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《正禾一本通》
高中同步高效导学案
数学(人教)·必修一
1
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第三章 函数的概念及其表示
3
目
录
合作探究·思维进阶
学以致用·课堂评价
课后分层练
合作探究·思维进阶
学以致用·课堂评价
课后分层练
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3.2 函数的基本性质
3.2.1 单调性与最大(小)值
第2课时 函数的最大(小)值
学习目标 1.理解函数的最大值和最小值的概念及其几何意义,提升数学抽象素养.(重点、难点) 2.能借助函数的图象和单调性,求一些简单函数的最值或值域,提升数学运算素养.(重点) 3.能利用函数的最值解决相关的实际应用问题,提升数学建模素养.(重点)
函数的最大(小)值
科考队对新疆地区“早穿棉袄午穿纱,围着火炉吃西瓜”这一独特的沙漠气候进行科学考察,如图是某天气温随时间的变化曲线.请根据曲线图说说气温的变化情况.
问题1 该天的最高气温和最低气温分别是多少?
问题2 设该天某时刻的气温为f(x),则f(x)在哪个范围内变化?
问题3 从函数图象上看,气温的最大值、最小值在什么时刻取得?
提示:该天的最高气温为25 ℃,最低气温为-5 ℃.
提示:该天某时刻的气温变化范围是[-5,25].
提示:气温的最大值在t=17处取得,气温的最小值在t=6时取得.
≥
项目
最大值
最小值
条件
一般地,设函数y=f(x)的定义域为D,如果存在实数M满足:∀x∈D,都有
f(x) M
f(x) M
∃x0∈D,使得
结论
M是函数y=f(x)的最大值
M是函数y=f(x)的最小值
几何意义
f(x)图象上最高点的
f(x)图象上最低点的
f(x0)=M
纵坐标
纵坐标
≤
温馨提示
(1)最值首先是一个函数值,即存在一个自变量x0,使得f(x0)等于最值。
(2)对于定义域内的任意x,都有f(x)≤f(x0)(或f(x)≥f(x0)),“任意”两个字不可省略。
角度一 利用图象法求函数的最值
例1 (链接教材:人教A版P81例5)已知函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2-x,0≤x≤2,,\f(2,x-1),x>2,))求函数f(x)的最大值、最小值.
解:作出f(x)的图象如图:
由图象可知,当x=2时,f(x)取最大值为2;当x= eq \f(1,2)时,f(x)取最小值为- eq \f(1,4).
所以f(x)的最大值为2,最小值为- eq \f(1,4).
类题通法
图象法求最值的一般步骤
角度二 利用单调性求函数的最值
例2 英国著名物理学家牛顿曾研究过函数f(x)=x2+ eq \f(2,x)的图象,其形恰如希腊神话中海神波塞冬的武器——三叉戟,因此f(x)的图象又称为牛顿三叉戟曲线.求f(x)在(0,+∞)上的最值.
解:取x1,x2∈(0,+∞),且x1<x2,
则f(x1)-f(x2)=x eq \o\al(2,1)+ eq \f(2,x1)-(x eq \o\al(2,2)+ eq \f(2,x2))
=(x eq \o\al(2,1)-x eq \o\al(2,2))- eq \f(2(x1-x2),x1x2)
=(x1-x2)[(x1+x2)- eq \f(2,x1x2)]
= eq \f(x1-x2,x1x2)·[x1x2(x1+x2)-2].
当0<x1<x2<1时, eq \f(x1-x2,x1x2)<0,x1x2(x1+x2)-2<0,所以f(x1)-f(x2)>0,
即f(x1)>f(x2),所以f(x)在(0,1)上为减函数.
当x2>x1>1时, eq \f(x1-x2,x1x2)<0,x1x2(x1+x2)-2>0,所以f(x1)-f(x2)<0,
即f(x1)<f(x2),所以f(x)在(1,+∞)上为增函数.
所以f(x)在(0,+∞)上有最小值,且f(x)min=f(1)=3.
综上,f(x)在(0,+∞)上的最小值为3,无最大值.
类题通法
函数的最大(小)值与单调性的关系
(1)若函数f(x)在区间[a,b]上单调递增(减),则f(x)在区间[a,b]上的最小(大)值是f(a),最大(小)值是f(b);
(2)若函数f(x)在区间[a,b]上单调递增(减),在区间[b,c]上单调递减(增),则f(x)在区间[a,c]上的最大(小)值是f(b),最小(大)值是f(a)与f(c)中较小(大)的一个.
【迁移运用】 1.(2025·安徽铜陵模拟)已知函数f(x)= eq \f(2x+1,x+2),则f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在区间(-2,+∞)上为________(增函数或减函数),在区间 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(1,4))上的最大值为_________________.
解析:令∀x1,x2∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-2,+∞)),且x1>x2>-2,
则f(x1)-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2))= eq \f(2x1+1,x1+2)- eq \f(2x2+1,x2+2)= eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x1+1))\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2+2))-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x2+1))\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1+2)),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1+2))\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2+2)))= eq \f(3\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1-x2)),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x1+2))\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2+2))),
因为x1>x2>-2,则x1+2>0,x2+2>0,x1-x2>0,则f(x1)-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2))>0,即f(x1)>f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2)),
则f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-2,+∞))上单调递增,所以f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x))在区间[1,4]上的最大值为f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4))= eq \f(3,2).
答案:增函数 eq \f(3,2)
二次函数的最值
例3 (链接教材:人教A版P86习题3.2T7)(定轴定区间类型)已知函数f(x)=x2-2x-3,若x∈[0,2],求函数f(x)的最值.
解:∵函数f(x)=x2-2x-3开口向上,对称轴x=1,∴f(x)在[0,1]上单调递减,在[1,2]上单调递增,且f(0)=f(2).∴f(x)max=f(0)=f(2)=-3,f(x)min=f(1)=-4.
变式探究 (1)(定轴动区间类型)已知函数f(x)=x2-2x-3,若x∈[t,t+2],求函数f(x)的最值.
解:∵对称轴x=1,
①当1≥t+2即t≤-1时,f(x)max=f(t)=t2-2t-3,f(x)min=f(t+2)=(t+2)2-2(t+2)-3=t2+2t-3.
②当 eq \f(t+t+2,2)≤1<t+2,即-1<t≤0时,f(x)max=f(t)=t2-2t-3,f(x)min=f(1)=-4.
③当t≤1< eq \f(t+t+2,2),即0<t≤1时,f(x)max=f(t+2)=t2+2t-3,f(x)min=f(1)=-4.
④当1<t,即t>1时,f(x)max=f(t+2)=t2+2t-3,f(x)min=f(t)=t2-2t-3.
设函数f(x)的最大值为g(t),最小值为φ(t),则有
g(t)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(t2-2t-3,t≤0,,t2+2t-3,t>0,))φ(t)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(t2+2t-3,t≤-1,,-4,-1<t≤1,,t2-2t-3,t>1.))
(2)(动轴定区间)求二次函数f(x)=x2-2ax+2在[2,4]上的最小值.
解:∵函数图象的对称轴是x=a,∴当a<2时,f(x)在[2,4]上是增函数,∴f(x)min=f(2)=6-4a.
当a>4时,f(x)在[2,4]上是减函数,∴f(x)min=f(4)=18-8a.
当2≤a≤4时,f(x)min=f(a)=2-a2.
∴f(x)min= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(6-4a,a<2,,2-a2,2≤a≤4,,18-8a,a>4.))
eq \x(,以一元二次函数图象开口向上、对称轴为直线x=m为例,区间为[a,b].,(1)最小值:f(x)min=\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f(a),m≤a,,f(m),a≤m≤b,,f(b),m≥b;)),(2)最大值:f(x)max=\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f(a),m≥\f(a+b,2),,f(b),m<\f(a+b,2).))) 类题通法
以一元二次函数图象开口向上、对称轴为直线x=m为例,区间为[a,b].
(1)最小值:f(x)min=
(2)最大值:f(x)max=
实际问题中的最值
例4 某公司生产一种电子仪器的固定成本为20 000元,每生产一台仪器需增加投入100元,已知总收益满足函数:
R(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(400x-\f(1,2)x2(0≤x≤400),,80 000(x>400).))
其中x是仪器的月产量.
(1)将利润表示为月产量的函数f(x);
(2)当月产量为何值时,公司所获利润最大?最大利润为多少元?(总收益=总成本+利润)
解:(1)设月产量为x台,则总成本为20 000+100x,
从而f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-\f(1,2)x2+300x-20 000(0≤x≤400),,60 000-100x(x>400).))
(2)当0≤x≤400时,f(x)=- eq \f(1,2)(x-300)2+25 000;
∴当x=300时,f(x)max=25 000,
当x>400时,f(x)=60 000-100x是减函数,
f(x)<60 000-100×400<25 000.
∴当x=300时,f(x)max=25 000.
即每月生产300台仪器时利润最大,最大利润为25 000元.
类题通法
对于实际应用问题,首先要审清题意,确定自变量和因变量的条件关系,列出函数关系式,建立数学模型,同时要注意自变量的取值范围。
(2)分析函数的性质(多涉及二次函数、分段函数),选择合适的数学方法从而解决数学问题,进行验证或评估,回归题意。
【迁移运用】 2.某公司在甲、乙两地销售同一种农产品,利润(单位:万元)分别为y1=5x- eq \f(1,4)x2,y2=3x,其中x为销售量(单位:吨),若该公司在这两地共销售10吨农产品,则能获得的最大利润为_____________万元.
解析:设在甲地销售农产品x吨,
则在乙地销售农产品(10-x)吨,
由题意可得利润y=5x- eq \f(1,4)x2+3(10-x)=- eq \f(1,4)x2+2x+30=- eq \f(1,4)(x-4)2+34,
所以当x=4时,获得最大利润y=34万元.
答案:34
1.函数f(x)= eq \f(1,x)在[1,+∞)上( )
A.有最大值无最小值
B.有最小值无最大值
C.有最大值也有最小值
D.无最大值也无最小值
答案:A
2.函数y=x2-2x+2在区间[-2,3]上的最大值、最小值分别是( )
A.10,5
B.10,1
C.5,1
D.以上都不对
解析:选B.因为y=x2-2x+2=(x-1)2+1,且x∈[-2,3],
所以当x=1时,ymin=1,
当x=-2时,ymax=(-2-1)2+1=10.
3.已知函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+7,-1≤x<1,,2x+6,1≤x≤2,))则f(x)的最大值、最小值分别为( )
A.10,6
B.10,8
C.8,6
D.以上都不对
答案:A
4.在如图所示的锐角三角形空地中,欲建一个面积最大的内接矩形花园(阴影部分),则其边长x为________m.
解析:设矩形花园的宽为y,则 eq \f(x,40)= eq \f(40-y,40),
即y=40-x(0<x<40),
矩形花园的面积S=x(40-x)≤ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x+40-x,2)))
eq \s\up12(2)=400,
当且仅当x=20时,取等号,即当x=20 m时,面积最大.
答案:20
5.已知函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-x,-1≤x≤0,,x2,0<x≤1,,x,1<x≤2,))则f(x)的最大值为________.
解析:f(x)的图象如图:
则f(x)的最大值为f(2)=2.
答案:2
【基础巩固】
1.已知定义在[-2,2]上的函数f(x)的图象如图所示,则此函数的最小值、最大值分别是( )
A.f(-2),0
B.0,2
C.f(-2),2
D.f(2),2
解析:选D.由题图可知,此函数的最小值是f(2),最大值是2.
2.若函数f(x)=x2-2x+m在[3,+∞)上的最小值为1,则实数m的值为( )
A.-3
B.-2
C.-1
D.1
解析:选B.因为f(x)=x2-2x+m=(x-1)2-1+m的图象开口向上,对称轴为x=1,所以f(x)的最小值为f(3)=32-2×3+m=1,解得m=-2.
3.记函数f(x)= eq \f(2x,x-2)在区间[3,4]上的最大值和最小值分别为M和m,则 eq \f(m2,M)=( )
A. eq \f(2,3)
B. eq \f(3,8)
C. eq \f(3,2)
D. eq \f(8,3)
解析:选D.因为f(x)= eq \f(2(x-2)+4,x-2)=2+ eq \f(4,x-2),所以f(x)在[3,4]上是减函数,所以m=f(4)=4,M=f(3)=6,所以 eq \f(m2,M)= eq \f(16,6)= eq \f(8,3).
4.已知函数f(x)=kx2-4x+8在[5,10]上单调递减,且f(x)在[5,10]上的最小值为-32,则实数k的值为( )
A.- eq \f(4,5)
B.0
C.0或- eq \f(4,5)
D.0或 eq \f(1,7)
解析:选B.由函数f(x)=kx2-4x+8在[5,10]上单调递减可知,当x=10时,函数取最小值,即100k-40+8=-32,解得k=0.当k=0时,f(x)=-4x+8,函数是减函数,满足题意.
5.函数f(x)=x2+4x+5在区间[m,0]上的值域为[1,5],则实数m的取值范围是( )
A.m≤-2
B.-4≤m≤-2
C.-2≤m≤0
D.-4≤m≤0
解析:选B.函数f(x)=x2+4x+5的图象抛物线开口向上,对称轴方程为x=-2,f(-2)=1,f(-4)=f(0)=5,函数f(x)=x2+4x+5在区间[m,0]上的值域为[1,5],则有-4≤m≤-2.
6.(多选)(2025·江苏泰州期中)已知函数f(x)=x2的值域是[0,4],则它的定义域可能是( )
A.[-1,2]
B.[-3,2]
C.[-1,1]
D.[-2,1]
解析:选AD.因为f(x)的值域是[0,4],所以0≤x2≤4,所以-2≤x≤2.
因为f(0)=0,f(2)=f(-2)=4,所以f(x)的定义域可能是[-1,2],[-2,1].因为f(-3)=9,f(x)在[-1,1]上的最大值为1,所以[-3,2]和[-1,1]不可能是f(x)的定义域.
7.(多选)若函数y=ax+1在[1,2]上的最大值与最小值的差为2,则实数a的值可以是( )
A.2
B.-2
C.1
D.0
解析:选AB.当a>0时,y=ax+1在x=2处取得最大值,在x=1处取得最小值,所以2a+1-(a+1)=2,解得a=2;当a<0时,y=ax+1在x=1处取得最大值,在x=2处取得最小值,所以a+1-(2a+1)=2,解得a=-2.
8.对任意的实数x,记f(x)=min{2-x2,x},则f(x)的最大值是_______.
解析:当2-x2≤x,即x≥1或x≤-2时,f(x)=2-x2.
此时f(x)在(-∞,-2]上单调递增,在[1,+∞)上单调递减,f(x)max=f(1)=1.
当2-x2>x,即-2<x<1时,f(x)=x.此时f(x)在(-2,1)上单调递增,无最大值.
综上,f(x)=min{2-x2,x}的最大值为1.
答案:1
9.已知函数f(x)=4x+ eq \f(a,x)(x>0,a>0)在x=3时取得最小值,则a=_____.
解析:f(x)=4x+ eq \f(a,x)(x>0,a>0)在(0, eq \f(\r(a),2)]上单调递减,在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(a),2),+∞))上单调递增,故f(x)在x= eq \f(\r(a),2)处取得最小值.由题意知 eq \f(\r(a),2)=3,解得a=36.
答案:36
10.已知函数f(x)= eq \f(x2+a,x),且f(1)=2.
(1)证明函数f(x)在(1,+∞)上是增函数;
(2)求函数f(x)在[2,5]上的最大值和最小值.
解:(1)证明:∵f(1)= eq \f(1+a,1)=2,∴a=1,
∴f(x)= eq \f(x2+1,x).
设1<x1<x2,f(x1)-f(x2)=eq \o\al(2,1) eq \f(x+1,x1)
-eq \o\al(2,2) eq \f(x+1,x2)
= eq \f((x1x2-1)(x1-x2),x1x2),
∵x1<x2,x1x2>1,
∴x1-x2<0,x1x2-1>0,
∴f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2),
则函数f(x)在(1,+∞)上是增函数.
(2)由(1)可知,函数f(x)在[2,5]上单调递增,
∴f(x)min=f(2)= eq \f(22+1,2)= eq \f(5,2),f(x)max=f(5)= eq \f(52+1,5)= eq \f(26,5),
则函数f(x)在[2,5]上的最大值为 eq \f(26,5),最小值为 eq \f(5,2).
【综合运用】
11.(数学文化)高斯是德国著名的数学家,近代数学奠基者之一,享有“数学王子”的美誉,用其名字命名的“高斯函数”:设x∈R,用[x]表示不超过x的最大整数,则y=[x]称为高斯函数,也称取整函数,例如:[-3.7]=-4,[2.3]=2.已知f(x)= eq \f(x2,x2+1)- eq \f(1,2),则函数y=[f(x)]的最小值为( )
A.-2
B.-1
C.0
D.1
解析:选B.因为f(x)= eq \f(x2,x2+1)- eq \f(1,2)= eq \f(x2+1-1,x2+1)- eq \f(1,2)= eq \f(1,2)- eq \f(1,x2+1),
又因为x2+1≥1,0< eq \f(1,x2+1)≤1,-1≤- eq \f(1,x2+1)<0,
所以- eq \f(1,2)≤f(x)< eq \f(1,2),
所以当- eq \f(1,2)≤f(x)<0时,y=[f(x)]=-1;
当0≤f(x)< eq \f(1,2)时,y=[f(x)]=0.
所以函数y=[f(x)]的最小值为-1.
12.设函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+\f(1,x)+t,x>0,,x2+2tx+t2,x≤0,))若f(0)是f(x)的最小值,则实数t的取值范围是( )
A.[-1,2]
B.[-1,0]
C.[1.2]
D.[0,2]
解析:选B.f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+\f(1,x)+t,x>0,,x2+2tx+t2,x≤0,))
当x>0时,f(x)=x+ eq \f(1,x)+t≥2 eq \r(x·\f(1,x))+t=2+t,
当且仅当x= eq \f(1,x)即x=1时,等号成立;
当x≤0时,f(x)=x2+2tx+t2=(x+t)2,要使f(0)是f(x)的最小值,
只需f(x)=x2+2tx+t2在(-∞,0]上递减,且2+t≥f(0)=t2,
即 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-t≥0,,t2-t-2≤0,))解得-1≤t≤0.
13.已知函数f(x)=x2-2ax+2,x∈[-1,1].
(1)求f(x)的最小值g(a);
(2)求g(a)的最大值.
解:(1)由题意可得:f(x)=x2-2ax+2=(x-a)2+2-a2,x∈[-1,1],
当a≥1时,f(x)在区间[-1,1]上单调递减,最小值g(a)=f(1)=3-2a;
当-1<a<1时,f(x)在区间[-1,a]上单调递减,在区间(a,1]上单调递增,最小值g(a)=f(a)=2-a2;
当a≤-1时,f(x)在区间[-1,1]上单调递增,最小值g(a)=f(-1)=3+2a;
综上所述:g(a)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(3-2a,a≥1,,2-a2,-1<a<1,,3+2a,a≤-1.))
(2)由 (1) 可知:当a≥1时,g(a)=3-2a在[1,+∞)单调递减,所以g(a)的最大值为g(1)=1;
当-1<a<1时,g(a)=2-a2在区间(-1,0)上单调递增,在区间[0,1)上单调递减,所以g(a)的最大值为g(0)=2;
当a≤-1时,g(a)=3+2a在(-∞,-1]单调递增,所以g(a)的最大值为g(-1)=1;
综上所述:g(a)的最大值为g(0)=2.
【创新探索】
14.已知函数f(x)=x2-2x,g(x)=ax+2(a>0),若对任意的x1∈[-1,2],都存在x0∈[-1,2],使得g(x1)=f(x0),则实数a的取值范围是________.
解析:∵函数f(x)=x2-2x的图象开口向上,对称轴方程为x=1,∴当x∈[-1,2]时,f(x)的最小值为f(1)=-1,最大值为f(-1)=3,则此时f(x)的取值范围为[-1,3].∵g(x)=ax+2(a>0)在[-1,2]上单调递增,∴当x∈[-1,2]时,g(x)的最小值为g(-1)=-a+2,最大值为g(2)=2a+2,此时g(x)的取值范围为[-a+2,2a+2].∵对任意的x1∈[-1,2],都存在x0∈[-1,2],使得g(x1)=f(x0),
∴ eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-a+2≥-1,,2a+2≤3,,a>0,))解得0<a≤ eq \f(1,2).
答案:(0, eq \f(1,2)]
15.已知函数f(x)=ax2+2bx+1,x∈[1,3],且a,b为常数.
(1)若a=1,求f(x)的最大值;
(2)若a>0,b=-1,且f(x)的最小值为-4,求a的值.
解:(1)当a=1时,f(x)=x2+2bx+1,x∈[1,3],
易知f(x)的图象关于x=-b对称.
当-b>2,即b<-2时,f(x)max=f(1)=2b+2,
当-b≤2,即b≥-2时,
f(x)max=f(3)=6b+10,
综上,f(x)max= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2b+2,b<-2,,6b+10,b≥-2.))
(2)当b=-1时,f(x)=ax2-2x+1,x∈[1,3],又a>0,
∴f(x)的对称轴x= eq \f(1,a)>0.
当 eq \f(1,a)≤1,即a≥1时,f(x)min=f(1)=a-1,
∴a-1=-4,解得a=-3,不合题意,舍去.
当 eq \f(1,a)≥3,即0<a≤ eq \f(1,3)时,f(x)min=f(3)=9a-5=-4,解得a= eq \f(1,9)满足题意.
当1< eq \f(1,a)<3,即 eq \f(1,3)<a<1时,f(x)min=f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a)))=1- eq \f(1,a)=-4,解得a= eq \f(1,5),不合题意,舍去.
故a的值为 eq \f(1,9).
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