;当x=-1时,y=-1.故点P的坐标是(1,1)或(-1,-1).
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)=
eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(f(1+d)-f(1),d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((1+d)2+b(1+d)+c-(1+b+c),d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) (d+2+b)=2+b.∴2+b=1 ②.由①②可得b=-1,c=2.
解析 设点M(x0,y0),得k=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) 2,0)eq \f((x0+d)2+(x0+d)-2-(x+x0-2),d)
=2x0+1,令2x0+1=3,得x0=1,则y0=0.
7.设点P是曲线f(x)=x3-eq \r(3)x+eq \f(2,3)上的任意一点,点P处切线的倾斜角为α,
则α的取值范围为____________________.
eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))∪eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3),π))
解析 设P(x0,y0),∵f′(x)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((x+d)3-\r(3)(x+d)+\f(2,3)-x3+\r(3)x-\f(2,3),d)
=3x2-eq \r(3),∴切线的斜率k=3xeq \o\al(2,0)-eq \r(3),∴tanα=3xeq \o\al(2,0)-eq \r(3)≥-eq \r(3),又0≤α<π,∴α∈eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))∪eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3),π)).
解 设曲线y=3x2-4x+2在M(1,1)处的切线的斜率为k,令y=f(x)=3x2-4x+2,
则k=f′(1)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(3(1+d)2-4(1+d)+2-3+4-2,d)
=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) (3d+2)=2.
设过点P(-1,2)且斜率为2的直线为l,
则由点斜式得l的方程为y-2=2(x+1),
化为一般式为2x-y+4=0,
所以所求直线方程为2x-y+4=0.
10.求曲线y=eq \f(1,x)和y=x2在它们交点处的两条切线与x轴所围成的三角形的面积.
解 联立两曲线方程得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(y=\f(1,x),,y=x2,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x=1,,y=1,))
即交点坐标为(1,1).令f(x)=eq \f(1,x),g(x)=x2.
曲线y=eq \f(1,x)在点(1,1)处的切线斜率为
f′(1)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(\f(1,1+d)-\f(1,1),d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(-1,1+d)=-1,
所以曲线y=eq \f(1,x)在点(1,1)处的切线方程为
y-1=-(x-1),即y=-x+2.
同理,曲线y=x2在点(1,1)处的切线斜率为
g′(1)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((1+d)2-12,d)
=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(2d+d2,d)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) (2+d)=2,
所以曲线y=x2在点(1,1)处的切线方程为y-1=2(x-1),
即y=2x-1.
两条切线y=-x+2和y=2x-1与x轴所围成的图形如图所示,
所以所求三角形的面积为S=eq \f(1,2)×1×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-\f(1,2)))=eq \f(3,4).
1.设定义在(0,+∞)上的函数f(x)=ax+eq \f(1,ax)+b(a>0).若曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y=eq \f(3,2)x,求a,b的值.
解 因为eq \f(f(1+d)-f(1),d)
=eq \f(a(1+d)+\f(1,a(1+d))+b-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a+\f(1,a)+b)),d)
=eq \f(a2(1+d)-1,a(1+d)),
所以eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f(a2(1+d)-1,a(1+d))=eq \f(a2-1,a)=eq \f(3,2),
解得a=2或a=-eq \f(1,2)(不符合题意,舍去).
将a=2代入f(1)=a+eq \f(1,a)+b=eq \f(3,2),
解得b=-1.
所以a=2,b=-1.
解 (1)设f(x)=y=x2+x-2,
f′(1)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((1+d)2+(1+d)-2-(12+1-2),d)=3,
所以l1的方程为y=3(x-1),即y=3x-3.
设曲线y=x2+x-2在点B(b,b2+b-2)处的切线为l2,
f′(b)=eq \o(lim,\s\do10(d→0)) eq \f((b+d)2+(b+d)-2-(b2+b-2),d)=2b+1,
所以l2的方程为y-(b2+b-2)=(2b+1)(x-b),
因为l1⊥l2,所以3×(2b+1)=-1,所以b=-eq \f(2,3),
所以l2的方程为y=-eq \f(1,3)x-eq \f(22,9).
(2)由eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(y=3x-3,,y=-\f(1,3)x-\f(22,9),))得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x=\f(1,6),,y=-\f(5,2),))
即l1与l2的交点坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,6),-\f(5,2))),l1,l2与x轴的交点坐标分别为(1,0),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(22,3),0)),
所以所求三角形的面积S=eq \f(1,2)×eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(-\f(5,2)))×eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(1+\f(22,3)))=eq \f(125,12).
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