内容正文:
专题03 导数应用问题七大题型
题型一:利用导数研究不等式恒(能)成立问题(重难点)
题型二:利用导数研究函数零点(方程根)(重难点)
题型三:利用导数证明不等式(重难点)
题型四:极值点偏移(重难点)
题型五:隐零点(重难点)
题型六:导数在实际问题中的应用
题型七:导数新定义
题型一:利用导数研究不等式恒(能)成立问题
1.已知函数.
(1)当时,求函数在区间上的最小值;
(2)若对任意的,都有恒成立,求实数的取值范围.
【答案】(1)0
(2)
【分析】(1)结合导数研究的单调区间即可求出最小值;
(2)将问题转化为当时,不等式等价于,令,结合导数求出在上的最小值即可求解.
【详解】(1)当时,,
则令
.当时,,,故(等号不恒成立),所以在上单调递增.
又,所以当时,,故在上单调递增.
所以
(2)由题可得:,
则,,
由于,则,
所以,
当时,,
则在上单调递增,
所以,满足条件;
当时,令,
则,
由于,则,所以,
所以在上单调递增,即在上单调递增,
所以,
若,即时,则,
所以在上单调递增,
所以,满足条件;
若时,即时,由于当时,,,
所以存在唯一使得,
当时,,单调递减;
当时,,单调递增;
所以,不满足题意;
综上,实数的取值范围是.
2.已知函数,且曲线在点处的切线斜率为1.
(1)求的表达式;
(2)若恒成立,求a的值.
【答案】(1)
(2)
【分析】(1)对函数求导,根据切线斜率值求出参数,进而得到函数的表达式.
(2)构造新函数,求导判断单调性,根据不等式恒成立求出结果即可.
【详解】(1)由,得,
则切线的斜率,所以.
(2)令.
因为恒成立,所以,在上恒成立,
因为,又的图象在定义域上是连续不间断的,所以是的一个极大值点,则,
又,所以,得,
下证当时,对任意恒成立,
令,则,
所以在区间上单调递增,在区间上单调递减,所以,即,
而,所以当时.
综上,若恒成立,则.
3.设函数,为的导数.
(1)讨论函数的最值;
(2)若为整数,,且,不等式恒成立,求的最大值.
【答案】(1)答案见解析;
(2).
【分析】(1)先求出,再对进行分类讨论得出的单调性,得出的极值情况,进而求得最值的情况;
(2)先将不等式转化为恒成立,再令,由求出的最小值,即可得出的最大值.
【详解】(1)由题意可得的定义域为,
,
当时,恒成立,
在上单调递减,无极值,
当时,令,即,解得,
当时,,单调递减,
当时,,单调递增,
在处取得极大值,也是最大值,
且最大值为,无最小值.
综上所述,
当时,无最值,
当时,的最大值为,无最小值.
(2)当时,,代入,得,
因为,所以,所以,即
令,则,
整理:所以
由(1)知,当时,在上单调递减,
故函数在上单调递增,
又因为,,
所以在上存在唯一零点,且,
故在上也存在唯一零点且为,
当时,,单调递减;
当时,,单调递增,
所以在上,,
且,代入,得:
,
因为,所以,
因为且为整数,
所以的最大值为2.
4.设函数.
(1)讨论的单调性;
(2)若对任意,恒成立,求的取值范围;
【答案】(1)答案见解析
(2)
【分析】(1)求导后分、及讨论即可得;
(2)由题意可得,构造函数后利用导数研究函数单调性,则可得该函数最小值,即可得解;
【详解】(1),令,解得或,
若,则,则在上单调递增;
若,则当时,,在上单调递增;
当时,,在上单调递减;
当时,,在上单调递增;
若,则当时,,在上单调递增;
当时,,在上单调递减;
当时,,在上单调递增.
(2)当时,由,得,即,
令,则,
令,则,故在上单调递增,
又,
则当时,,即,则在上单调递减;
当时,,即,则在上单调递增;
所以,
所以,即的取值范围为.
5.已知函数,.
(1)若,求曲线在处的切线方程;
(2)若为函数的导函数,讨论函数的极值;
(3)若,证明:在上恒成立.
【答案】(1)
(2)当时,函数在上无极值;
当时,函数在处取得极小值,无极大值.
(3)证明见解析
【分析】(1)对函数求导,求出曲线在切点处的切线斜率及切点坐标,代入直线方程求解.
(2)求出函数的导函数,明确函数的定义域,对导函数再次求导,利用倒数的符号变化判断单调性,进而确定极值.
(3)将不等式恒成立问题转化为函数最值问题,通过构造函数、研究单调性和最值来证明.
【详解】(1)当时,,,
所以,
所以,又,
则曲线在处的切线方程为,即.
(2)因为,,
所以,,
令,,
则,.
当时,,函数在上单调递增,
此时函数在上无极值;
当时,令,解得,
当时,,此时函数在上单调递减;
当时,,此时函数在上单调递增,
所以当时,函数取得极小值,无极大值.
综上,当时,函数在上无极值;
当时,函数在处取得极小值,无极大值.
(3)不等式可化为,
即,
令,.
则,,
由(2)可知,时,函数在上单调递减,
在上单调递增,在处取得最小值,
因为,所以在上单调递减,在上单调递增,
所以,
所以函数在上单调递增.
所以.
即当时,在上恒成立.
6.已知函数.
(1)讨论的单调性;
(2)若对于任意的,恒成立,求的最大值;
【答案】(1)答案见解析
(2)
【分析】(1)通过对参数分类讨论,利用导数判断单调性;
(2)换元与构造辅助函数,转化为恒成立条件下的最值问题,借助导数分析最值位置并建立不等式;
【详解】(1),
当时,,在上单调递减,
当时,令,
当时,,故函数在区间单调递减;
当时,,故函数在区间上单调递增;
(2)对恒成立,
当时,时,左边与条件矛盾,舍去,∴,
令,即对恒成立,
令,
当时,,时,,
所以在上单调递减;单调递增,
故只需.
7.已知函数.
(1)讨论的单调性;
(2)若不等式在区间上有解,求实数a的取值范围.
【答案】(1)答案见解析;
(2).
【分析】(1)求出,分类讨论确定和的解得单调性;
(2)用分离参数法转化问题为不等式在区间上有解,引入函数,求出的最小值即可得.
【详解】(1)由题意知函数的定义域为,
而,
当时,恒成立,函数在上单调递增;
当时,由,得,
由,得,
所以在上单调递减,在上单调递增.
综上,当时,在上单调递增;
当时,在上单调递减,在上单调递增.
(2)因为不等式在区间上有解,
所以在区间上有解,此时,
即在区间上有解,
令,则.
令,则,
所以函数在上单调递增,所以.
当时;当时,
所以在上单调递减,在上单调递增,
所以,所以,
综上可知,实数a的取值范围是.
8.已知函数,若在处取得极值10,.
(1)求的值;
(2)方程在有解,求实数的范围.
【答案】(1)
(2)
【分析】(1)求得,根据题意,列出方程组,求得的值,结合极值定义,进行验证,即可求解;
(2)由(1)得到,且,利用导数求得函数的单调性与最值,得出的值域,即可求解.
【详解】(1)解:由函数,可得,
因为在处取得极值10,所以,
解得或,
当时,,
当时,;当时,,
所以在上单调递减,在上单调递增,
所以在处取得极小值,符合题意;
当时,,
所以在上单调递增,此时无极值,不符合题意,
所以.
(2)由(1)知,且,
当时,;当时,,
所以在上单调递减,在上单调递增,
所以,当时,函数取得最小值,最小值为,
又由,所以函数在上的值域为,
要使得方程在有解,则.
9.已知函数(为常数)
(1)讨论函数的单调性;
(2)不等式在上有解,求实数的取值范围.
【答案】(1)当时,在上单调递增,当时,在上单调递增,在上单调递减
(2)
【分析】(1)根据导函数的解析式,对参数分类讨论结合导函数的符号即可求解;
(2)根据不等式的有解性问题,分离参数、构造新函数求出新函数的最值即可秋求解.
【详解】(1)的定义域为,
,
当时,,,所以在上单调递增,
当时,令,解得,
若,则,所以在上单调递增,
若,则,所以在上单调递减,
综上,当时,在上单调递增,
当时,在上单调递增,在上单调递减
(2)在上有解,
在上有解,
在上有解,
令,则,
当时,,单调递增,
当时,,单调递减,
且,
所以,所以,
故实数的取值范围是.
题型二:利用导数研究函数零点(方程根)
10.已知函数.
(1)若直线:是曲线的一条切线,求的值;
(2)若函数有三个零点,设为,,且.
(i)求实数的取值范围;
【答案】(1)
(2)(i);
【分析】(1)设直线与曲线相切于点,利用函数在处的导数为直线的斜率,列出方程组求解即可;
(2)
(i)根据题意进行参变分离得到,然后构造函数,结合函数的单调性和图象的变化趋势即可解得;
【详解】(1)依题意,,设直线:与曲线相切于点,
则,解得,;所以的值为;
(2)(i)令,则;
设,则,
由,得或;由,得;
所以在区间和上单调递减,在区间上单调递增,
所以当时,取得极小值;当时,取得极大值;
又当时,;当时,且,大致图象如图;
若函数有三个零点,即函数与的图象有三个交点,
则,即实数的取值范围是;
11.已知函数有两个零点,.
(1)求a的取值范围;
(2)证明:.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【分析】(1)求导,根据导函数的符号来确定函数单调性(要根据导函数零点来分类),即可求解;
(2)借助(1)的结论来证明,由单调性可知等价于,即.设,利用导数判断其单调性,即可证明.
【详解】(1)由,得.
若,则,只有一个零点.
若,则当时,;当时,.
所以在单调递减,在上单调递增.
当时,,故,又,
所以在上必存在一个零点;
当时,,则在上必存在一个零点;
故时,存在两个零点.
若,由得或.
若,则,故当时,,
因此在单调递增.在内至多有一个零点;
又当时,所以不存在两个零点.
若,则,故当时,;
当时,.
因此在单调递减,在和上均单调递增.
而,则,此时在内无零点,
而当时,,故上有一个零点;
又当时,,所以不存在两个零点.
综上,的取值范围为.
(2)不妨设,由(1)知,,
在单调递减,所以等价于,即.
由于,而,
所以.
设,则.
所以当时,,此时在上单调递减,
而,故当时,.
从而,故.
12.已知函数
(1)当时,解不等式:;
(2)当时,判断f(x)的零点个数并证明;
(3)若恒成立,求实数a的取值范围.
【答案】(1)不等式的解集为区间
(2)三个零点,证明见解析
(3).
【分析】(1)先求得的定义域为,并证得的图像关于中心对称,再确定当时的符号,进而根据对称性得的解集;
(2)先通过导数分析的单调性,并根据零点存在性定理确定在上有唯一零点,再根据的图像关于中心对称及,即可得到f(x)的零点个数;
(3)由题意,根据的图像关于中心对称知“恒成立”等价于“在上恒成立”.并分析得到,进而,再通过导数分析得到在上单调递增,从而即可得a的取值范围.
【详解】(1)由得,所以的定义域为,
又
,
所以函数的图像关于中心对称,所以.
因为,
当时,
,所以.
故当时,,
即不等式的解集为.
(2)当时,.
因为的图象关于中心对称,
所以只需考虑时,的零点个数.
,
当时,.
令
当时,,
所以在上单调递减.
因为,
所以存在唯一,使得.
所以当时,,即在上单调递增.
当时,,即在上单调递减.
所以在上没有零点,
又,
所以存在唯一实数使得,即在上有唯一零点,
由(1)知.
所以时,有三个零点:.
(3)由(1)知恒成立等价于在上恒成立,
,
若,
所以存在,使得对有,即在上单调递减.
所以,这与在上恒成立矛盾.
所以.
此时.
令,
所以
令
则,
所以在上单调递减,所以.
所以在上单调递增,所以.
所以在上恒成立,即恒成立.
综上所述,.
13.设函数,其中.
(1)讨论零点个数;
【答案】(1)答案见解析
【分析】(1)求导,分,和三种情况,结合零点存在性定理和函数单调性,判断出各种情况下的零点情况,得到答案;
【详解】(1)因为,其中,
所以,
当时,由,令,解得,
当时,,当时,,
则在上单调递减,在上单调递增,
而,故存在,使得,
又趋向于时,趋向于,故存在,使得,
故当时,零点个数为2;
当,,故有且仅有唯一零点;
当时,,令得或0,
当时,,故恒成立,在上单调递增,
而,,,
故存在,使得,
故当时,零点个数为1;当时,,
当时,,当时,,
则在上单调递增,在单调递减,
,,
,令,则,
令得或,令得,
故在上单调递增,在上单调递减,
故当时,,
故当时,,
令,得,
取,则,故,又,
故存在,使得,
故时,零点个数为1;当时,,
所以时,,时,,
则在上单调递增,在单调递减;
而,,,
同理可得,故存在唯一的零点,使得,
故当时,零点个数为1;
故当时,零点个数为1;
综上,时,零点个数为1;当时,零点个数为2;
14.已知函数.
(1)若,证明:当时,;
(2)设有两个零点,且.
①当时,求的取值范围;
【答案】(1)证明见解析
(2)①②证明见解析
【分析】(1)用作差法构造新函数,然后求导判断单调性,确定最大值,进而可证之;
(2)
①先列出的表达式,构造新函数,求导判断单调性,确定零点范围,令,然后构造新函数,求导判断单调性,进而求出的范围和的范围
【详解】(1)若,则函数,
所以,
令,对函数求导得
,令,
则,所以在上单调递减,
所以,所以在上单调递减,
所以,所以,即.
(2)因为,所以,
则的零点问题转化为与的图象交点问题,对求导得.
当时,;当时,,
所以在上单调递减,在上单调递增,
所以,;,
所以当时,有两个零点.
①,化简得.
令,所以,所以,即.
因为,所以,求导得
,令,
求导得,所以在上单调递减,所以.
所以,又,所以.
故在上单调递减,所以,即.
又因在上单调递减,,
所以.
题型三:利用导数证明不等式
15.已知函数,其中.
(1)讨论函数的奇偶性;
(2)当时,证明函数在上是严格增函数,并解不等式.
【答案】(1)答案见解析
(2)证明见解析,.
【分析】(1)根据函数的奇偶性的定义进行讨论即可.
(2)对函数求导判断导数符号即可证明;根据函数的单调性和奇偶性,不等式等价于,进而可求得解集.
【详解】(1)因为,而.
函数的定义域为.
当时,,此时函数为偶函数;
当时,,此时函数为奇函数;
当时,函数为非奇非偶函数;
(2)因为时,函数,求导得.
当时,,所以,所以(当且仅当时取等号).
所以函数在上是严格增函数.
由(1)知为偶函数,而在上是严格增函数.
所以根据函数的单调性和奇偶性,不等式等价于.
两边平方得,化简得,
解得或.
所以不等式的解集为.
16.已知函数,.
(1)当时,求曲线在处的切线方程;
(2)当时,证明:;
(3)当时,证明:.
【答案】(1)
(2)证明见解析
(3)证明见解析
【分析】(1)求导数得切线斜率,点斜式可求切线方程;
(2)移项构造新函数,求导判断单调性可求最值,进而可证不等式;
(3)移项作差,构造新函数,利用导数判断单调性,求出最值可证结论.
【详解】(1)依题意,,则,
而,
故,
故所求切线方程为.
(2)证明:要证,即证,
设,则,
令,则,
因为,所以,因此单调递减,
又,所以在区间上单调递增,在区间上单调递减,
故,
即,即得证.
(3)证明:依题意,,即,
即,即.
令,则,
当时,,单调递增;当时,,单调递减,
所以,故,
令,则,
令,则,
令,解得,,
所以当和时,,则单调递增,当时,,则单调递减,
且,,
因此当时,,单调递减,当时,,单调递增,
所以,即;
故当时,,即得证.
17.已知函数.
(1)当时,求曲线在点处的切线方程;
(2)若,且在上单调递增,求的取值范围;
(3)证明:当时,.
【答案】(1)
(2)
(3)证明见解析
【分析】(1)由导数的几何意义即可求解;
(2)先确定是上的增函数,再由在上恒成立,得到,即可求解;
(3)由,根据主元法,构造函数,确定其在上单调递增,进而转化成恒成立,进而可求证.
【详解】(1)当时,,则,
,则,
故曲线在点处的切线方程为,即.
(2)依题可知,在上恒成立.
令,则,
因为,所以,
所以恒成立,
所以是上的增函数.
因为在上单调递增,
所以在上恒成立,
只需,
又,故.
(3)令,该二次函数的图象的对称轴为直线,
令,则,
令,则,,则,
所以在上单调递增,在上单调递减,
所以,所以在上单调递增.
问题可转化为证明,即证,
即证.
令,则,
令,
则,
所以在上单调递减,且,
所以当时,,当时,,
所以函数在上单调递增,在上单调递减,
所以,即,证毕.
18.(1)已知函数,求在上的单调区间;
(2)若,证明:.
【答案】(1)递增区间为,无递减区间;(2)证明见解析
【分析】(1)求导,再根据导数的符号即可得解;
(2)由,得,则要证,只需证明,令,构造函数,求出函数的最小值即可得证.
【详解】(1),
求导得,
由,得,
令函数,则,
函数在上单调递增,
则当时,,即,
因此函数在上单调递增,
所以函数在上的递增区间为,无递减区间;
(2)由,得,
则要证,只需证明,
令,即证,
令,求导得,
因为函数在上都是增函数,
所以函数在上单调递增,
又,
则当时,;当时,,
函数在上单调递减,在上单调递增,,
则,
所以当时,.
19.已知函数,其中,.当,时,证明:.
【答案】证明见解析
【分析】根据条件,将问题转化成证明,构造函数,,利用导数与函数单调性间的关系,求出的最小值,的最大值,即可求解.
【详解】由题知,要证明,即证明,且,即证明,
令,则,
当时,,当时,,
即在区间上单调递减,在区间上单调递增,
所以,当且仅当时取等号,
令,则,
当时,,当时,,
即在区间上单调递增,在区间上单调递减,
所以,当且仅当时取等号,
则成立,所以命题得证.
20.当时,证明:.
【答案】证明见解析
【分析】分与讨论,构造函数、、、,利用导数讨论单调性,从而对原不等式进行放缩即可得.
【详解】,
故要证,只需证,
令,则恒成立,
故在上单调递增,则,
又,
故时,;
令,则,
令,则,
故在上单调递增,故,
故在上单调递增,则,
则当时,,从而只需证,
且有,从而只需证,
即只需证,令,则,
令,则在时恒成立,
故在上单调递增,则,
故在上单调递增,故,
即当时,,即有,
故时,;
综上所述,原不等式得证.
题型四:极值点偏移(重难点)
21.已知函数
(1)令对恒成立,求的最大值.
(2)若有两个零点,求的范围,并证明:
【答案】(1)1
(2),证明见解析
【分析】(1)求导,因式分解,即可分离参数,构造函数,,由导数求解函数的最值即可得解,
(2)对讨论,结合函数的单调性可得的范围,构造函数,有导数求解函数的单调性,即可求证.
【详解】(1)由可得,
故由可得对恒成立,
故对恒成立,
由于得,故对恒成立,
进一步可得对恒成立,
记,,则,
当在单调递增,当在单调递减,
故,
,故,
因此,即,故的最大值为1,
(2)由于,
由于,
当时,则,此时,在定义域内单调递减,此时不满足有两个零点,
当时,令,则此时在单调递减,,则此时在单调递增,
且当,
要使有两个零点,则,则
记,由于均为内的单调递增函数,因此函数在单调递增,由于,
因此时,,
故,
记函数,则
,
由于,,所以,
因此函数在单调递增,
故,
进而可得,即可
由于,则,
由于,所以,又,在单调递减,
故,
即
22.已知函数,
(1)当时,求在处的切线方程;
(2)若时,恒成立,求的范围;
(3)若在内有两个不同零点、,求证:.
【答案】(1)
(2)
(3)证明见解析
【分析】(1)当时,求出、的值,利用导数的几何意义可得出所求切线的方程;
(2)由已知不等式结合参变量分离法可得,利用导数求出函数在上的最大值,即可求出实数的取值范围;
(3)分析可知,要证所证不等式成立,即证且,要证,即证,利用诱导公式结合指数函数的单调性即可证明;要证,即证,构造函数,只需证,利用导数分析函数的单调性,即可证得结论成立.
【详解】(1)当时,,则,
所以,,.
故切线方程为,即,
(2)因为在上恒成立,
进而,即.
令,其中,则,
当时,,则,此时,函数单调递增,
当时,,则,此时,函数单调递减,
当时,,因为,因此,
所以,,故,
因此,实数的取值范围是.
(3)因为函数在内有两个不同零点、,
则方程在内有两个根、,即,
由(2)知,当时,函数在单调递增,单调递减.
故,欲证,即证,
由于且函数在单调递减.所以只需证明,
即证,欲证,即证,即,
即证,即证,而该式显然成立,
欲证,即证,且,即证,
即证,即证,即证,
令,只需证,
,
令,
所以,即函数在上单调递增,所以,,故原不等式得证.
【点睛】结论点睛:利用参变量分离法求解函数不等式恒(能)成立,可根据以下原则进行求解:
(1),;
(2),;
(3),;
(4),.
23.设.
(1)若,求函数的图象在处的切线方程;
(2)若在 上恒成立,求实数的取值范围;
(3)若函数存在两个极值点,求证:.
【答案】(1)
(2)
(3)证明见解析
【分析】(1)借助导数的几何意义计算即可得;
(2)借助导数研究及的单调性后,由函数的最小值可分及进行讨论,结合零点的存在性定理可得时不符合要求;
(3)结合极值点定义计算可得,结合函数单调性可得只需证,构造相应函数,结合导数证明其恒成立即可得.
【详解】(1)当时,,则,则,
又,则切线方程为,即;
(2),令,
则,当时,有,
故在上单调递增,即在上单调递增,
则,
当时,,则在上单调递增,
有,满足要求;
当时,则,又,
则必存在,使,即,
当时,,当时,,
即在上单调递减,在上单调递增,
则
,令,
则,
则在上单调递减,则,
即,故此时不符合题意,故舍去,
综上所述,;
(3)由(2)得,
则当时,,当时,,
故在上单调递减,在上单调递增,
又函数存在两个极值点,则,即,
则有,要证,即证,
又,,在上单调递增,
即只需证,又,
即只需证,
令
,,
则
,
即在上恒成立,即在上单调递减,
则,
即,即得证.
【点睛】关键点点睛:本题最后一问关键点在于得到、的范围,从而结合函数单调性,将证明转化为证明,从而可构造相应函数,利用导数研究其单调性.
24.已知函数.
(1)讨论函数的单调性;
(2)当时,若满足,求证:;
【答案】(1)答案见解析;
(2)证明见解析;
【分析】(1)对求导,分类讨论和,判断的正负即可得出答案;
(2)要证,只需证,令,对求导,结合基本不等式得出在上单调递增,即可得证;
【详解】(1)解:,
当时,在上单调递增,
当时,令,解得,
单调递减,
单调递增,
综上:当时,在上单调递增;
当时,在上单调递减,在上单调递增.
(2)证明:由题意,则.
要证,只需证,
而,且函数在上单调递减,
故只需证,
又,所以只需证,
即证,
令,
即
,
由均值不等式可得
(当且仅当,即时,等号成立).
所以函数在上单调递增.
由,可得,即,
所以,
又函数在上单调递减,
所以,即得证.
【点睛】方法点睛:利用导数证明不等式,常用方法有如下几种:
方法一:等价转化是证明不等式成立的常见方法,其中利用函数的对称性定义,构造对称差函数是解决极值点偏移问题的基本处理策略;
方法二:比值代换是一种将双变量问题化为单变量问题的有效途径,构造函数利用函数的单调性证明的不等式即可,例如对数平均不等式的证明;
方法三:利用不等式的性质对原不等式作等价转换后,利用导数证明相关的式子成立.
25.已知函数.
(1)若恒成立,求的取值范围;
(2)若有两个不同的零点,证明.
【答案】(1)
(2)证明见解析
【分析】(1)直接用导数求出的最大值即可;
(2)构造并证明时,并对该不等式代入特殊值即可得证.
【详解】(1)首先由可知的定义域是,从而.
故,从而当时,当时.
故在上递增,在上递减,所以具有最大值.
所以命题等价于,即.
所以的取值范围是.
(2)不妨设,由于在上递增,在上递减,故一定有.
在的范围内定义函数.
则,所以单调递增.
这表明时,即.
又因为,且和都大于,
故由在上的单调性知,即.
题型五:隐零点(重难点)
26.已知函数.
(1)若,求的极值;
(2)若对任意的恒成立,求的取值范围;
(3)若存在零点,求的取值范围.
【答案】(1)极大值为,无极小值.
(2)
(3).
【分析】(1)若,则,利用导数研究函数的单调性即可求解;
(2)若对任意的恒成立,即,只需,利用导数研究函数的单调性,求出该函数的最大值,即可求解;
(3)存在零点等价于与轴有交点,结合(2)知,当且仅当时等号成立,所以当时,,不符合题意;当时,利用零点存在定理即可判断.
【详解】(1)(1)若,则,所以,
令,解得,所以当时,,当时,,
所以在上单调递增,在上单调递减,
所以在处取得极大值,极大值为,无极小值.
(2)若对任意的恒成立,即,
令,所以,所以当时,,当时,,所以在上单调递增,在上单调递减,所以,所以,即的取值范围是.
(3)令,得,令,
令,所以,所以当时,,
当时,.
所以在上单调递增,在上单调递减,所以,
由(2)知,,即,所以,当且仅当时等号成立,
所以当时,,不符合题意;
当时,,
所以存在,使得,符合题意.
综上,的取值范围为.
27.设函数.
(1)若,证明:当时,;
(2)若,证明:;
【答案】(1)证明见解析
(2)证明见解析
【分析】(1)利用求导判断函数的单调性即可证明;
(2)证法一:通过求导推得在区间上单调递增,在区间上单调递减,化简计算得到,要证等价于证明,即证,由计算即得证得;证法二:由(1)可推出在区间上恒成立,又当时,,分析去掉等号即可得证;
【详解】(1)当时,,
则,
当时,,故,
所以在区间上单调递减,所以,即.
(2)证法一:当时,.
当时,,此时;
设,则,
当时,,当且仅当时取等号,
故在区间上单调递减,
又,因此存在唯一的,使得,
即,即,
且当时,,当时,,
故在区间上单调递增,在区间上单调递减.
由.
由且,得.
故,
要证等价于证明,即证.
因为,所以,不等式成立,
即得证.
解法二:由(1)知当时,,
当时,,所以,
所以在区间上恒成立,
所以当时,,
由于前面的等号在处取到,后面的等号在处取到,
所以,即.
28.已知函数.
(1)求函数的单调区间;
(2)求证:函数的图象在轴上方.
【答案】(1)单调递增区间,单调递减区间为;(2)证明见解析.
【分析】(1)由,求得,结合导数的正负,即可求得函数的单调区间;
(2)由函数,得到,根据零点的存在定理,得到在上存在一个,使得,进而利用函数的单调性和极值,证得,即可得到结论.
【详解】(1)由题意,函数,则
令,解得,
当时,,所以函数单调递增,
当时,,所以函数单调递减,
所以函数在区间单调递增,在区间单调递减.
(2)由题意,函数,则,
可得函数的递增,
因为,
所以在上存在一个,使得
即,
当时,,函数单调递减,
当时,,函数单调递增,
所以,
所以,
所以的图象在轴的上方.
【点睛】本题主要考查导数在函数中的综合应用,着重考查了转化与化归思想、分类讨论、及逻辑推理能力与计算能力,对于此类问题,通常要构造新函数,利用导数研究函数的单调性,求出最值,进而得出相应的含参不等式,从而求出参数的取值范围;也可分离变量,构造新函数,直接把问题转化为函数的最值问题.
29.已知函数,.
(1)讨论函数的单调性;
(2)若函数在区间有唯一零点,证明:.
【答案】(Ⅰ)见解析;(Ⅱ)见解析.
【详解】试题分析:(Ⅰ)求导得, 分, ,,三种情况讨论可得单调区间.
(Ⅱ)由(1)及可知:仅当极大值等于零,即且
所以,且,消去得,构造函数,证明单调且零点存在且唯一即可.
试题解析:(Ⅰ),,
令,,
若,即,则,
当时,,单调递增,
若,即,则,仅当时,等号成立,
当时,,单调递增.
若,即,则有两个零点,,
由,得,
当时,,,单调递增;
当时,,,单调递减;
当时,,,单调递增.
综上所述,
当时,在上单调递增;
当时,在和上单调递增,
在上单调递减.
(Ⅱ)由(1)及可知:仅当极大值等于零,即时,符合要求.
此时,就是函数在区间的唯一零点.
所以,从而有,
又因为,所以,
令,则,
设,则,
再由(1)知:,,单调递减,
又因为,,
所以,即
点晴:本题考查函数导数与单调性.确定零点的个数问题:可利用数形结合的办法判断交点个数,如果函数较为复杂,可结合导数知识确定极值点和单调区间从而确定其大致图象.方程的有解问题就是判断是否存在零点的问题,可参变分离,转化为求函数的值域问题处理. 恒成立问题以及可转化为恒成立问题的问题,往往可利用参变分离的方法,转化为求函数最值处理.也可构造新函数然后利用导数来求解.注意利用数形结合的数学思想方法.
30.已知函数.
(1)若,求在处的切线方程.
(2)讨论的单调性.
(3)求证:若,有且仅有一个零点.
【答案】(1);
(2)答案见解析;
(3)证明见解析.
【分析】(1)把代入,利用导数的几何意义求出切线方程.
(2)根据给定条件,按,,,分类,利用导数求出单调区间.
(3)利用(2)的结论,结合零点存在性定理推理证明即可.
【详解】(1)当时,,求导得,则,而,
所以函数的图象在处的切线方程为,即.
(2)函数的定义域为,
求导得,
①当时,由,得,由,得,
则函数在上单调递增,在上单调递减;
②当时,由,得,由,得,
则函数在上单调递增,在,上单调递减;
③当时,,函数在上单调递减;
④当时,由,得,由,得,
则函数在上单调递增,在,上单调递减,
所以当时,函数的递增区间为,递减区间为;
当时,函数的递增区间为,递减区间为,;
当时,函数的递减区间为;
当时,函数的递增区间为,递减区间为,.
(3)①当时,函数在上单调递减,而,,
因此存在唯一使,则有且仅有一个零点;
②当时,函数在处取得极小值,
令,求导得,当时,,当时,,
函数在上单调递减,在上单调递增,,即,
,当时,,则,
因此存在唯一使,则有且仅有一个零点;
③当时,函数在处取得极小值,,
同理存在唯一使,则有且仅有一个零点,
所以有且仅有一个零点.
31.已知函数.恒成立,求实数m的取值范围.
【答案】.
【分析】构造函数,根据题意,只需,求导判断函数的单调性,求出最小值,列出不等式求得实数m的取值范围.
【详解】令,,
则.
,,
令,,
因为时,,
当时,,,,
所以在上恒成立,
则为增函数,即为增函数,
①当,即时,,
所以在上为增函数,
,
即在上恒成立;
②当,即时,,
,使,
当为增函数;
当为减函数,
,与在上恒成立相矛盾,
不成立.
综上所述,实数m的取值范围是.
题型六:导数在实际问题中的应用
32.某企业生产某种电子产品的年固定成本为万元,且每生产一万件该电子产品需另投入生产成本万元,设该企业每年生产该电子产品万件并全部销售完,年销售收入(单位:万元).已知当时,该企业生产该电子产品年利润为万元.(年利润=年销售收入-年固定成本-年生产成本)
(1)求该企业生产该电子产品所获年利润(万元)关于年产量(万件)的函数解析式;
(2)求该企业生产该电子产品所获年利润最大时的年产量.
【答案】(1)答案见解析;
(2)10万件.
【分析】(1)根据年利润的计算公式,结合已知条件求出年利润关于年产量的函数解析式;
(2)分别讨论不同区间内函数的最大值,进而得出年利润最大时的年产量.
【详解】(1)由 题当时,该企业生产该电子产品年利润为万元,
所以,
解得,
所以当时,;
当时,,则;
综上,;
(2)当时,对求导,可得,
令,即,解得,
当时,,所以在上单调递增,
则当时,取得最大值,(万元);
当时,(万元),当且仅当,即时等号成立,
综上可得该企业生产该电子产品所获年利润最大时的年产量为10万件.
33.甲、乙两地相距千米,汽车从甲地匀速驶向乙地,速度不得超过千米/小时.已知汽车每小时的运输成本(以元为单位)由可变部分和固定部分组成:可变部分与速度(千米/小时)的立方成正比,比例系数为,固定部分为.
(1)把全部运输成本元表示为速度(千米/小时)的函数,并指出这个函数的定义域;
(2)为了使全部运输成本最小,汽车应以多大速度行驶?
【答案】(1),
(2)应该以千米/小时行驶
【分析】(1)求出每小时的运输成本以及全程行驶时间,相乘即可得出关于的函数关系式;
(2)利用导数可求出当取最小值时的值,即可得出结论.
【详解】(1)由题意得,每小时运输成本为,全程行驶时间为小时,
所以,.
(2),
当时,,
当时,,即在上单调递减,
当时,,即在上单调递增,
所以当时,最小.
综上:应该以千米/小时行驶.
34.如图所示的容器(不计厚度,长度单位:m)中间为圆柱形,左、右两端均为半球形,容器的容积为,假设该容器的建造费用仅与其表面积有关,已知圆柱形部分每平方米的建造费用为万元,半球形部分每平方米的建造费用为2万元.
(1)比较与的大小;
(2)(i)容器的总建造费用为万元,请把表示为的函数;(参考公式:)
(ii)求该容器的总建造费用最少时的值.
【答案】(1);
(2)(i),;(ii)答案见解析.
【分析】(1)由题设得,应用作差法比较大小;
(2)(i)由(1)及球体、圆柱的表面积求法,写出函数表达式,注意定义域;(ii)对函数求导,讨论、研究导数的区间符号,进而确定区间单调性,即可得.
【详解】(1)由题设,则,
所以,而,
所以,则,故;
(2)(i)由(1),,且,
所以,且;
(ii)由(i)得,,
令,
所以,可得,
当时,
若时,,则在上单调递减,
若时,,则在上单调递增,
此时时有;
当时,在上恒成立,即在上单调递减,此时时取;
综上,
时,该容器的总建造费用最少;
时,该容器的总建造费用最少.
35.某公园有一块如图所示的区域OACB,该场地由线段OA,OB,AC及曲线段BC围成.经测量,,米,曲线BC是以OB为对称轴的抛物线的一部分,点C到OA和OB的距离都是50米.现拟在该区域建设一个矩形游乐场OEDF,其中点D在线段AC或曲线段BC上,点E,F分别在线段OA,OB上,且该游乐场最短边长不低于30米.设米,游乐场的面积为S平方米.
(1)试建立平面直角坐标系,求曲线段BC的方程;
(2)求面积S关于x的函数解析式;
(3)试确定点D的位置,使得游乐场的面积S最大.(结果精确到0.1米)
【答案】(1)
(2)
(3)当点D在曲线段BC上且其到OA的距离约为66.7米时,游乐场的面积S最大
【分析】(1)以O为坐标原点,OA、OB所在直线分别为x轴、y轴,然后根据题意求解析式即可;
(2)分别求出D在不同线段的解析式,然后计算面积;
(3)在不同情况计算最大值,然后比较两个最大值就可以得到面积最大值,然后确定点D的位置.
【详解】(1)以O为坐标原点,OA、OB所在直线分别为x轴、y轴,建立平面直角坐标系.如图所示,则,,.
设曲线段BC所在抛物线的方程为.
由题意可知,点和在此抛物线上,
故,
所以曲线段BC的方程为:
(2)由题意,线段AC的方程为.
当点D在曲线段BC上时,.
当点D在线段AC上时,.
所以
(3)当时,,令,得,(舍去).
当时,;当时,.
因此当时,是极大值,也是最大值
当时,
当时,是最大值
因为
所以当时,S取得最大值,此时
所以当点D在曲线段BC上且其到OA的距离约为66.7米时,游乐场的面积S最大
题型七:导数新定义
36.已知函数定义域为,对于实数,定义集合,.
(1)若,求和;
(2)给定实数,若满足对任意,均有,求的取值范围;
(3)若集合满足:,则称和互为对称集.证明:“函数为偶函数”的充要条件是“对任意实数与互为对称集”.
【答案】(1),或
(2)
(3)证明见解析
【分析】(1)根据题设定义求解即可;
(2)根据题设定义得到对于任意,都有,分析函数的单调性,结合图象求解即可;
(3)根据偶函数的定义和对称集的定义即可证明必要性和充分性.
【详解】(1)由在上单调递减,在上单调递增,
则时,,即,
而或.
(2)因为对于任意,均有,
若,则,即若,则,所以,
由,则,
令,得,令,得或,
所以函数在上单调递减,在和上单调递增,
又,
作出函数的图象,
由于对于任意,都有,则或,
所以的取值范围为.
(3)若函数是偶函数,
则对任意,,
对任意,若,即且,
则,
由,得,而,则;
若,则且,
则,
由,得,而,则,
所以对任意实数与互为对称集,充分性成立;
若对任意实数与互为对称集,则,
而,,
由,等价于,
对任意,,则,则,
对任意,,则,则,
所以,则函数是偶函数,必要性成立.
综上所述,“函数为偶函数”的充要条件是“对任意实数与互为对称集”.
37.设函数的定义域为,导函数为,对于实数,若存在,使得成立,则称函数具有性质.
(1)若函数,请判断该函数是否具有性质,并说明理由;
(2)设,若函数具有性质,且的值恰有三个,求的取值范围;
(3)若函数,求证:该函数具有性质的充要条件是
【答案】(1)函数具有性质,理由见解析
(2)
(3)证明见解析
【分析】(1)求导,将问题转化为函数的零点问题,进而结合单调性与零点存在性定理求解即可;
(2)根据函数定义,将问题转化为存在实数,使得有三个实数根问题,再构造函数求解即可.
(3)由题将问题转化为存在实数根的充要条件为充分性的证明方面,先验证当时,函数具有性质,再讨论当且时,结合函数隐零点得存在满足,即成立;再证必要性:先说明不成立,再研究的性质得函数在严格减函数,严格增函数,进而得得矛盾即可证明.
【详解】(1)解:由得,
设,
当时,,
又
则存在,使得,即
故函数具有性质
(2)解:由得,,
因为函数具有性质,
所以存在实数,使得,
即,即,
即存在实数,使得有三个实数根
设,则,
令,解得或,列表如下:
0
0
+
0
↘
极小值0
↗
极大值
↘
因为函数具有性质时,的值恰有三个,
所以满足条件的的取值范围是.
(3)证明:由得,,
由得,,
设,
先证充分性:当时,,
考虑函数,则,
当时,,当时,,当时,,
所以函数在上严格单调递减,在上严格单调递增,在时有极小值,
所以,当时,,函数具有性质,
当且时,,
且当时,,则,
则存在满足,即成立,
所以函数具有性质
再证必要性:即证函数具有性质,则
由得,
若,则,与已知矛盾;
若,设,则,即函数是严格减函数,
所以函数是严格增函数,
又,,
则存在使得,即,
当时,,即函数严格减函数,
当时,,即函数严格增函数,
所以,
需证,
令,则,在单调递增,
所以,
所以,
则不存在,使得成立,与具有性质矛盾;
综上,函数具有性质的充要条件为.
38.记,分别为函数和的导数,存在,满足且,则称为和的一个“点”.
(1)若函数与存在“点”,求实数的值;
(2)证明函数与不存在“点”;
(3)已知函数,,对任意的,判断是否存在,使得函数和在区间内存在“点”,请说明理由.
【答案】(1);
(2)证明见解析;
(3)存在,理由见解析.
【分析】(1)求导,设“点”为,解方程组,可得结论.
(2)假设存在“点”为,解方程组,应用等式无解可得结论;
(3)设“点”为,由,用表示出,由求得的范围,利用导数求得的范围即可求解.
【详解】(1)设 ,,则 ,,
由题意得: 需同时满足:,故,
所以,
得,所以 .
(2)由题意 需同时满足:,
令,
函数有,函数,有,
令,所以得,
因为,所以无解,
故函数与不存在“点”;
(3)对任意的,存在,使得函数和在区间内存在“点”.
设,,则,,
函数与在区间内存在“点”,
则 且需同时满足:,即,
得:且,
联立得:,
因为,
所以,
由 得: ,
又因为,所以,解得,
此时,当,所以,
当,设,,
故在为增函数,且,而时,,
故对于任意,总存在,使得,
令,
求导得,
,
故函数在 单调递增,故,
所以存在满足题意;
所以存在,使得函数和在区间内存在“点”.
39.已知函数,其导函数是.对于任意,记曲线在点处的切线方程为.定义集合.
(1)若,求集合;
(2)若定义域且函数是偶函数,证明:若则;
(3)设,若集合,求实数的取值范围.
【答案】(1)或
(2)证明见解析
(3)
【分析】(1)利用导数的几何意义,求得在处的切线方程,得到,由,得出,即可求解;
(2)求得点和处的切线方程,得到和,结合题意,化简得到,由,得到,转化为证明,即可得证;
(3)求得,得到的解集为,令,求得,分和,两种情况讨论,求得其单调性和极值,结合,即可求解.
【详解】(1)解:由函数,可得,
则且可得,
所以曲线在处的切线方程为,即,
又由,可得,解,
解得或,所以或.
(2)解:因为函数是偶函数,所以,且,
则在点处的切线方程为,即,
在点处的切线方程为,
即,
又因为且,所以,
因为,则,即,
要证明,即证明,
因为,
所以,即.
(3)解:由函数,可得,
当时,可得,
所以切线方程为,即,
因为集合,所以的解集为,
即的解集为,
令,则的解集为,且,
又由,
若,当时,,单调递减;
当时,,单调递增,
所以在处取得极小值,满足的解集为;
若,当时,,单调递增;
当时,,单调递减;
当时,,单调递增,
则当时,,则不满足的解集为,
综上可得,实数的取值范围为.
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专题03
导数应用问题七大题型
题型归纳
题型一:利用导数研究不等式恒(能)成立问题(重难点)
题型二:利用导数研究函数零点(方程根)(重难点)
题型三:利用导数证明不等式(重难点)
题型四:极值点偏移(重难点)
题型五:隐零点(重难点)
题型六:导数在实际问题中的应用
题型七:导数新定义
题型专练
题型一:利用导数研究不等式恒(能)成立问题
1.已知函数f(x=e-cosx-a.x.
(1)当a=1时,求函数f(x)在区间[0,+∞)上的最小值:
(2)若对任意的x≥0,都有fx)≥0恒成立,求实数a的取值范围.
2.己知函数f(x)=cosx+元ln(1+x),且曲线y=f(x)在点(0,f(0)处的切线斜率为1.
(1)求f(x)的表达式:
(2)若f(x)≤ax+1恒成立,求a的值.
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3.设函数fx)=mx-e+2,meR,f'x为f(x)的导数.
(1)讨论函数∫(x)的最值;
(2)若a为整数,m=1,且x∈(0,+o),不等式(x-af'(x<x+1恒成立,求a的最大值.
4.设函数f(x=x3-ax2.
(1)讨论f(x)的单调性:
(2)若对任意x∈0,+o),fx)≥lnx恒成立,求a的取值范围;
5.己知函数f(x)=(x+a)lnx,aeR·
(1)若a=2,求曲线y=f(x)在(1,f()处的切线方程;
(2)若f'(x)为函数f(x)的导函数,讨论函数f'(x)的极值;
(3)若a>1,证明:f(x)-2x>-2在(L,+∞)上恒成立.
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6.已知函数f(x=2e-xa≠0
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若对于任意的xeR,ef(x+a≥0恒成立,求a的最大值;
7.已知函数fx=x2-2alnx-2(aeR).
(1)讨论f(x)的单调性:
(2)若不等式fx)≤2(1nx)2+x2-2x在区间(1,+∞)上有解,求实数a的取值范围.
8.已知函数f(x)=x3+ax2+bx+a2(a,b∈R),若f(x)在x=1处取得极值10,·
(1)求a,b的值;
(2)方程f(x)=m在x∈[0,2]有解,求实数m的范围.
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9.已知函数f(x)=lnx+a(a为常数)
(1)讨论函数∫(x)的单调性:
2上有解,求实数a的取值范围。
1
(2)不等式f(x)≥1在x∈
题型二:利用导数研究函数零点(方程根
10.已知函数f(x=ae-(x-1)2.
(1)若直线1:4x-y+1=0是曲线f(x)的一条切线,求a的值;
(2)若函数f(x)有三个零点,设为X,2,x且x<x2<x
(i)求实数a的取值范围;
11.已知函数f(x)=(x-2)e+a(x-1)2有两个零点X1,x2:
(1)求a的取值范围:
(2)证明:x1+x2<2.
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12.已知函数f到=加2文+ain(:
(1)当a=-1时,解不等式:fx)>0;
(2)当a=1时,判断f(x)的零点个数并证明;
(3)若(x-1f(x)≥0恒成立,求实数a的取值范围.
1.设函数f)=a+D+r,其中aeR.
(1)讨论f(x)零点个数:
14.已知函数fx=xlnx-ax+l,aeR.
a若a=0,证明:当x>1时f八y<+:
(2)设f(x)有两个零点1,2,且x<x2
①当点>2时,求a的取值范围;
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题型三:利用导数证明不等式
5.已知函数f=e+号,其中aeR.
(1)讨论函数f(x)的奇偶性;
(2)当a=1时,证明函数f(x)在[0,+o)上是严格增函数,并解不等式f1-2x)>fx+2).
16.已知函数f(x)=ax+1-(ax+I)e,a∈R·
(1)当a=1时,求曲线y=f(x)在x=0处的切线方程:
(2)当a≥1时,证明:f(x)≥x;
(3)当a≤0时,证明:f(x)≤x(1-ax).
17.已知函数fx=a2e-3ax+2sinx,a≠0.
(1)当a=-1时,求曲线y=f(x)在点(0,∫(0)月处的切线方程:
(2)若a>√2,且f(x)在(0,+o)上单调递增,求a的取值范围;
(3)证明:当ae[l,+oo)时,f(x)≥1.
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8(①已知函数=e-x+e+号,求国在0a上的单区间:
(2)若k≥。,证明:ke2≥1+n2x
19.己知函数f(x=ae-m,其中a,meR.当a=4,m=2时,证明:f(x>x(1+lnx.
20.当20时,证明:e+与in2x≥2sinx+sm2x.
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题型四:极值点偏移(重难点)
21.己知函数f(x)=ae2r+(a-2)e-x
a冷到=了八,(到≤(e+》x对Yx[0恒成立,求的最大值
2)若f()有两个零点x,,求a的范围,并证明:x+,<21n」
22.已知函数f(x=e--sinr,
(1)当a=e时,求y=∫(x在(0,f(0)处的切线方程;
(2)若xe0,+0时,∫(x≥0恒成立,求a的范围;
)若f(到在(0,列内有两个不同零点x、名,求证:牙<5+<元。
23.f x)=(x+1 Inx-(x-1 In a(a>0).
(1)若a=1,求函数y=fx)的图象在x=1处的切线方程;
(2)若f(x)≥0在[1,+0)上恒成立,求实数a的取值范围;
3)若函数y=f(x存在两个极值点x(x,<x),求证:x+x2>2.
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24.已知函数fx)=e-ax-1.
(1)讨论函数f(x)的单调性:
(2)当a>0时,若满足fx)=fx2)(x1<x2),求证:x+x2<2lna;
25.己知函数f(x=ln(mx-x(m>0).
(1)若f(x≤0恒成立,求m的取值范围:
(2)若f(x)有两个不同的零点x,x2,证明x+x2>2.
题型五:隐零点(重难点)
26.已知函数fx=ae-lnx-cosx-1)(a20,gx=lnx-bx+1b∈R).
(1)若b=2,求gx的极值:
(2)若gx)≤0对任意的x(0,+0)恒成立,求b的取值范围;
(3)若f(x)存在零点,求a的取值范围.
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27.设函数f(x=asinx+xCOSX,x∈[0,π.
4)若a=-1,证明:当x∈0,]时,f(x≤0;
(2)若a=1,证明:f(x<2;
28.己知函数f(x)=lnx.
(1)求函数y=f(x)-x+1的单调区间;
(2)求证:函数g(x)=e-e2f(x)的图象在x轴上方.
29.已知函数fx)=ln(x+1)+a.xr2,a>0.
(1)讨论函数fx)的单调性;
(2)若函数f(x在区间(-1,0)有唯一零点x,证明:e2<x。+1<e.
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