内容正文:
第四章 导数及其应用
微专题(二) 函数的公切线问题
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函数的公切线问题,是导数的重要应用之一,利用导数的几何意义,通过双变量的处理,从而转化为零点问题,主要利用消元与转化,考查构造函数、数形结合能力,培养逻辑推理、数学运算素养.
求两函数的公切线
(2025·湘潭模拟)已知直线l是曲线y=ex-1与y=ln x+1的公切线,则直线l的方程为________.
【答案】 y=ex-1或y=x
【解析】 设直线l与曲线y=ex-1相切于点P(a,ea-1),与曲线y=ln x+1相切于点Q(b,ln b+1),
则ea=eq \f(1,b)=eq \f(ln b-ea+2,b-a),
整理得(a-1)(ea-1)=0,
解得a=1或a=0,
当a=1时,l的方程为y=ex-1;
当a=0时,l的方程为y=x.
【规律方法】 求切线方程时,注意区分曲线在某点处的切线和曲线过某点的切线,曲线y=f(x)在点P(x0,f(x0))处的切线方程是y-f(x0)=f′(x0)·(x-x0);求过某点的切线方程,需先设出切点坐标,再依据已知点在切线上求解.
[跟踪训练]
1.(2025·南平模拟)已知曲线y=aln x和曲线y=x2有唯一公共点,且这两条曲线在该公共点处有相同的切线l,则直线l的方程为_____________.
2eq \r(e)x-y-e=0
解析:设曲线g(x)=aln x和曲线f(x)=x2在公共点(x0,y0)处的切线相同,
则f′(x)=2x,g′(x)=eq \f(a,x),
由题意知f(x0)=g(x0),f′(x0)=g′(x0),
即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\co1(2x0=\f(a,x0),,x\o\al(2,0)=aln x0,))))
解得a=2e,x0=eq \r(e),
故切点为(eq \r(e),e),
切线斜率k=f′(x0)=2eq \r(e),
所以切线方程为y-e=2eq \r(e)(x-eq \r(e)),
即2eq \r(e)x-y-e=0.
与公切线有关的求值问题
(2025·德阳模拟)已知曲线y=ex在点(x1,y1)处的切线与曲线y=ln x在点(x2,y2)处的切线相同,则(x1+1)(x2-1)等于( )
A.-1
B.-2
C.1
D.2
【解析】 根据常用函数的导数可知
y=ex⇒y′=ex,
y=ln x⇒y′=eq \f(1,x),
则两函数在点(x1,y1)和(x2,y2)处的切线分别为
y-y1= (x-x1),
y-y2=eq \f(1,x2)(x-x2),
化简得y=x+(1-x1) ,
y=eq \f(1,x2)x+ln x2-1,
化简得x1x2+x2-x1+1=0⇒(x1+1)(x2-1)=-2.
【答案】 B
【规律方法】 利用导数的几何意义解题,关键是切点,要充分利用切点既在曲线上又在切线上构造方程.
[跟踪训练]
2.已知函数f(x)=xln x,g(x)=x2+ax(a∈R),若经过点A(0,-1)存在一条直线l与f(x)的图象和g(x)的图象都相切,则a等于( )
A.0
B.-1
C.3
D.-1或3
解析:设直线l与f(x)=xln x相切的切点为(m,mln m),
由f(x)=xln x得f′(x)=1+ln x,
可得切线的斜率为1+ln m,
则切线方程为y-mln m=(1+ln m)(x-m),
将A(0,-1)代入切线方程可得
-1-mln m=(1+ln m)(0-m),
解得m=1,则切线l的方程为y=x-1,
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y=x-1,,y=x2+ax))
可得x2+(a-1)x+1=0,
由Δ=(a-1)2-4=0,解得a=-1或a=3.
判断公切线条数
(2025·广州模拟)曲线C1:y=x2与曲线C2:y=ln x公切线的条数是( )
A.0
B.1
C.2
D.3
【解析】 设公切线与y=x2的切点为(x1,xeq \o\al(2,1)),
与y=ln x的切点为(x2,ln x2),
y=x2的导数为y′=2x,y=ln x的导数为y′=eq \f(1,x),
则在切点(x1,xeq \o\al(2,1))处的切线方程为y-xeq \o\al(2,1)=2x1(x-x1),即y=2x1x-xeq \o\al(2,1),
则在切点(x2,ln x2)处的切线方程为
y-ln x2=eq \f(1,x2)(x-x2),
即y=eq \f(1,x2)x+ln x2-1,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2x1=\f(1,x2),,x\o\al(2,1)=1-ln x2,))
整理得到xeq \o\al(2,1)-ln x1=1+ln 2,
令f(x)=x2-ln x,x∈(0,+∞),
则f′(x)=2x-eq \f(1,x)=eq \f(2x2-1,x),
f′(x)>0⇒x>eq \f(\r(2),2);f′(x)<0⇒0<x<eq \f(\r(2),2),
∴f(x)在区间(0,eq \f(\r(2),2))上单调递减,在区间(eq \f(\r(2),2),+∞)上单调递增,
f(x)min=f (eq \f(\r(2),2))=eq \f(1,2)+eq \f(1,2)ln 2<1+ln 2,
即函数f(x)与y=1+ln 2的图象如图所示,
由图可知,函数f(x)的图象与直线y=1+ln 2有两个交点,则方程xeq \o\al(2,1)-ln x1=1+ln 2有两个不相等的正根,即曲线C1:y=x2与曲线C2:y=ln x公切线的条数是2.
【规律方法】 运用导数与斜率之间的关系可以将两曲线公切线的切点表示出来,构造新的函数,通过零点存在定理判断函数零点个数,即方程解的情况.
【答案】 C
[跟踪训练]
3.已知函数f(x)=x2-4x+4,g(x)=x-1,则f(x)和g(x)的公切线的条数为( )
A.3
B.2
C.1
D.0
解析:设公切线与f(x)和g(x)分别相切于点(m,f(m)),(n,g(n)),f′(x)=2x-4,
g′(x)=-x-2,g′(n)=f′(m)=eq \f(gn-fm,n-m),
解得m=-eq \f(n-2,2)+2,代入化简得8n3-8n2+1=0,
构造函数h(x)=8x3-8x2+1,
h′(x)=8x(3x-2),
则h(x)在(-∞,0),(eq \f(2,3),+∞)上单调递增,
在(0,eq \f(2,3))上单调递减,极大值h(0)>0,极小值h(eq \f(2,3))<0,故函数h(x)的图象和x轴有3个交点,方程8n3-8n2+1=0有三个解,故公切线有3条.
求参数的取值范围
(2025·保定模拟)若曲线f(x)=eq \f(k,x)(k<0)与g(x)=ex有三条公切线,则k的取值范围为( )
A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,e),0))
B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(1,e)))
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2,e),0))
D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(2,e)))
【解析】 设公切线为l,P(x1,y1)是l与f(x)的切点,由f(x)=eq \f(k,x),
得f′(x)=eq \f(-k,x2),设Q(x2,y2)是l与g(x)的切点,
由g(x)=ex,得g′(x)=ex,
所以l的方程为y-y1=eq \f(-k,x\o\al(2,1))(x-x1),
因为y1=eq \f(k,x1),
整理得y=eq \f(-k,x\o\al(2,1))x+eq \f(2k,x1),
由题意此方程有三个不相等的实根,
设h(x)=-ex(x-1)2,
即直线y=4k与曲线h(x)有三个不同的交点,
因为h′(x)=ex(1-x2),
令h′(x)=0,则x=±1,
当x<-1或x>1时,h′(x)<0;
当-1<x<1时,h′(x)>0,
所以h(x)有极小值为h(-1)=-4e-1,
h(x)有极大值为h(1)=0,
因为h(x)=-ex(x-1)2,ex>0,(x-1)2≥0,所以h(x)≤0,
当x趋近于-∞时,h(x)趋近于0;
当x趋近于+∞时,h(x)趋近于-∞,
故h(x)的大致图象如图.
所以当-4e-1<4k<0,即-eq \f(1,e)<k<0时,直线y=4k与曲线h(x)有三个交点.
【答案】 A
【规律方法】 利用导数的几何意义,构造参数关于切点横坐标或切线斜率k的函数,转化成函数的零点问题或两函数的交点问题,利用函数的性质或图象求解.
[跟踪训练]
4.(2025·桂林模拟)若曲线C1:y=x2与曲线C2:y=eq \f(ex,a)(a>0)存在公切线,则实数a的取值范围是( )
A.(0,1)
B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(e2,4)))
C.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(e2,4),2))
D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(e2,4),+∞))
解析:y=x2在点(m,m2)处的切线斜率为2m,
y=eq \f(ex,a)(a>0)在点(n,eq \f(en,a))处的切线斜率为eq \f(en,a),
如果两个曲线存在公切线,那么2m=eq \f(en,a).
又由斜率公式得到2m=eq \f(m2-\f(en,a),m-n),
由此得到m=2n-2,
则4n-4=eq \f(en,a)有解,
则y=4x-4,y=eq \f(ex,a)的图象有公共点.
当直线y=4x-4与曲线y=eq \f(ex,a)相切时,设切点为(s,t),则eq \f(es,a)=4,且t=4s-4=eq \f(es,a),
可得t=4,s=2,
即有切点(2,4),a=eq \f(e2,4),
故a的取值范围是a≥eq \f(e2,4).
$