内容正文:
第二章 函数、导数及其应用
第十节 导数的应用
第二章 函数、导数及其应用
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目录
contents
Part 01 知识要点
Part 02 双基检测
Part 05 课时作业
Part 03 典例精析
Part 04 高考再现
第二章 函数、导数及其应用
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知识要点
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第二章 函数、导数及其应用
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双基检测
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典例精析
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高考再现
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1.利用导数研究函数的单调性
函数的单调性
设函数f(x)在区间(a,b)内可导,
如果在(a,b)内f′(x)>0,那么f(x)在(a,b)内是增函数;
如果在(a,b)内f′(x)<0,那么f(x)在(a,b)内是减函数
求可导函数单调区间的一般步骤
(1)确定f(x)的定义域;
(2)求f′(x);
(3)f′(x)>0的解集与定义域的交集所对应的区间为增区间,f′(x)<0的解集与定义域的交集所对应的区间为减区间
2.利用导数研究函数的极值与最值
函数极值的判定
(1)求定义域;
(2)求f′(x);
(3)解方程f′(x)=0,当f′(x0)=0时,
①如果在x0附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0,那么f(x0)是极大值;
②如果在x0附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0,那么f(x0)的极小值
最值定理
在闭区间[a,b]上连续的函数f(x)在[a,b]上必有最大值与最小值,且函数的最值必在极值点或区间端点处取得
3.生活中的优化问题
利用导数解决实际问题中的最值问题应注意:
(1)在求实际问题的最大(小)值时,一定要注意考虑实际问题的意义,不符合实际问题的值应舍去.
(2)在实际问题中,有时会遇到函数在区间内只有一个点使f′(x)=0的情形,那么不与端点值比较,也可以知道这就是最大(小)值.
(3)在解决实际优化问题中,不仅要注意将问题中涉及的自变量的函数关系式给予表示,还应确定函数关系式中自变量的定义区间.
1.已知函数f(x)是定义在(0,b)上的可导函数,其导函数图象如图所示,则函数f(x)的图象可以是( )
答案:A
2.下列关于函数f(x)=x3-3x2+1(x∈R)的性质叙述错误的是( )
A.f(x)在区间(0,2)上单调递减
B.曲线y=f(x)在点(2,-3)处的切线方程为y=-3
C.f(x)在x=0处取得最大值1
D.f(x)在其定义域上没有最大值
答案:C
3.已知x=1是函数feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=x3-3ax+2的极小值点,那么函数feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))的极大值为( )
A.-1
B.1
C.2
D.4
解析:选D 因为feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=x3-3ax+2,x∈R,
所以f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=3x2-3a,
又因为x=1是函数的极小值点,
所以f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=3-3a=0,
解得a=1,
所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=x3-3x+2,f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=3x2-3,
令f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=3x2-3=0,得x1=-1,x2=1,
所以当x∈(-∞,-1)时,f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>0,
feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))单调递增;
当x∈(-1,1)时,f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))<0,feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))单调递减;
当x∈(1,+∞)时,f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>0,feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))单调递增.
所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在x=-1处取极大值,在x=1处取极小值,
所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))的极大值为feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-1))=-1+3+2=4.故选:D.
4.已知函数f(x)的导数f′(x)=a(x+1)·(x-a),若f(x)在x=a处取到极大值,则a的取值范围是________.
解析:若f(x)在x=a处取到极大值,则x>a时f′(x)<0,-1<x<a时f′(x)>0,x<-1时f′(x)<0,故-1<a<0.
答案:(-1,0)
设函数f(x)=x3+ax2-9x-1(a<0).若曲线y=f(x)的斜率最小的切线与直线12x+y=6平行,求:
(1)a的值;
(2)函数f(x)的单调区间.
[思路点拨] (1)求导函数的最值,即二次函数求最值;
(2)单调区间可以通过解f′(x)>0或f′(x)<0得到.
[精解详析] (1)因为f(x)=x3+ax2-9x-1,
所以f′(x)=3x2+2ax-9=3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(a,3)))2-9-eq \f(a2,3).即当x=-eq \f(a,3)时,f′(x)取得最小值-9-eq \f(a2,3).
因为斜率最小的切线与12x+y=6平行,
即该切线的斜率为-12,
所以-9-eq \f(a2,3)=-12,即a2=9,
解得a=±3,由题设a<0,所以a=-3.
(2)由(1)知a=-3,因此f(x)=x3-3x2-9x-1,
f′(x)=3x2-6x-9=3(x-3)(x+1),
令f′(x)=0,解得x1=-1,x2=3.
当x∈(-∞,-1)时,f′(x)>0,故f(x)在(-∞,-1)上为增函数;
当x∈(-1,3)时,f′(x)<0,
故f(x)在(-1,3)上为减函数;
当x∈(3,+∞)时,f′(x)>0,
故f(x)在(3,+∞)上为增函数.
由此可见,函数f(x)的单调递增区间为(-∞,-1)和(3,+∞),单调递减区间为(-1,3).
[解题心得]
利用导数求函数单调区间的“3步骤”
(1)确定函数f(x)的定义域;
(2)求导数f′(x),并求方程f′(x)=0的根;
(3)利用f′(x)=0的根将函数的定义域分成若干个子区间,在这些子区间上讨论f′(x)的正负,由f′(x)的正负确定f(x)在相应子区间上的单调性.
已知函数feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+1))ex.
(1)求函数feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))的单调区间;
(2)求feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在区间[-4,0]上的最大值和最小值.
[思路分析] (1)根据题意,求导得到f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))即可得到其单调区间;
(2)根据题意,由(1)中的单调区间即可得到其最值.
[精解详析] (1)f′(x)=ex+(x+1)ex=(x+2)ex,
当x>-2时,f′(x)>0,f(x)的单调增区间为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-2,+∞)),
当x<-2时,f′(x)<0,f(x)的单调减区间为(-∞,-2),
所以函数单调增区间为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-2,+∞)),单调减区间为(-∞,-2).
(2)由(1)知f(x)在[-4,-2)上递减,在(-2,0]上递增,
当x=-2时,f(x)有极小值即最小值为f(-2)=-eq \f(1,e2).
f(0)=1,f(-4)=-eq \f(3,e4),
所以最大值为f(0)=1,最小值为f(-2)=-eq \f(1,e2).
[解题心得]
掌握求函数f(x)在区间[a,b]上的最值的方法
(1)若函数在区间[a,b]上单调递增或递减,f(a)与f(b)一个为最大值,一个为最小值;
(2)若函数在闭区间[a,b]内有极值,要先求出[a,b]上的极值,与f(a),f(b)比较,最大的是最大值,最小的是最小值,可列表完成;
(3)函数f(x)在区间(a,b)上有唯一一个极值点,这个极值点就是最大(或最小)值点,此结论在导数的实际应用中经常用到.
设函数f(x)=ax3-2x2+x+c(a>0).
(1)当a=1,且函数f(x)的图象过点(0,1)时,求函数f(x)的极小值;
(2)若f(x)在(-∞,+∞)上无极值点,求a的取值范围.
[思路点拨] (1)先求c,再求导求极小值;(2)由题意可知f′(x) ≥0或f′(x) ≤0恒成立,从而求出a的范围.
[精解详析] f′(x)=3ax2-4x+1.
(1)函数f(x)的图象过点(0,1)时,有f(0)=c=1.
当a=1时,f(x)=x3-2x2+x+1,
f′(x)=3x2-4x+1,
由f′(x)>0,解得x<eq \f(1,3)或x>1;
由f′(x)<0,解得eq \f(1,3)<x<1.
所以函数f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,\f(1,3)))和(1,+∞)上单调递增,在eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(1,3),1))上单调递减,
所以函数f(x)的极小值是f(1)=13-2×12+1+1=1.
(2)若f(x)在(-∞,+∞)上无极值点,
则f(x)在(-∞,+∞)上是单调函数,
即f′(x)=3ax2-4x+1≥0或f′(x)=3ax2-4x+1≤0恒成立.
①当a=0时,f′(x)=-4x+1,显然不满足条件;
②当a≠0时,f′(x)≥0或f′(x)≤0恒成立的充要条件是Δ=(-4)2-4×3a×1≤0,即16-12a≤0,解得a≥eq \f(4,3).
综上,a的取值范围为eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,3),+∞)).
[解题心得]
1.熟记运用导数解决函数极值问题的一般流程
2.掌握已知函数极值点或极值求参数的2个要领
列式
根据极值点处导数为0和极值这两个条件列方程组,利用待定系数法求解
验证
因为导数值等于零不是此点为极值点的充要条件,所以利用待定系数法求解后必须验证根的合理性
1.(多选)(2025·全国二卷)已知f(x)是定义在R上的奇函数,且当x>0时,f(x)=(x2-3)ex+2,则( )
A.f(0)=0
B.当x<0时,f(x)=-(x2-3)e-x-2
C.f(x)≥2当且仅当x≥ eq \r(3)
D.x=-1是f(x)的极大值点
解析:选ABD 对A,因为f(x)是定义在R上奇函数,则f(0)=0,故A正确;
对B,当x<0时,-x>0,则f(x)=-f(-x)=-[((-x)2-3)e-x+2]=-(x2-3)e-x-2,故B正确;
对C,f(-1)=-(1-3)e-2=2(e-1)>2, 故C错误;
对D,当x<0时,f(x)=(3-x2)e-x-2,则f′(x)=-(3-x2)e-x-2xe-x=(x2-2x-3)e-x,
令f′(x)=0,解得x=-1或3(舍去),
当x∈(-∞,-1)时,f′(x)>0,此时f(x)单调递增,
当x∈(-1,0)时,f′(x)<0,此时f(x)单调递减,
则x=-1是f(x)的极大值点,故D正确.故选ABD.
2.(多选)(2024·新课标Ⅰ卷)设函数f(x)=(x-1)2(x-4),则( )
A.x=3是f(x)的极小值点
B.当0<x<1时,f(x)<f(x2)
C.当1<x<2时,-4<f(2x-1)<0
D.当-1<x<0时,f(2-x)>f(x)
解析:选ACD 因为函数f(x)的定义域为R,而f′(x)=2(x-1)(x-4)+(x-1)2=3(x-1)(x-3),
易知当x∈(1,3)时,f′(x)<0,当x∈(-∞,1)或x∈(3,+∞)时,f′(x)>0,
所以函数f(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,3)上单调递减,在(3,+∞)上单调递增,故x=3是函数f(x)的极小值点,A正确;
当0<x<1时,x-x2=x(1-x)>0,所以1>x>x2>0,
因为函数f(x)在(0,1)上单调递增,所以f(x)>f(x2),B错误;
当1<x<2时,1<2x-1<3,因为函数f(x)在(1,3)上单调递减,
所以f(1)>f(2x-1)>f(3),即-4<f(2x-1)<0,C正确;
当-1<x<0时,f(2-x)-f(x)=(1-x)2(-2-x)-(x-1)2(x-4)=(x-1)2(2-2x)>0,
所以f(2-x)>f(x),D正确.故选ACD.
3.(2023·新高考Ⅱ卷)已知函数feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=aex-ln x在区间eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,2))上单调递增,则a的最小值为( )
A.e2
B.e
C.e-1
D.e-2
解析:选C 依题可知,f′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=aex-eq \f(1,x)≥0在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,2))上恒成立,显然a>0,所以xex≥eq \f(1,a),
设geq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=xex,x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,2)),所以g′eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+1))ex>0,所以geq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,2))上单调递增,
geq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>geq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1))=e,故e≥eq \f(1,a),即a≥eq \f(1,e)=e-1,即a的最小值为e-1.故选:C.
4.(多选)(2023·新高考Ⅱ卷)若函数feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=aln x+eq \f(b,x)+eq \f(c,x2)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a≠0))既有极大值也有极小值,则( )
A.bc>0
B.ab>0
C.b2+8ac>0
D.ac<0
解析:选BCD 函数f(x)=aln x+eq \f(b,x)+eq \f(c,x2)的定义域为(0,+∞),
求导得f′(x)=eq \f(a,x)-eq \f(b,x2)-eq \f(2c,x3)=eq \f(ax2-bx-2c,x3).
因为函数f(x)既有极大值也有极小值,
所以函数f′(x)在(0,+∞)上有两个变号零点,
而a≠0,
因此方程ax2-bx-2c=0有两个不等的正根x1,x2,
于是eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ=b2+8ac>0,,x1+x2=\f(b,a)>0,,x1x2=-\f(2c,a)>0,))即有b2+8ac>0,ab>0,ac<0,显然a2bc<0,即bc<0,A错误,BCD正确.故选:BCD.
5.(2025·全国二卷)若x=2是函数f(x)=(x-1)(x-2)(x-a)的极值点,则f(0)=________.
解析:由题意有f(x)=(x-1)(x-2)(x-a),
所以f′(x)=(x-a)(x-1)+(x-1)(x-2)+(x-a)(x-2),
因为2是函数f(x)极值点,所以f′(2)=2-a=0,得a=2,
当a=2时,f′(x)=2(x-2)(x-1)+(x-2)2=(x-2)(3x-4),
当x∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,\f(4,3))),f′(x)>0,f(x)单调递增,当x∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,3),2)),f′(x)<0,f(x)单调递减,
当x∈(2,+∞),f′(x)>0,f(x)单调递增,
所以x=2是函数f(x)=(x-1)(x-2)(x-a)的极小值点,符合题意;
所以f(0)=-1×(-2)×(-a)=-2a=-4.
答案:-4
6.(2025·全国一卷节选)求函数f(x)=5cos x-cos 5x在区间 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,4)))的最大值.
解:因为f(x)=5cos x-cos 5x,
所以f′(x)=-5sin x+5sin 5x,
令f′(x)=0,得sin x=sin 5x,又x∈ eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,4))),所以x=5x或x=π-5x,
所以x=0或x= eq \f(π,6),
所以x,f′(x),f(x)的关系如表所示:
x
0
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(π,6)))
eq \f(π,6)
eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,6),\f(π,4)))
f′(x)
0
大于0
0
小于0
f(x)
单调递增
极大值
单调递减
因为f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)))=5cos eq \f(π,6)-cos eq \f(5π,6)=3 eq \r(3),
所以函数f(x)=5cos x-cos 5x在区间 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,4)))的最大值为3 eq \r(3).
7.(2025·全国二卷节选)已知函数f(x)=ln (1+x)-x+ eq \f(1,2)x2-kx3,其中0<k< eq \f(1,3).
证明:f(x)在区间(0,+∞)存在唯一的极值点和唯一的零点.
证明:因为f(x)=ln (1+x)-x+ eq \f(1,2)x2-kx3,k∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,3))),
所以f′(x)= eq \f(1,1+x)-1+x-3kx2
= eq \f(1-1-x+x+x2-3kx2-3kx3,1+x)
= eq \f(-3kx2,1+x)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+1-\f(1,3k)))=x2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,1+x)-3k)).
当x>0时,令f′(x)=0,解得x= eq \f(1,3k)-1>0,
所以当0<x< eq \f(1,3k)-1时,f′(x)>0,f(x)单调递增;当x> eq \f(1,3k)-1时,f′(x)<0,f(x)单调递减.
所以x= eq \f(1,3k)-1是f(x)在(0,+∞)上唯一的极值点,是极大值点.
因为f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3k)-1))>f(0)=0,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2k)))=ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,2k)))- eq \f(1,2k)+ eq \f(1,8k2)- eq \f(1,8k2)=ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,2k)))- eq \f(1,2k)<0,
所以存在唯一x0∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3k)-1,\f(1,2k))),使得f(x0)=0,
所以x0是f(x)在(0,+∞)上唯一的零点.
8.(2023·新高考Ⅰ卷)已知函数f(x)=a(ex+a)-x.
(1)讨论f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))单调性;
(2)证明:当a>0时,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>2ln a+ eq \f(3,2).
解:(1)因为f(x)=a eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ex+a))-x,定义域为R,所以f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=aex-1.
当a≤0时,由于ex>0,则aex≤0,故f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=aex-1<0恒成立,
所以f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在R上单调递减;
当a>0时,令f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))=aex-1=0,解得x=-ln a,
当x<-ln a时,f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))<0,则f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-ln a))上单调递减;
当x>-ln a时,f′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))>0,则f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-ln a,+∞))上单调递增.
综上,当a≤0时,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在R上单调递减;
当a>0时,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-ln a))上单调递减,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-ln a,+∞))上单调递增.
(2)证明:由(1)得,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))
eq \s\do7(min)=f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-ln a))=
a eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(e-ln a+a))+ln a=1+a2+ln a.
要证f(x)>2ln a+ eq \f(3,2),即证1+a2+ln a>2ln a+ eq \f(3,2),即证a2- eq \f(1,2)-ln a>0恒成立.
令g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))=a2- eq \f(1,2)-ln a eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a>0)),
则g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))=2a- eq \f(1,a)= eq \f(2a2-1,a),
令g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))<0,则0<a< eq \f(\r(2),2);令g′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))>0,则a> eq \f(\r(2),2),
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(\r(2),2)))上单调递减,在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2),+∞))上单调递增,
所以g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))
eq \s\do7(min)=g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))
eq \s\up12(2)- eq \f(1,2)-ln eq \f(\r(2),2)=ln eq \r(2)>0,则g eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a))>0恒成立,
所以当a>0时,f(x)>2ln a+ eq \f(3,2)恒成立.
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