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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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,+∞). 15 / 15 学科网(北京)股份有限公司 $

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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)
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