内容正文:
第二章 导数及其应用
§6 用导数研究函数的性质
6.1 函数的单调性
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课前案·自主学习
01
02
CONTENTS
03
课堂案·互动探究
课后案·学业评价
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课前案·自主学习
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导学 导数的符号与函数的单调性之间的关系
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课堂案·互动探究
02
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课后案·学业评价
03
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第二章 导数及其应用
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学业标准
素养目标
1.理解导数的符号与函数的单调性的关系.(易混点)
2.掌握利用导数判断函数单调性的方法.
1.通过导数与函数单调性关系的学习,提升数学抽象、直观想象等核心素养.
2.借助导数研究函数的单调性,提升逻辑推理、数学运算等核心素养.
观察高台跳水运动员的高度h(单位:m)随时间t(单位:s)变化的函数h(t)=-4.9t2+6.5t+10的图象,及运动员的速度v随时间t变化的函数v(t)=h′(t)=-9.8t+6.5的图象,思考运动员从起跳到最高点,从最高点到入水的运动状态有什么区别.
[提示] (1)从起跳到最高点,h随t的增加而增加,即h(t)是增函数,h′(t)>0;
(2)从最高点到入水,h随t的增加而减小,即h(t)是减函数,h′(t)<0.
观察下面四个函数的图象,回答函数的单调性与其导函数的正负有何关系?
[提示] (1)在区间(-∞,+∞)上,y′=1>0,y是增函数;
(2)在区间(-∞,0)上,y′=2x<0,y是减函数;
在区间(0,+∞)上,y′=2x>0,y是增函数;
(3)在区间(-∞,+∞)上,y′=3x2≥0,y是增函数;
(4)在区间(-∞,0),(0,+∞)上,y′=- eq \f(1,x2)<0,y在每个区间上都是减函数.
在区间(a,b)上,如果f′(x)>0,则f(x)在该区间上是增函数,反过来也成立吗?
[提示] 不一定成立.例如f(x)=x3在R上为增函数,但f′(0)≥0,即f′(x)>0是f(x)在该区间上为增函数的充分不必要条件.
◎结论形成
1.导数的符号与函数的单调性之间的关系
(1)若在定义域的某个区间上,函数y=f(x)的导数f′(x)___0,则在这个______上,函数y=f(x)单调递___.
(2)若在定义域的某个区间上,函数y=f(x)的导数f′(x)___0,则在这个______上,函数y=f(x)单调递___.
2.函数单调递增(或递减)的充要条件
若在某个区间上,f′(x)≥0,且只在有限个点为0,则在这个区间上,函数y=f(x)单调递增;若在某个区间上,f′(x)≤0,且只在有限个点为0,则在这个区间上,函数y=f(x)单调递减.
[拓展]
1.充分不必要条件
f′(x)>0(或f′(x)<0)仅是函数f(x)在定义域内的某个区间上单调递增(或递减)的充分不必要条件.
2.函数图象的变化趋势与导数值大小的关系
一般地,设函数y=f(x)在区间(a,b)上可导,则
导数的绝对值
函数值变化
函数的图象
越大
越快
比较“陡峭”(向上或向下)
越小
越慢
比较“平缓”(向上或向下)
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)若函数f(x)在(a,b)上单调递增,则f(x)在(a,b)上各点处的切线的倾斜角都是锐角.( )
(2)若f(x)在(a,b)上单调递增,则在(a,b)上必有f′(x)>0.( )
(3)单调递增函数的导函数也是单调递增函数.( )
(4)函数f(x)在(a,b)上变化得越快,其导数就越大.( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)×
2.函数y=x3-3x的单调减区间是( )
A.(-∞,0)
B.(0,+∞)
C.(-1,1)
D.(-∞,-1),(1,+∞)
解析 y′=3x2-3,由y′=3x2-3<0得-1<x<1,所以函数y=x3-3x的单调减区间是(-1,1).
答案 C
3.已知函数y=f(x)的图象是下列四个图象之一,且其导函数y=f′(x)的图象如图所示,则该函数的图象是( )
解析 由导数的图象可得,导函数f′(x)的值在[-1,0]上逐渐增大,
故函数f(x)在[-1,0]上增长速度逐渐变大,故函数f(x)的图象是下凹型的.
导函数f′(x)的值在[0,1]上逐渐减小,
故函数f(x)在[0,1]上增长速度逐渐变小,图象是上凸型的.
答案 B
4.函数f(x)=(x-3)ex的单调递增区间是___________.
解析 f′(x)=(x-3)′ex+(x-3)(ex)′=(x-2)ex,令f′(x)>0,即(x-2)ex>0,解得x>2.
答案 (2,+∞)
题型一 利用导数求不含参数的函数单调区间 eq \a\vs4\al(一题多解)
[教材例1拓展]求下列函数的单调区间.
(1)f(x)=3x-x3;
(2)f(x)=3x2-2ln x.
[解析] (1)因为f′(x)=3-3x2
=-3(x+1)(x-1),
法一 当f′(x)>0,
即-1<x<1时,函数f(x)=3x-x3单调递增;
当f′(x)<0,
即x<-1或x>1时,函数f(x)=3x-x3单调递减.
所以函数f(x)=3x-x3的单调递增区间为(-1,1),单调递减区间为(-∞,-1)和(1,+∞).
法二 令f′(x)=0,得x=-1或x=1.
当x<-1时,f′(x)<0;当-1<x<1时,
f′(x)>0;
当x>1时,f′(x)<0.
所以函数f(x)=3x-x3的单调递增区间为(-1,1),单调递减区间为(-∞,-1)和(1,+∞).
(2)函数的定义域为(0,+∞).
因为f′(x)=6x- eq \f(2,x)
= eq \f(6\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2-\f(1,3))),x)= eq \f(6\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(\r(3),3)))\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(\r(3),3))),x),
又因为x>0,所以令f′(x)=0,得x= eq \f(\r(3),3).
当0<x< eq \f(\r(3),3)时,f′(x)<0;
当x> eq \f(\r(3),3)时,f′(x)>0.
所以函数f(x)=3x2-2ln x的单调递增区间为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),3),+∞)),单调递减区间为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(\r(3),3))).
求函数y=f(x)单调区间的步骤
(1)确定函数y=f(x)的定义域.
(2)求导数y′=f′(x).
(3)解不等式f′(x)>0,函数在解集所表示的定义域内为增函数.
(4)解不等式f′(x)<0,函数在解集所表示的定义域内为减函数.
[注意] 如果一个函数的单调区间不止一个,这些单调区间之间不能用“∪”连接,而只能用“逗号”或“和”字隔开.
[触类旁通]
1.(1)(多选题)下列函数中,既是奇函数又在区间(0,1)上单调递增的是( )
A.y=2x3+4x
B.y=x+sin (-x)
C.y=lg |x|
D.y=2x-2-x
(2)(2025·福州高二月考)已知函数f(x)=- eq \f(1,2)x2+3x-2ln x,则函数f(x)的单调递减区间为__________,单调递增区间为__________.
解析 (1)由奇函数的定义可知,A,B,D均为奇函数,C为偶函数,所以排除C;对于选项A,y′=6x2+4>0,所以y=2x3+4x在(0,1)上单调递增;对于选项B,y′=1-cos x≥0,且y′不恒为0,所以y=x+sin (-x)在(0,1)上单调递增;对于选项D,y′=2x ln 2+2-xln 2>0,所以y=2x-2-x在(0,1)上单调递增,故选ABD.
(2)定义域为(0,+∞),令f′(x)=-x+3- eq \f(2,x)<0.又x>0,解得x>2或0<x<1.所以函数f(x)的单调递减区间为(0,1),(2,+∞),单调递增区间为(1,2).
答案 (1)ABD (2)(0,1)和(2,+∞) (1,2)
题型二 导函数与原函数图象的关系 eq \a\vs4\al(一题多变)
(1)设函数f(x)在定义域上可导,y=f(x)的图象如图所示,则导函数y=f′(x)的图象可能为( )
(2)函数y=f(x)在定义域 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,2),3))内可导,其图象如图,记y=f(x)的导函数为y=f′(x),则不等式f′(x)<0的解集为___________.
[解析] (1)由函数的图象知:当x<0时,函数单调递增,导数的图象应始终在x轴上方;当x>0时,函数先增后减再增,导数值应先正后负再正,对应的图象先在x轴上方,然后又在x轴下方,再回到x轴上方.对照选项,只有D正确.
(2)函数y=f(x)在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,3),1))和区间(2,3)上单调递减,所以在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,3),1))和区间(2,3)上,y=f′(x)<0,所以f′(x)<0的解集为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,3),1))∪(2,3).
[答案] (1)D (2) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,3),1))∪(2,3)
[母题变式]
1.(变结论)若本例(2)中的条件不变,试求不等式f′(x)>0的解集.
解析 根据题目中的图象,函数y=f(x)在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,2),-\f(1,3)))和(1,2)上单调递增,所以在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,2),-\f(1,3)))和区间(1,2)上y=f′(x)>0,所以f′(x)>0的解集为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,2),-\f(1,3)))∪(1,2).
2.(变结论)若本例(2)中的条件不变,试求不等式xf′(x)>0 的解集.
解析 当x∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,3),0))时,函数为减函数,
则f′(x)<0,即xf′(x)>0;
当x∈(1,2)时,函数为增函数,
则f′(x)>0,即xf′(x)>0.
综上可知,xf′(x)>0的解集为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,3),0))∪(1,2).
[素养聚焦] 在函数图象与导函数图象关系的应用过程中,体现了直观想象、逻辑推理等核心素养.
函数与导函数图象间的关系
研究一个函数的图象与其导函数图象之间的关系时,注意抓住各自的关键要素,对于原函数,要注意其图象在哪个区间内单调递增,在哪个区间内单调递减;而对于导函数,则应注意其函数值在哪个区间内大于零,在哪个区间内小于零,并分析这些区间与原函数的单调区间是否一致.
[触类旁通]
2.已知y=xf′(x)的图象如图所示(其中f′(x)是函数f(x)的导函数),下面四个图象中,是y=f(x)的大致图象的是( )
解析 当0<x<1时,xf′(x)<0,
∴f′(x)<0,故f(x)在区间(0,1)上为减函数;
当x>1时,xf′(x)>0,∴f′(x)>0,
故y=f(x)在区间(1,+∞)上为增函数.故选C.
答案 C
题型三 含参数的函数单调性问题 eq \a\vs4\al(多维探究)
角度1 讨论含参数的函数单调性
(2025·四川广元市期末)已知函数f(x)= eq \f(1,2)x2+2a ln x.讨论f(x)的单调性.
[解析] 函数的定义域是(0,+∞),f′(x)=x+ eq \f(2a,x)= eq \f(x2+2a,x).
①当a≥0时,f′(x)= eq \f(x2+2a,x)>0,则f(x)在(0,+∞)上单调递增;
②当a<0时,令f′(x)= eq \f(x2+2a,x)=0,得x= eq \r(-2a).由二次函数性质可知,当x∈(0, eq \r(-2a))时,f′(x)<0,f(x)在(0, eq \r(-2a))上单调递减;当x∈[ eq \r(-2a),+∞)时,f′(x)≥0,f(x)在[ eq \r(-2a),+∞)上单调递增.
综上,当a≥0时,f(x)在(0,+∞)上单调递增;当a<0时,f(x)在(0, eq \r(-2a))上单调递减,在[ eq \r(-2a),+∞)上单调递增.
讨论含参函数的单调性的关键点
(1)涉及含参数的函数的单调性问题,一定要判断参数对导数f′(x)在某一区间内的正负是否有影响.若有影响,则必须分类讨论,讨论时要做到不重不漏,最后进行总结.
(2)求含参函数y=f(x)的单调区间,实质上就是解含参数的不等式f′(x)>0,f′(x)<0.高考热点是对函数求导后解含参数的一元二次不等式,一般按以下顺序分类讨论:①对二次项系数是否为0进行讨论;②对相应方程根的判别式Δ与0的关系进行讨论;③当Δ>0时,讨论两根的大小.
角度2 已知函数单调性求参数(范围)
(1)已知函数f(x)=2ax-x3,x∈(0,1),a>0,若f(x)在(0,1)上是增函数,则a的取值范围是_____________;
(2)(2025·德州高二检测)若函数f(x)=kx-ln x在区间(1,+∞)上不单调,则k的取值范围是______________.
[解析] (1)因为f′(x)=2a-3x2,
令f′(x)>0,由a>0,x>0可解得0<x< eq \r(\f(2a,3)),
所以f(x)的单调递增区间是 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0, \r(\f(2a,3)))).
又因为f(x)在(0,1)上是增函数,
所以(0,1)⊆ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0, \r(\f(2a,3)))).所以 eq \r(\f(2a,3))≥1,即a≥ eq \f(3,2).
所以a的取值范围为 eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),+∞)).
(2)由函数f(x)=kx-ln x,可得f′(x)=k- eq \f(1,x),因为函数f(x)=kx-ln x在区间(1,+∞)上不单调,
所以f′(x)=0在区间(1,+∞)有解,并且解的两侧,导数的符号相反.
令k- eq \f(1,x)=0,解得x= eq \f(1,k)>1,所以k∈(0,1).
而f(x)在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(1,k)))上单调递减,在区间 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,k),+∞))上单调递增,
所以k的取值范围是(0,1).
[答案] (1) eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),+∞)) (2)(0,1)
已知函数的单调性求参数取值范围的方法
(1)已知f(x)在区间(a,b)上的单调性,求参数范围的方法:①利用集合的包含关系处理f(x)在(a,b)上单调递增(减)的问题,则区间(a,b)是相应单调区间的子集;②利用不等式的恒成立处理f(x)在(a,b)上单调递增(减)的问题,则f′(x)≥0(f′(x)≤0)在(a,b)内恒成立.
(2)若函数y=f(x)在区间(a,b)上不单调,则转化为f′(x)=0在(a,b)上有解(需验证解的两侧导数是否异号).
[提醒] 利用不等式的恒成立处理f(x)在(a,b)上单调递增(减)的问题注意验证等号是否成立.
[触类旁通]
3.(1)(2025·四川达州高二月考)已知函数f(x)=- eq \f(1,3)x3+ eq \f(1,2)x2+2ax.
①若函数f(x)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),+∞))上存在单调递增区间,则实数a的取值范围是____________.
②若函数f(x)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),1))上单调递增,则实数a的取值范围是_____________.
(2)(2023·新课标Ⅰ卷节选)已知函数f(x)=a(ex+a)-x,讨论f(x)的单调性.
解析 (1)①f′(x)=-x2+x+2a,由于f(x)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),+∞))上存在单调递增区间,故∃x0∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),+∞)),使得f′(x0)>0,∴a> eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x2-x,2)))
eq \s\do7(min),由于y= eq \f(x2-x,2)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),+∞))上单调递增,且当x= eq \f(2,3)时, eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x2-x,2)))
eq \s\do7(min)=- eq \f(1,9),∴a>- eq \f(1,9),即实数a的取值范围是 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,9),+∞)).
②若函数f(x)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),1))上单调递增,则∀x∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),1)),f′(x)≥0恒成立,所以a≥ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x2-x,2)))
eq \s\do7(max),
由于y= eq \f(x2-x,2)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),+∞))上单调递增,
故y= eq \f(x2-x,2)在 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3),1))上单调递增,
当x=1时, eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x2-x,2)))
eq \s\do7(max)=0,∴a≥0,即实数a的取值范围是 eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,+∞)).
(2)因为f(x)=a(ex+a)-x,定义域为R,
所以f′(x)=aex-1,
当a≤0时,由于ex>0,则aex≤0,故f′(x)=aex-1<0恒成立,
所以f(x)在R上单调递减;
当a>0时,令f′(x)=aex-1=0,
解得x=-ln a,
当x<-ln a时,f′(x)<0,则f(x)在(-∞,-ln a)上单调递减;
当x>-ln a时,f′(x)>0,则f(x)在(-ln a,+∞)上单调递增.
综上,当a≤0时,f(x)在R上单调递减;
当a>0时,f(x)在(-∞,-ln a)上单调递减,f(x)在(-ln a,+∞)上单调递增.
答案 (1)① eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,9),+∞)) ②[0,+∞) (2)略
[缜密思维提能区] 易错案例
求函数的单调区间忽视定义域致误
[典例] 设函数f(x)=ax- eq \f(a,x)-2ln x,且f′(2)=0,求函数f(x)的单调区间.
[错解] 由f(x)=ax- eq \f(a,x)-2ln x得
f′(x)=a+ eq \f(a,x2)- eq \f(2,x).由f′(2)=0得a= eq \f(4,5),
即f′(x)= eq \f(2,5x2)(2x2-5x+2),
由f′(x)>0得x>2或x< eq \f(1,2),
由f′(x)<0得 eq \f(1,2)<x<2,
所以函数的单调递增区间为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,\f(1,2)))和(2,+∞),单调递减区间为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),2)).
[正解] 由已知得x>0,则函数f(x)的定义域为(0,+∞).
因为f′(x)=a+ eq \f(a,x2)- eq \f(2,x),
所以由f′(2)=a+ eq \f(a,4)-1=0,得a= eq \f(4,5).
即f′(x)= eq \f(4,5)+ eq \f(4,5x2)- eq \f(2,x)= eq \f(2,5x2)(2x2-5x+2).
令f′(x)>0,得0<x< eq \f(1,2)或x>2,
令f′(x)<0,得 eq \f(1,2)<x<2,
所以函数f(x)的单调递增区间为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,2)))和(2,+∞),单调递减区间为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),2)).
[纠错心得] 在利用导数判断函数的单调性和求函数的单调区间时,必须首先考虑函数的定义域,在定义域的范围内解决问题.
知识落实
技法强化
(1)函数的单调性与其导数的关系.
(2)利用导数判断函数的单调性.
(3)利用导数求函数的单调区间.
(4)由导数的信息画函数的大致图象.
对于含参数的函数的单调性,要清楚分类讨论的标准,做到不重不漏.
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