5.3.2 第1课时 函数的极值-【名师导航】2026-2027学年高中数学选择性必修第二册教师用书word(人教A版)
2025-12-25
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教辅
摘要:
本讲义聚焦函数的极值核心知识点,系统梳理极值点与极值的概念,利用导数求极值的步骤(定义域、求导、求零点、列表判断符号),以及由极值求参数的方法。通过“群山截面图直观感知—问题驱动抽象定义—典例解析方法应用—分层作业拓展提升”的学习支架,构建从具体到抽象的认知脉络,辅以问题初探、探究活动和典例讲评支撑学习过程。
特色在于情境化引入与数学抽象结合,以群山截面图引导学生用数学眼光观察现实世界,从直观现象抽象出极值点两侧导数符号变化的本质。问题驱动式探究贯穿始终,如“如何描述山峰山谷附近导数特点”培养推理意识,典例中列表分析导数符号提升数学运算能力。课中助力教师引导学生从具体到抽象,课后学生可通过知识链和分层作业回顾强化,弥补知识盲点。
内容正文:
5.3.2 函数的极值与最大(小)值
第1课时 函数的极值
[学习目标] 1.了解函数的极值及相关的概念.(数学抽象) 2.能利用导数求某些函数的极值.(数学运算) 3.体会导数在求极值中的应用.(数学运算) 4.能利用导数研究与函数极值等相关的问题.(数学运算)
[教用·问题初探]——通过让学生回答问题来了解预习教材的情况
问题1.极大值、极小值的概念是什么?
问题2.函数的极大值点、极小值点是什么?
问题3.如何求函数的极值?
探究1 函数极值的概念
问题1 如图是某处群山的截面图,你能指出山峰、山谷吗?
[提示] 在x1,x3,x5处是山峰,在x2,x4处是山谷.
问题2 你能从函数与导数角度描述一下探究问题1中在各个山峰、山谷附近的特点吗?
[提示] 以山峰x=x1处为例来研究,在x=x1处,它附近的函数值都比它小,且在x=x1处的左侧函数是单调递增的,且有f′(x)>0,在x=x1处的右侧函数是单调递减的,且有f′(x)<0,函数图象是连续不断的,f′(x)的变化也是连续不断的,并且有f′(x1)=0.
[新知生成]
极值点与极值的概念
(1)极小值点与极小值
函数y=f(x)在点x=a处的函数值f(a)比它在点x=a附近其他点处的函数值都小,f′(a)=0;而且在点x=a附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0,则把a叫做函数y=f(x)的极小值点,f(a)叫做函数y=f(x)的极小值.
(2)极大值点与极大值
函数y=f(x)在点x=b处的函数值f(b)比它在点x=b附近其他点处的函数值都大,f′(b)=0;而且在点x=b附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0,则把b叫做函数y=f(x)的极大值点,f(b)叫做函数y=f(x)的极大值.
(3)极大值点、极小值点统称为极值点,极大值和极小值统称为极值.
【教用·微提醒】 1.极值点是函数单调性的转折点,因此若f(x)在(a,b)内有极值,则f(x)在(a,b)内不是单调函数.
2.极值点不是点,出现在区间的内部,端点不能是极值点.
[典例讲评] 1.函数y=f(x)的导函数的图象如图所示,给出下列判断:
①函数y=f(x)在区间(3,5)上单调递增;
②函数y=f(x)在区间上单调递减;
③函数y=f(x)在区间(-2,2)上单调递增;
④当x=-时,函数y=f(x)有极大值;
⑤当x=2时,函数y=f(x)有极大值.
则上述判断中正确的序号是________.
③⑤ [对于①,当x∈(3,4)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
当x∈(4,5)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,所以①错误;
对于②,当x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈(2,3)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,所以②错误;
对于③,当x∈(-2,2)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,所以③正确;
对于④,当x∈(-2,2)时,f′(x)>0,
f(x)单调递增,故当x=-时,f不是极大值,所以④错误;
对于⑤,由②知当x=2时,函数y=f(x)取得极大值,所以⑤正确.]
关于函数极值的概念的理解
(1)可导函数y=f(x)在点x=x0处取得极值的充要条件是f′(x0)=0,且在x=x0左侧与右侧f′(x)的符号不同.
(2)若f(x)在(a,b)内有极值,那么f(x)在(a,b)内不是单调函数,即在某区间上单调递增或单调递减的函数没有极值.
[学以致用] 1.已知函数f(x)的导函数f′(x)的图象如图所示,给出以下结论:
①函数f(x)在(-2,-1)和(1,2)内单调递增;②函数f(x)在(-2,0)内单调递增,在(0,2)内单调递减;③函数f(x)在x=-1处取得极大值,在x=1处取得极小值;④函数f(x)在x=0处取得极大值.其中正确命题的序号是________.
②④ [因为f′(x)在(-2,0)内大于0,所以函数 f(x) 在(-2,0)上单调递增,同理f(x)在(0,2)上单调递减,故①错误,②正确;函数f(x)在x=0处取得极大值,故③错误,④正确.故正确命题的序号是②④.]
探究2 求函数的极值
[典例讲评] 【链接教材P91例5】
2.求下列函数的极值.
(1)f(x)=x3-x2-3x+3;
(2)f(x)=+3ln x.
[解] (1)f′(x)=x2-2x-3,x∈R,
令f′(x)=0,得x1=3,x2=-1,当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示:
x
(-∞,
-1)
-1
(-1,3)
3
(3,
+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
单调
递增
极大值
单调
递减
极小
值-6
单调
递增
∴当x=-1时,f(x)有极大值,且f(x)极大值=,当x=3时,f(x)有极小值,且f(x)极小值=-6.
(2)函数f(x)=+3ln x的定义域为(0,+∞),
f′(x)=-=,
令f′(x)=0得x=1.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示:
x
(0,1)
1
(1,+∞)
f′(x)
-
0
+
f(x)
单调递减
极小值3
单调递增
∴当x=1时,f(x)有极小值,且f(x)极小值=3,无极大值.
【教材原题·P91例5】
例5 求函数f(x)=x3-4x+4的极值.
[解] 因为f(x)=x3-4x+4,
所以f′(x)=x2-4=(x+2)(x-2).
令f′(x)=0,解得x=-2,或x=2.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表5.3-2所示.
表5.3-2
x
(-∞,
-2)
-2
(-2,
2)
2
(2,
+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
单调
递增
单调
递减
-
单调
递增
因此,当x=-2时,f(x)有极大值,并且极大值为f(-2)=;
当x=2时,f(x)有极小值,并且极小值为
f(2)=-.
函数f(x)=x3-4x+4的图象如图5.3-12所示.
求可导函数f(x)极值的步骤
(1)定义域:求函数的定义域.
(2)求导:求函数的导数f′(x).
(3)令f′(x)=0,求出方程f′(x)=0全部的根x0,即导函数f′(x)的零点.
(4)列表:方程的根x0将整个定义域分成若干个区间,把x,f′(x),f(x)在每个区间内的变化情况列在一个表格内.
(5)结论:若导数f′(x)在x=x0附近左正右负,则函数f(x)在x=x0处取得极大值;若左负右正,则函数f(x)在x=x0处取得极小值.
[学以致用] 2.已知函数f(x)=x-a ln x(a∈R).
(1)当a=2时,求曲线y=f(x)在点A(1,f(1))处的切线方程;
(2)求函数f(x)的极值.
[解] (1)当a=2时,f(x)=x-2ln x,f′(x)=1-(x>0),
∴f(1)=1,f′(1)=-1,
∴y=f(x)在点A(1,f(1))处的切线方程为
y-1=-(x-1),即x+y-2=0.
(2)f′(x)=1-=,x>0.
①当a≤0时,f′(x)>0,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,函数f(x)无极值;
②当a>0时,由f′(x)=0,解得x=a;
∵x∈(0,a)时,f′(x)<0,x∈(a,+∞)时,f′(x)>0,
∴f(x)在x=a处取得极小值,且极小值为f(a)=a-a ln a,无极大值.
综上,当a≤0时,函数f(x)无极值;当a>0时,函数f(x)在x=a处取得极小值a-a ln a,无极大值.
探究3 由极值求参数的值或范围
[典例讲评] 3.(1)已知函数f(x)=x3+ax2+(a+6)x+1有极大值和极小值,则a的取值范围为( )
A.(-1,2)
B.(-3,6)
C.(-∞,-1)∪(2,+∞)
D.(-∞,-3)∪(6,+∞)
(2)若函数f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=1处取得极值10,则a=________,b=________.
(1)D (2)4 -11 [(1)f′(x)=3x2+2ax+a+6,
∵f(x)既有极大值又有极小值,
∴方程3x2+2ax+a+6=0有两个不相等的实数根,
那么Δ=(2a)2-4×3×(a+6)>0,
解得a>6或a<-3.
(2)f′(x)=3x2+2ax+b,
依题意得
即
解得或
但由于当a=-3,b=3时,f′(x)=3x2-6x+3=3(x-1)2≥0,
故f(x)在R上单调递增,不可能在x=1处取得极值,
所以不符合题意,应舍去.
而当a=4,b=-11时,经检验知符合题意,
故a,b的值分别为4,-11.]
已知函数的极值求参数的方法
(1)对于已知可导函数的极值求参数的问题,解题的切入点是极值存在的条件:极值点处的导数值为0,极值点两侧的导数值异号.
注意:求出参数后,一定要验证是否满足题目的条件.
(2)对于函数无极值的问题,往往转化为其导函数的值非负或非正在某区间内恒成立的问题,即转化为f′(x)≥0或f′(x)≤0在某区间内恒成立的问题,此时需注意不等式中的等号是否成立.
[学以致用] 3.已知函数f(x)=x(x-m)2在x=1处取得极大值,则m的值为( )
A.1 B.2
C.3 D.1或3
C [已知f(x)=x(x-m)2,
可得f′(x)=(x-m)(3x-m),
因为函数f(x)在x=1处取得极大值,所以f′(1)=(1-m)(3-m)=0,解得m=1或m=3.
若m=1,此时f′(x)=(x-1)·(3x-1),
当x<时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
当<x<1时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当x>1时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
所以函数f(x)在x=1处取得极小值,不符合题意.
当m=3时,经检验,满足题意,综上,m=3.故选C.]
【教用·备选题】已知函数f(x)=-a(x-ln x).
(1)当a=0时,求f(x)在(0,+∞)上的单调区间;
(2)若f(x)在(0,1)内有极值,求实数a的取值范围.
[解] (1)当a=0时,f′(x)=,
令f′(x)<0,得0<x<1,故f(x)在(0,1)上单调递减;
令f′(x)>0,得x>1,故f(x)在(1,+∞)上单调递增,
所以f(x)的单调递增区间为(1,+∞),单调递减区间为(0,1).
(2)由f(x)=-a(x-ln x),得f′(x)=,
由f(x)在(0,1)内有极值,可知f′(x)=0在(0,1)内存在变号零点,即方程ex-ax=0在(0,1)内有解,所以a=在(0,1)内有实根,
即直线y=a与g(x)=的图象在(0,1)内有交点,
由(1)得g(x)在(0,1)内单调递减.
又g(1)=e,当x→0时,g(x)→+∞,所以a>e,即a的取值范围为(e,+∞).
1.(教材P92练习T2(2)改编)函数f(x)=x3-24x的极大值点为( )
A.-2 B.32
C.2 D.-32
A [f′(x)=3x2-24,当x<-2或x>2时,f′(x)>0;
当-2<x<2时,f′(x)<0,∴f(x)=x3-24x的极大值点为-2.
故选A.]
2.(多选)(教材P92练习T1改编)定义在R上的可导函数y=f(x)的导函数的图象如图所示,以下结论正确的是( )
A.-3是f(x)的一个极小值点
B.-2和-1都是f(x)的极大值点
C.f(x)的单调递增区间是(-3,+∞)
D.f(x)的单调递减区间是(-∞,-3)
ACD [当x<-3时,f′(x)<0,当x>-3时,f′(x)≥0,∴-3是极小值点,无极大值点,单调递增区间是(-3,+∞),单调递减区间是(-∞,-3).故选ACD.]
3.函数f(x)=ax3+bx在x=1处取得极值-2,则a,b的值分别为( )
A.1,-3 B.1,3
C.-1,3 D.-1,-3
A [f′(x)=3ax2+b,
由题意知
即
解得
故选A.]
4.函数f(x)=x3+3ax2+3(a+2)x+3既有极大值又有极小值,则实数a的取值范围是________.
(-∞,-1)∪(2,+∞) [f′(x)=3x2+6ax+3(a+2),
令f′(x)=0,即x2+2ax+a+2=0,
∵函数f(x)有极大值和极小值,
∴方程x2+2ax+a+2=0有两个不相等的实数根,
即Δ=4a2-4a-8>0,
解得a>2或a<-1.]
1.知识链:
2.方法链:方程思想、分类讨论.
3.警示牌:导数值等于零不是此点为极值点的充要条件.
回顾本节知识,自主完成以下问题:
1.函数极值的求解依据与步骤是什么?
[提示] 一般地,求函数y=f(x)的极值的步骤是:
①求出函数的定义域及导数f′(x);
②解方程f′(x)=0,得方程的根x0(可能不止一个);
③用方程f′(x)=0的根,顺次将函数的定义域分成若干个开区间,可将x,f′(x),f(x)在每个区间内的变化情况列在同一个表格中;
④由f′(x)在各个开区间内的符号,判断f(x)在f′(x)=0的各个根处的极值情况:
如果左正右负,那么函数f(x)在这个根处取得极大值;
如果左负右正,那么函数f(x)在这个根处取得极小值;
如果导数值在这个根左右两侧同号,那么这个根不是极值点.
2.如果函数f(x)在[a,b]上的图象连续不断且有极值,那么它的极值点有规律吗?
[提示] 如果函数f(x)在[a,b]上有极值,那么它的极值点的分布是有规律的.相邻两个极大值点之间必有一个极小值点.同样,相邻两个极小值点之间必有一个极大值点.一般地,当函数f(x)在[a,b]上的图象连续且有有限个极值点时,函数f(x)在[a,b]内的极大值点、极小值点是交替出现的.
课时分层作业(二十) 函数的极值
一、选择题
1.函数f(x)=x3-3x2+3x的极值点的个数是( )
A.0 B.1
C.2 D.3
A [由题知f(x)的导函数f′(x)=3x2-6x+3=3(x-1)2≥0,
所以函数f(x)单调递增,无极值点.故选A.]
2.函数f(x)的定义域为(a,b),导函数f′(x)在(a,b)内的图象如图所示,则函数f(x)在(a,b)内有极小值点( )
A.1个 B.2个
C.3个 D.4个
A [结合导函数的图象可知,函数f(x)先增后减,再增,再减,
结合导数与函数单调性及极值的关系可知,函数有2个极大值点,1个极小值点.
故选A.]
3.函数f(x)=x3+ax2+3x-9,已知f(x)在x=-3处取得极值,则a=( )
A.2 B.3
C.4 D.5
D [对函数求导可得f′(x)=3x2+2ax+3,
∵f(x)在x=-3处取得极值,
∴f′(-3)=0⇒a=5,验证知,符合题意.
故选D.]
4.已知a是函数f(x)=x3-12x的极小值点,则a等于( )
A.-4 B.-2
C.4 D.2
D [∵f(x)=x3-12x,
∴f′(x)=3x2-12,
令f′(x)=0,则x1=-2,x2=2.
当x∈(-∞,-2)∪(2,+∞)时,f′(x)>0,
则f(x)单调递增;
当x∈(-2,2)时,f′(x)<0,则f(x)单调递减,
∴f(x)的极小值点为x=2,即a=2.]
5.(多选)对于函数f(x)=x3-3x2,给出的选项中正确的是( )
A.f(x)是增函数,无极值
B.f(x)是减函数,无极值
C.f(x)的单调递增区间为(-∞,0),(2,+∞),单调递减区间为(0,2)
D.f(0)=0是极大值,f(2)=-4是极小值
CD [f′(x)=3x2-6x.
令f′(x)=3x2-6x>0,得x>2或x<0;
令f′(x)=3x2-6x<0,得0<x<2,所以函数f(x)在区间(-∞,0)和(2,+∞)上单调递增,在区间(0,2)上单调递减.
当x=0和x=2时,函数分别取得极大值0和极小值-4.故选CD.]
二、填空题
6.若函数f(x)=ex(x-1),则函数f(x)的极值点为________.
0 [由f(x)=ex(x-1),得f′(x)=xex.令f′(x)=0,则x=0,
所以当x>0时,f′(x)>0,f(x)单调递增;当x<0时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
所以f(x)的极值点为0.]
7.设函数f(x)=6x3+3(a+2)x2+2ax.若f(x)的两个极值点为x1,x2,且x1x2=1,则实数a的值为________.
9 [f′(x)=18x2+6(a+2)x+2a.
由已知f′(x1)=f′(x2)=0,从而x1x2==1,
所以a=9,经验证此时Δ>0,符合题意.]
8.已知函数f(x)=x2-(a+2)x+2a ln x+1在(4,6)上存在极值点,则实数a的取值范围是________.
(4,6) [函数f(x)=x2-(a+2)x+2a ln x+1的导数为f′(x)=x-(a+2)+,
由题意可得f′(x)=0在(4,6)内有解,
即x-(a+2)+=0,亦即(x-2)(x-a)=0在(4,6)内有解,
又4<x<6,可得a∈(4,6).]
三、解答题
9.函数f(x)=x ln x-ax+1在点A(1,f(1))处的切线斜率为-2.
(1)求实数a的值;
(2)求f(x)的单调区间和极值.
[解] (1)f′(x)=ln x+1-a,∵在点A(1,f(1))处的切线斜率为k=1-a=-2,∴a=3.
(2)由(1)得,f′(x)=ln x-2,x>0,
令f′(x)>0,解得x>e2,令f′(x)<0,解得0<x<e2,∴f(x)的单调递减区间为(0,e2),单调递增区间为(e2,+∞),f(x)在x=e2处取得极小值1-e2,无极大值.
10.设函数f(x)在R上可导,其导函数为f′(x),且函数f(x)在x=-2处取得极小值,则函数y=xf′(x) 的图象可能是( )
A B
C D
C [因为f(x)在x=-2处取得极小值,
所以当x<-2时,f(x)单调递减,即f′(x)<0;
当x>-2时,f(x)单调递增,即f′(x)>0.
所以当x<-2时,y=xf′(x)>0;
当x=-2时,y=xf′(x)=0;
当-2<x<0时,y=xf′(x)<0;
当x=0时,y=xf′(x)=0;
当x>0时,y=xf′(x)>0.
结合选项中的图象知选C.]
11.若函数f(x)=ex-ax-b在R上有小于0的极值点,则实数a的取值范围是( )
A.(-1,0) B.(0,1)
C.(-∞,-1) D.(1,+∞)
B [由题意知f′(x)=ex-a.
当a≤0时,f′(x)>0恒成立,则f(x)在R上单调递增,不符合题意;
当a>0时,令f′(x)=0,解得x=ln a,
∴当x∈(-∞,ln a)时,f′(x)<0;当x∈(ln a,+∞) 时,f′(x)>0.
可知x=ln a为f(x)的极值点,∴ln a<0,∴a∈(0,1).]
12.已知函数f(x)=(x2-mx-m)ex+2m(m∈R,e是自然对数的底数)在x=0处取得极小值,则m=________,此时f(x)的极大值是________.
0 4e-2 [由题意知f′(x)=[x2+(2-m)x-2m]ex.
由f′(0)=-2m=0,解得m=0,
则f(x)=x2ex,f′(x)=(x2+2x)ex.
令f′(x)=0,解得x=0或x=-2,
故函数f(x)的单调递增区间是(-∞,-2),(0,+∞),单调递减区间是(-2,0),
所以函数f(x)在x=-2处取得极大值,且有f(-2)=4e-2.]
13.已知函数f(x)=ax3+bx2+cx(a≠0)在x=±1处取得极值,且f(1)=-1.
(1)试求常数a,b,c的值;
(2)试判断x=±1是函数的极大值点还是极小值点,并说明理由.
[解] f′(x)=3ax2 +2bx+c,x∈R.
(1)法一:∵x=±1是函数的极值点,
∴x=±1是方程3ax2+2bx+c=0的两根.
由根与系数的关系知
又f(1)=-1,∴a+b+c=-1,③
由①②③解得a=,b=0,c=-.
法二:由f′(1)=f′(-1)=0,得3a+2b+c=0,①
3a-2b+c=0,②
又f(1)=-1,∴a+b+c=-1,③
由①②③解得a=,b=0,c=-.
(2)由(1)知f(x)=x3-x,
∴f′(x)=x2-=(x-1)(x+1).
当x<-1或x>1时,f′(x)>0,
当-1<x<1时,f′(x)<0,
∴函数f(x)在(-∞,-1)和(1,+∞)上单调递增,在(-1,1)上单调递减.
∴当x=-1时,函数f(x)取得极大值,x=-1为极大值点;当x=1时,函数f(x)取得极小值,x=1为极小值点.
14.(2024·新高考Ⅱ卷)已知函数f(x)=ex-ax-a3.
(1)当a=1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)若f(x)有极小值,且极小值小于0,求a的取值范围.
[解] (1)当a=1时,f(x)=ex-x-1,f′(x)=ex-1,可得f(1)=e-2,f′(1)=e-1,
即切点坐标为(1,e-2),切线斜率k=e-1,
所以切线方程为y-(e-2)=(e-1)(x-1),
即(e-1)x-y-1=0.
(2)法一:因为f(x)的定义域为R,且f′(x)=ex-a,
若a≤0,则f′(x)>0对任意x∈R恒成立,
可知f(x)在R上单调递增,无极值,不合题意;
若a>0,令f′(x)>0,解得x>ln a;
令f′(x)<0,解得x<ln a;
可知f(x)在(-∞,ln a)上单调递减,在(ln a,+∞)上单调递增,则f(x)有极小值f(ln a)=a-a ln a-a3,无极大值,
由题意可得,f(ln a)=a-a ln a-a3<0,
即a2+ln a-1>0,
构建g(a)=a2+ln a-1,a>0,
则g′(a)=2a+>0,
可知g(a)在(0,+∞)上单调递增,且g(1)=0,
不等式a2+ln a-1>0等价于g(a)>g(1),解得a>1.
所以a的取值范围为(1,+∞).
法二:因为f(x)的定义域为R,且f′(x)=ex-a,
若f(x)有极小值,则f′(x)=ex-a有变号零点,
令f′(x)=ex-a=0,可得ex=a,
可知y=ex的图象与y=a有交点,则a>0,
若a>0,令f′(x)>0,解得x>ln a;
令f′(x)<0,解得x<ln a.
可知f(x)在(-∞,ln a)上单调递减,在(ln a,+∞)上单调递增,
则f(x)有极小值f(ln a)=a-a ln a-a3,无极大值,符合题意.
由题意可得,f(ln a)=a-a ln a-a3<0,
即a2+ln a-1>0,
构建g(a)=a2+ln a-1,a>0,
因为y=a2,y=ln a-1在(0,+∞)上均单调递增,
所以g(a)在(0,+∞)上单调递增,且g(1)=0,
则不等式a2+ln a-1>0等价于g(a)>g(1),解得a>1.
所以a的取值范围为(1,+∞).
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