专题7 培优点3 函数与导数中的新定义问题-【领跑高中】2025版高考数学二轮专题复习教师用书配套课件

2025-12-09
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摘要:

该高中数学高考复习课件聚焦函数与导数新定义问题,依据高考评价体系梳理新定义理解、导数应用、不等式证明等核心考点,通过近五年真题分析明确创新题型占比达35%,归纳含谷函数、k类函数等常考模型,构建完整解题思路体系。 课件亮点在于“真题情境+转化策略+素养提升”,如以拉格朗日中值定理应用为例,解析将新定义转化为导数符号问题的方法,培养数学思维与创新意识。含高考真题训练及易错点分析,帮助学生掌握答题技巧,教师可据此精准教学,助力高效备考。

内容正文:

培优点3  函数与导数中的新定义问题 函数与导数中的新定义问题 【例1】 设y=f(x)是定义在区间D上的连续函数,若存在区间[a, b]⊆D,x0∈(a,b),使得y=f(x)在[a,x0)上单调递减,在 (x0,b]上单调递增,则称y=f(x)为“含谷函数”,x0为“谷点”, [a,b]称为y=f(x)的一个“含谷区间”. (1)判断下列函数是否为含谷函数,若是,请指出谷点;若不是,请说 明理由; ①y=2|x|,②y=x+ cos x. 解:①对于y=2|x|=当x∈(-∞,0) 时,y=2|x|单调递减,当x∈(0,+∞)时,y=2|x|单调 递增,所以y=2|x|是含谷函数,且谷点为0. ②对于y=x+ cos x,y'=1- sin x≥0恒成立,y=x+ cos x单调递 增,不是含谷函数. (2)已知实数m>0,y=x2-2x-mln(x-1)是含谷函数,且[2,4] 是它的一个含谷区间,求m的取值范围; 解:由题意可知函数y=x2-2x-mln(x-1)在区间[2,4] 上先减后增,且存在谷点. 令g(x)=x2-2x-mln(x-1),则g'(x)=2x-2- , 令t(x)=g'(x)=2x-2- ,则t'(x)=2+ >0, 所以g'(x)在区间[2,4]上单调递增,所以 解得2<m<18, 故m的取值范围是(2,18). (3)设p,q∈R,h(x)=-x4+px3+qx2+(4-3p-2q)x,函数y =h(x)是含谷函数,[a,b]是它的一个含谷区间,记b-a的最 大值为L(p,q).若h(1)≤h(2),且h(1)≤0,求L(p, q)的最小值. 解:因为h(x)=-x4+px3+qx2+(4-3p-2q)x,所以 h'(x)=-4x3+3px2+2qx+(4-3p-2q)=4(1-x)[x2+ (1- )x+(1- - )], 若x2+(1- )x+(1- - )≥0恒成立, 则函数y=h(x)在(-∞,1]上单调递增,在[1,+∞)上单调 递减,不是含谷函数,不满足题意. 因此关于x的方程x2+(1- )x+(1- - )=0有两个相异实 根,即Δ>0, 设两根分别为α,β且α<β,则α+β=-1+ , αβ=1- - . 因为h(1)≤0=h(0),所以函数y=h(x)在区间(-∞,1] 上不单调递增, 但是当x小于1,α,β中的最小值时,h'(x)>0,y=h(x)单 调递增, 所以y=h(x)在区间(-∞,1]上的单调性至少改变一次,即α<1. 同理,因为h(1)≤h(2),所以β>1. 因此y=h(x)在区间(-∞,α)和(1,β)上单调递增,在区 间(α,1)和(β,+∞)上单调递减, 从而函数y=h(x)的含谷区间[a,b]必满足[a,b]⊆[α,β]. 所以L(p,q)=β-α= = , 而h(1)=-1+p+q+4-3p-2q=3-2p-q,h(2)=-16 +8p+4q+8-6p-4q=-8+2p, 由h(1)≤h(2)得3-2p-q≤-8+2p,由h(1)≤0得3-2p -q≤0,所以q≥11-4p且q≥3-2p, 易知p≤4时,11-4p≥3-2p,p>4时,11-4p<3-2p, 所以q≥ 当p≤4时,L(p,q)≥ ≥ , 当p>4时,L(p,q)≥ > , 因此L(p,q)的最小值为 ,此时p=4,q=-5. 解决本题的三个关键转化 (1)理解新定义“含谷函数”,能将新定义函数等价转化为熟知函数.即 在定义域D的某子闭区间[a,b]上满足先减后增的连续函数为含谷 函数,由此可转化为结合函数单调性判断; (2)理解“含谷区间”与“谷点”之间的关系,即含谷区间内的极小值 点,由此可根据函数的连续性等价转化为导函数值在给定含谷区间 向上的两端值异号(左端点值小于0,右端点值大于0),从而求得 参数的范围; (3)理解L(p,q)的含义,探索满足条件的最大含谷区间,再转化为 求该区间长度的最小值. 感悟提升  若函数f(x)在[a,b]上有定义,且对于任意不同的x1,x2∈[a, b],都有|f(x1)-f(x2)|<k|x1-x2|,则称f(x)为[a,b]上 的“k类函数”. 跟踪训练 (1)若f(x)= +x,判断f(x)是否为[1,2]上的“3类函数”; 解:对于任意不同的x1,x2∈[1,2],不妨设x1<x2,则有 1≤x1<x2≤2,2<x1+x2<4, 所以2< <3, |f(x1)-f(x2)|=|( +x1)-( +x2)|=|(x1- x2) |<3|x1-x2|, 所以f(x)= +x是[1,2]上的“3类函数”. (2)若f(x)=c(x-1)ex- -xln x为[1,e]上的“2类函数”,求 实数c的取值范围. 解:由题意知,对于任意不同的x1,x2∈[1,e],都有|f(x1)-f(x2)|<2|x1-x2|, 不妨设x1<x2,则-2(x2-x1)<f(x1)-f(x2)<2(x2-x1), 故f(x1)+2x1<f(x2)+2x2且f(x1)-2x1>f(x2)-2x2, 故y=f(x)+2x在[1,e]上单调递增,y=f(x)-2x在[1,e] 上单调递减, 故对任意的x∈[1,e],都有-2≤f'(x)≤2,其中f'(x)=cxex -x-ln x-1. 由f'(x)≤2可得c≤ ,令g(x)= ,1≤x≤e, 则c≤g(x)min, g'(x)= ,令u(x)=-2-ln x-x, 1≤x≤e,可得u(x)单调递减,所以u(x)≤u(1)=-3<0, 所以g'(x)<0, 所以g(x)在[1,e]上单调递减,g(x)min=g(e)= . 由f'(x)≥-2可得c≥ ,令h(x)= , 1≤x≤e,则c≥h(x)max, h'(x)= ,令m(x)=2-ln x-x,1≤x≤e,易 知m(x)单调递减, 又m(1)=1>0,m(e)=1-e<0, 所以∃x0∈(1,e),使得m(x0)=0,即2-ln x0-x0=0,所以ln x0=2-x0,x0= . 当x∈[1,x0)时,m(x)>0,h'(x)>0,h(x)单调递增, 当x∈(x0,e]时,m(x)<0,h'(x)<0,h(x)单调递减, 所以h(x)max=h(x0)= = . 综上所述, ≤c≤ . 故实数c的取值范围为[ , ]. 以高数中的定理为背景的新定义问题 【例2】 拉格朗日中值定理是微分学的基本定理之一,其内容为:如果 函数f(x)在闭区间[a,b]上的图象连续不断,在开区间(a,b)内的 导数为f'(x),那么在区间(a,b)内存在c,使得f(b)-f(a)= f'(c)(b-a)成立.设f(x)=ex+x-4,其中e为自然对数的底数, e≈2.718 28.易知f(x)在实数集R上有唯一零点r,且r∈(1, ). (1)证明:当x∈(r,r+ )时,0<f(x)<1; 证明:由f(x)在R上单调递增,得对任意x∈ (r,r+ ),有f(x)>f(r)=0, 又由f(r)=0,得f(x)=f(x)-f(r),根据 拉格朗日中值定理,存在c∈(r,x),f(x)=f (x)-f(r)=f'(c)(x-r)< f'(c)= (ec+1), 因为r∈(1, ),所以c<r+ < + <2, (ec+1)< (e2+1)<1, 所以0<f(x)<1. (2)直接求解f(x)=ex+x-4的零点r是比较困难的,运用以下方 法,我们可以得到f(x)零点的近似解.如图,在(1, )中选定一 个x0作为r的初始近似值,使得0<f(x0)< ,然后在点(x0,f (x0))处作曲线y=f(x)的切线,切线与x轴的交点的横坐标为 x1,称x1是r的一次近似值;在点(x1,f(x1))处 作曲线y=f(x)的切线,切线与x轴的交点的横坐 标为x2,称x2是r的二次近似值;重复以上过程, 得r的近似值序列x0,x1,x2,…,xn,….当xn >r时,证明:xn>xn+1>r. 证明:①先证xn>xn+1,易知在点(xn,f (xn))处,曲线y=f(x)的切线方程为y-f (xn)=f'(xn)·(x-xn), 令y=0,得x=xn- ,即xn+1=xn- , 又xn>r,f(x)在R上单调递增,则f(xn)>f(r)=0,而f' (x)=ex+1>0,则 >0,所以xn+1=xn- <xn. 再证xn+1>r,由于f(x)在R上单调递增,只需证f(xn+1)>f (r)=0, 令h(x)=f(x)-f(xn)-f'(xn)(x-xn),x∈[xn+1, xn],则h'(x)=f'(x)-f'(xn)=ex- ≤0,x∈[xn+1,xn], 于是h(x)在[xn+1,xn]上单调递减,而h(xn)=f(xn)-f (xn)-f'(xn)(xn-xn)=0, 因此h(xn+1)>0,又f(xn)+f'(xn)(xn+1-xn)=0,故h(xn+1) =f(xn+1),即f(xn+1)>0,所以xn+1>r.综上:xn>xn+1>r.   以高数中定理为背景的新定义创新类题目,一般是借用该高数中某定 理表述的基本数学思想、基本数学表达式构建能够适应中学知识解决的问 题.本题依据微分学中无限逼近思想为情境,以拉格朗日中值定理为数学 模型证明两类不等关系成立.求解此问题的关键:(1)利用函数f(x)的 单调性、零点所在区间及待证函数不等式所在区间之间的包含关系,结合 拉格朗日中值定理数学表达式采用适当放缩证明;(2)利用无限逼近思 想及函数图象上过一点的切线与x轴的交点横坐标构造数列x0,x1, x2,…,xn,xn+1…,再利用拉格朗日中值定理构造出误差函数证明数列 不等式成立. 感悟提升  (2024·贵阳适应性考试)英国数学家泰勒发现了如下公式:ex=1+x + + +…+ +…,其中n!=1×2×3×4×…×n,e为自然对数的 底数,e=2.718 28….以上公式称为泰勒展开式.设f(x)= ,g (x)= ,根据以上信息,并结合高中所学的数学知识,解决如下 问题. 跟踪训练 (1)证明:ex≥1+x; 证明:设h(x)=ex-x-1,则h'(x)=ex-1. 当x>0时,h'(x)>0;当x<0时,h'(x)<0. 所以h(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增. 因此,h(x)≥h(0)=0,即ex≥1+x. (2)设x∈(0,+∞),证明: <g(x). 证明:因为ex=1+x+ + + + +…+ +…. ① 所以e-x=1-x+ - + - +…+(-1)n +…. ② 由①②得f(x)= =x+ + +…+ +…. g(x)= =1+ + +…+ +…. 所以 =1+ + +…+ +… <1+ + +…+ +… =g(x), 即 <g(x). 课时跟踪检测 1. (2024·新乡二模)函数f(x)=[x]被称为取整函数,也称高斯函数, 其中[x]表示不大于实数x的最大整数.若∀m∈(0,+∞),满足[x]2 +[x]≤ ,则x的取值范围是(  ) A. [-1,2] B. (-1,2) C. [-2,2) D. (-2,2] 解析: ∀m∈(0,+∞), =m+ ≥2,当且仅当m=1时取 等号,由[x]2+[x]≤ 可得[x]2+[x]≤2⇒([x]+2)([x]-1) ≤0,所以-2≤[x]≤1,故-2≤x<2,故选C. 1 2 3 4 5 6 7 √ 2. 拉格朗日中值定理是微分学的基本定理之一,定理内容如下:如果函数 f(x)在闭区间[a,b]上的图象连续不间断,在开区间(a,b)内的 导数为f'(x),那么在区间(a,b)内至少存在一点c,使得f(b) -f(a)=f'(c)(b-a)成立,其中c叫作f(x)在[a,b]上的 “拉格朗日中值点”.根据这个定理,可得函数f(x)=(x-1)ln x 在[1,2]上的“拉格朗日中值点”的个数为(  ) A. 0 B. 1 C. 2 D. 3 √ 1 2 3 4 5 6 7 解析: f'(x)=1+ln x- ,设x0为函数f(x)在[1,2]上的“拉 格朗日中值点”,则1+ln x0- = =ln 2.令g(x)=1+ ln x- -ln 2,则g'(x)= + >0在[1,2]上恒成立,故g(x)= 1+ln x- -ln 2在[1,2]上单调递增,又g(1)=-ln 2<0,g(2) =1- = >0,由函数零点存在定理可知,存在唯一的x0∈[1,2], 使得g(x0)=0.故选B. 1 2 3 4 5 6 7 3. (多选)如图所示的太极图是由黑、白两个鱼纹组成的图案.定义:能 够将圆O的周长和面积同时等分成两部分的函数称为圆O的一个“太极 函数”,则下列说法中正确的是(  ) A. 对于任意一个圆O,其“太极函数”有无数个 B. 函数f(x)=x3-3x可以是某个圆的“太极函数” C. 正弦函数y= sin x可以同时是无数个圆的“太极函数” D. y=f(x)是“太极函数”的充要条件为“y=f(x)的图象是中心对 称图形” √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 解析: 对于A,因为任意一个圆O都是关于圆心 的中心对称图形,故其“太极函数”有无数个,故A正 确;对于B,函数f(x)=x3-3x是奇函数,其图象过 原点且关于原点对称,将圆的圆心放在坐标原点上,则 函数f(x)=x3-3x可以是某个圆的“太极函数”,故B正确;对于C,将圆的圆心放在正弦函数y= sin x图象的对称中心上,则y= sin x是该圆的“太极函数”,故y= sin x可以是无数个圆的“太极函数”,故C正确;对于D,函数y=f(x)的图象是中心对称图形时,y=f(x)不一定是“太极函数”,例如f(x)= 就不是太极函数;函数y=f(x)是“太极函数”时,图象也不一定是中心对称图形(如图),故D错误.故选A、B、C. 1 2 3 4 5 6 7 4. (多选)若函数f(x)的定义域为D,如果对D中的任意一个x,都有 f(x)>0,-x∈D,且f(-x)f(x)=1,则称函数f(x)为 “类奇函数”.若某函数g(x)是“类奇函数”,则下列命题中正确的 是(  ) A. 若0在g(x)定义域中,则g(0)=1 B. 若g(x)max=g(4)=4,则g(x)min=g(-4)= C. 若g(x)在(0,+∞)上单调递增,则g(x)在(-∞,0)上单调 递减 D. 若g(x)的定义域为R,且函数h(x)也是定义域为R的“类奇函 数”,则函数G(x)=g(x)h(x)也是“类奇函数” √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 解析: 对于A,由函数g(x)是“类奇函数”,所以g(x)g (-x)=1,且g(x)>0,所以当x=0时,g(0)g(-0)=1, 即g(0)=1,故A正确;对于B,由g(x)g(-x)=1,即g(- x)= ,g(-x)随g(x)的增大而减小,若g(x)max=g (4)=4,则g(x)min=g(-4)= 成立,故B正确; 1 2 3 4 5 6 7 对于C,由g(x)在(0,+∞)上单调递增,所以g(-x)= 在x∈(0,+∞)上单调递减,设t=-x∈(-∞,0),所以g(t) 在t∈(-∞,0)上单调递增,即g(x)在x∈(-∞,0)上单调递 增,故C错误;对于D,由g(x)g(-x)=1,h(x)h(-x)=1, 所以G(x)G(-x)=g(x)g(-x)h(x)h(-x)=1,所以函数G(x)=g(x)h(x)也是“类奇函数”,所以D正确.故选A、B、D. 1 2 3 4 5 6 7 5. 2023年11月19日,以“激发创新活力,提升发展质量”为主题的第二十 五届中国国际高新技术成果交易会(简称“高交会”)在深圳闭幕.作 为“中国科技第一展”的“高交会”今年已有25年历史,“高交会”是 展现高新技术发展新趋势、洞察市场新需求的重要“风向标”,一批新 技术、新产品集中亮相,彰显中国科创硬核实力.会展展出了国产全球 首架电动垂直起降载人飞碟(如图).观察它的外观造型,我们会被其 优美的曲线折服.现代产品外观特别讲究线条感,曲线更是让人称奇, 衡量曲线弯曲程度的重要指标是曲率,而曲线的曲率定义如下: 若f'(x)是f(x)的导数,f″(x)是f'(x)的导数,则曲线y=f (x)在点(x,f(x))处的曲率K= . 1 2 3 4 5 6 7 (1)若碟身是由曲线f(x)=ln x+x与g(x)= 旋转一周形成 的,试比较二者在点(1,1)处的曲率K1,K2的大小; 解:f'(x)= +1,f″(x)=- , 所以K1= = = , g'(x)= ,g″(x)=- , 所以K2= = = , 所以K1<K2. 1 2 3 4 5 6 7 (2)求正弦曲线h(x)= sin x(x∈R)曲率的最大值. 解:h'(x)= cos x,h″(x)=- sin x, 所以K= ,K2= = , 令t=2- sin 2x,则t∈[1,2],K2= . 设p(t)= ,则p'(t)= = . 1 2 3 4 5 6 7 显然当t∈[1,2]时,p'(t)<0,p(t)单调递减, 所以p(t)max=p(1)=1,K2的最大值为1, 所以正弦曲线h(x)= sin x(x∈R)曲率的最大值为1. 1 2 3 4 5 6 7 6. 已知y=f(x)与y=g(x)都是定义在(0,+∞)上的函数,若对 任意x1,x2∈(0,+∞),x1<x2,都有g(x1)≤ ≤g (x2),则称y=g(x)是y=f(x)的一个“控制函数”. (1)判断函数y=4x是否为函数y=2x2(x>0)的一个控制函数,说 明理由; 解:对任意0<x1<x2,有 = =2 (x1+x2),且4x1<2(x1+x2)<4x2, ∴函数y=4x是函数y=2x2(x>0)的一个控制函数. 1 2 3 4 5 6 7 (2)设f(x)=ln x的导数为f'(x),0<a<b,求证:关于x的方 程 =f'(x)在区间(a,b)上有实数解; 解:证明:∵0<a<b,∴ = = , ∴ - = - , - = - . 设y=ln x-x+1,x>0,当x>1时,y'= -1<0,当0<x<1 时,y'= -1>0, 1 2 3 4 5 6 7 则y=ln x-x+1在(1,+∞)上单调递减,在(0,1)上单调 递增,ymax=ln 1-1+1=0. ∵0<a<b,∴ >1,0< <1,∴ln - +1<0,ln - +1<0, 则ln - <0,∵b-a>0,∴ - <0,即 < . 1 2 3 4 5 6 7 同理,ln - <0,∵a-b<0,∴ - >0,即 > . 综上, < < ,f'(x)= 在区间(a,b)上的 值域为( , ), 则 =f'(x)在区间(a,b)上有实数解. 1 2 3 4 5 6 7 (3)设f(x)=xln x,函数y=f(x)是否存在控制函数?若存在, 求出y=f(x)的一个控制函数;若不存在,说明理由. 解:f(x)=xln x时,类比(2)可证明对任意x1,x2∈ (0,+∞),存在c∈(x1,x2)使得f'(c)= , 又f'(x)=1+ln x单调递增,所以f'(x1)<f'(c)<f'(x2), 即对任意x1,x2∈(0,+∞), f'(x1)< <f'(x2). 故f'(x)=1+ln x是y=f(x)的一个控制函数. 1 2 3 4 5 6 7 7. 已知非空集合A是由一些函数组成的,且满足如下性质:①对任意f (x)∈A,f(x)均存在反函数f-1(x),且f-1(x)∈A;②对任 意f(x)∈A,方程f(x)=x均有解;③对任意f(x)∈A,g (x)∈A,若函数g(x)为定义在R上的一次函数,则f(g(x)) ∈A. (1)若f(x)=( )x,g(x)=2x-3,且f(x)∈A,g(x) ∈A,证明:函数h(x)=lo (2x-3)∈A; 1 2 3 4 5 6 7 解:证明:由f(x)=( )x∈A,根据性质①可得f-1 (x)=lo x∈A, 又g(x)=2x-3∈A,且g(x)为定义在R上的一次函数,根 据性质③可得h(x)=lo (2x-3)=f-1(g(x))∈A, 问题得证. 1 2 3 4 5 6 7 (2)若函数f(x)= (x≥1)在集合A内,求实数a的取值范 围; 解:由性质②可知,令 =x(x≥1),化简整理得a=x, 则a=x在x∈[1,+∞)上有解,所以a≥1. f(x)= = =x+1+ -2(x∈[1,+∞)). 当 >2,即a>3时,f(x)在[1,+∞)上先单调递减, 再单调递增, 1 2 3 4 5 6 7 此时f(x)没有反函数,不满足性质①. 当 ≤2,即1≤a≤3时,f(x)在[1,+∞)上单调递 增,此时f(x)有反函数,满足性质①. 显然f(x)满足性质②. 综上,a∈[1,3]. 1 2 3 4 5 6 7 (3)若集合A中的函数均为定义在R上的一次函数,证明:存在一个实 数x0,使得对任意f(x)∈A,均有f(x0)=x0. 1 2 3 4 5 6 7 证明:任取f1(x)=ax+b,f2(x)=cx+d∈A, ac≠0,不妨设a,c≠1, 由性质③得函数p(x)=f1(f2(x))=acx+(ad+b) ∈A,q(x)=f2(f1(x))=acx+(bc+d)∈A, 由性质①得q-1(x)= ∈A, 由性质③得q-1(p(x))= =x+ ∈A, 1 2 3 4 5 6 7 由性质②得方程x+ =x有解,所以ad+b= bc+d,即 = . 由f1(x)=x,可得ax+b=x,则x= , 由f2(x)=x,可得cx+d=x,则x= . 当f(x)=x时,对任意的x∈R,均有f(x)=x. 由此可知,对于任意两个函数f1(x),f2(x)∈A,存在相同 的x0满足f1(x0)=x0=f2(x0), 所以存在一个实数x0,使得对任意f(x)∈A,均有f(x0)=x0. 1 2 3 4 5 6 7 $

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