内容正文:
大二轮专题复习冲刺方案 数学
第3讲 利用导数研究函数的单调性、极值、最值
「考情研析」1.利用导数研究函数的单调性,求函数的极值、最值是高考导数解答题的基础题型. 2.知道函数的单调性、极值、最值的情况,求参数的值或范围也是常见题型.
考向1 利用导数研究函数的单调性
例1 (1)已知f(x)=sin2x+2cosx,求f(x)的单调递减区间.
解:因为f′(x)=2cos2x-2sinx=2(1-2sin2x)-2sinx=-2(2sin2x+sinx-1),
所以由f′(x)≤0,
得-2(2sin2x+sinx-1)≤0,
即-2(2sinx-1)(sinx+1)≤0,
由于-1≤sinx≤1,则sinx+1≥0,
只需sinx≥即可,
解得x∈,k∈Z,
故f(x)的单调递减区间为,k∈Z.
(2)(2025·广东湛江二模)已知函数f(x)=-x2+(a2+a)ln x+(1-a)x.若a≥-,讨论f(x)的单调性.
解:由f(x)=-x2+(a2+a)ln x+(1-a)x,x>0,
得f′(x)=-2x++1-a
=
=,
令(x+a)(2x-a-1)=0,
得x=-a或x=.
若a≥0,则-a≤0,>0,
当x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
若-<a<0,则>-a>0,当x∈(0,-a)或x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
当x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
若a=-,则=-a=,f′(x)≤0在(0,+∞)上恒成立,f(x)单调递减.
综上所述,当a≥0时,f(x)在上单调递增,在上单调递减;
当-<a<0时,f(x)在上单调递增,在(0,-a)和上单调递减;
当a=-时,f(x)在(0,+∞)上单调递减.
对于含参数的函数的单调性的讨论,常见的分类讨论点按讨论的先后顺序有以下三个:
分类讨论点一:求导后,考虑f′(x)=0是否有实根,从而引起分类讨论.
分类讨论点二:求导后,f′(x)=0有实根,但不清楚f′(x)=0的实根是否落在定义域内,从而引起分类讨论.
分类讨论点三:求导后,f′(x)=0有实根,f′(x)=0的实根也落在定义域内,但不清楚这些实根的大小关系,从而引起分类讨论.
1.(2025·河北保定一模)已知函数f(x)=ax2-(a+3)x+ln x.
(1)当a=2时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)讨论函数f(x)的单调性.
解:(1)当a=2时,f(x)=3x2-5x+ln x,求导得f′(x)=6x-5+,
则f′(1)=2,而f(1)=-2,
所以曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y+2=2(x-1),即2x-y-4=0.
(2)函数f(x)=ax2-(a+3)x+ln x的定义域为(0,+∞),
求导,得f′(x)=3ax-(a+3)+=,
当a≤0时,由f′(x)>0,得0<x<,
由f′(x)<0,得x>,
函数f(x)在上单调递增,在上单调递减;
当0<a<3时,由f′(x)>0,得0<x<或x>,
由f′(x)<0,得<x<,
函数f(x)在,上单调递增,在上单调递减;
当a=3时,f′(x)≥0,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;
当a>3时,由f′(x)>0,得0<x<或x>,由f′(x)<0,得<x<,
函数f(x)在,上单调递增,在上单调递减.
综上所述,当a≤0时,函数f(x)在上单调递增,在上单调递减;
当0<a<3时,函数f(x)在,上单调递增,在上单调递减;
当a=3时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;
当a>3时,函数f(x)在,上单调递增,在上单调递减.
2.(2025·吉林长春二模)已知函数f(x)=ax+-ln x.
(1)若斜率为3的直线与f(x)的图象相切,且与x轴的交点的横坐标为-1,求a的值;
(2)若f(x)是[1,e]上的单调函数,求a的取值范围.
解:(1)函数f(x)的定义域为(0,+∞).
∵f(x)=ax+-ln x,∴f′(x)=a--,
设切点的横坐标为x0,
则f(x0)=ax0+-ln x0,f′(x0)=a--=3,
∴ax0=3x0++1,切线方程为y-ax0-+ln x0=3(x-x0),
∵切线与x轴的交点的横坐标为-1,
∴-ax0-+ln x0=3(-1-x0),
∴--+ln x0=3(-1-x0),即ln x0-+2=0,
∵函数y=ln x,y=-在(0,+∞)上为增函数,
∴g(x)=ln x-+2在(0,+∞)上为增函数,
∵g(1)=ln 1-+2=0,
∴x0=1,代入ax0=3x0++1,得a=5.
(2)由(1),知f′(x)=a--,
当f(x)是[1,e]上的增函数时,f′(x)≥0在x∈[1,e]上恒成立,
∴a≥,x∈[1,e],令=t,
则t∈,
函数h(t)=t2+t图象的对称轴为直线t=-,h(t)在上单调递增,
∴h(t)max=h(1)=2,h(t)min=h=+,∴a≥2;
当f(x)是[1,e]上的减函数时,f′(x)≤0在x∈[1,e]上恒成立,
∴a≤,x∈[1,e],
由h(t)min=+,得a≤+.
综上所述,a的取值范围为∪[2,+∞).
考向2 利用导数研究函数的极值、最值
例2 (2025·河北石家庄一模)已知函数f(x)=2aln x+x2-(a+2)x,a>0.
(1)若a=1,求f(x)的单调区间;
(2)若g(x)=f(x)-x2+(a+1)x+,x1,x2为g(x)的两个不同的极值点,求g(x1)+g(x2)-4a的最小值.
解:(1)因为a=1,
所以f(x)=2ln x+x2-3x,
则f′(x)=+x-3=(x>0),
令f′(x)>0,得0<x<1或x>2,
令f′(x)<0,得1<x<2,
所以f(x)的单调递增区间为(0,1)和(2,+∞),单调递减区间为(1,2).
(2)由题意,知g(x)=-x+2aln x,
则g′(x)=--1+=,
因为x1,x2为g(x)的两个不同的极值点,
所以-x2+2ax-a=0有两个不等正根x1,x2,
所以解得a>1,
所以g(x1)+g(x2)-4a=-x1+2aln x1+-x2+2aln x2-4a=-(x1+x2)+2aln (x1x2)-4a=2aln a-4a,
令h(a)=2aln a-4a(a>1),
则h′(a)=2ln a-2,
所以当a∈(1,e)时,h′(a)<0,当a∈(e,+∞)时,h′(a)>0,
所以h(a)在(1,e)上单调递减,在(e,+∞)上单调递增,
所以h(a)min=h(e)=2e-4e=-2e,
即g(x1)+g(x2)-4a的最小值为-2e.
求函数f(x)在区间[a,b]上的最值的方法
1.设函数f(x)=ex(x-cosx).
(1)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)求f(x)在[0,π]上的最大值和最小值.
解:(1)因为f′(x)=ex(x-cosx)+ex(1+sinx)=ex(x-cosx+1+sinx),
所以f′(0)=0,
又f(0)=-1,所以曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=-1.
(2)由(1)可知,f′(x)=ex(x-cosx+1+sinx).
令g(x)=x-cosx+1+sinx,
则g′(x)=1+sinx+cosx,
当x∈[0,π]时,sinx≥0,1+cosx≥0,
所以g′(x)≥0,
所以g(x)在[0,π]上单调递增.
当x∈[0,π]时,g(x)≥g(0)=0,即f′(x)≥0,
所以f(x)在[0,π]上单调递增,
所以f(x)的最大值为f(π)=eπ(π+1),最小值为f(0)=-1.
2.(2025·浙江杭州二模)已知函数f(x)=xex-ax2-ax(a∈R).
(1)若a=0,求f(x)的极小值;
(2)当a>时,求f(x)的单调递增区间;
(3)当a>0时,设f(x)的极大值为g(a),求证:g(a)≥-.
解:(1)由题意知f′(x)=ex(x+1)-ax-a=(ex-a)(x+1)(a∈R).
若a=0,则f(x)=xex,所以f′(x)=ex(x+1),
令f′(x)=0,得x=-1,
当x∈(-∞,-1)时,f′(x)<0,当x∈(-1,+∞)时,f′(x)>0,
所以f(x)在(-∞,-1)上单调递减,在(-1,+∞)上单调递增,
所以f(x)的极小值为f(-1)=-.
(2)因为a>,所以ln a>-1,
由f′(x)>0,即(ex-a)(x+1)>0,
解得x<-1或x>ln a,
所以f(x)在(-∞,-1)和(ln a,+∞)上单调递增;
由f′(x)<0,即(ex-a)(x+1)<0,
解得-1<x<ln a,
所以f(x)在(-1,ln a)上单调递减.
所以f(x)的单调递增区间为(-∞,-1)和(ln a,+∞).
(3)证明:当a>时,由(2)知,f(x)的极大值为f(-1)=g(a)=-+a>->-;
当a=时,f′(x)≥0,f(x)单调递增,f(x)无极大值;
当0<a<时,
当x∈(-∞,ln a)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈(ln a,-1)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
当x∈(-1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
所以f(x)的极大值为f(ln a)=g(a)=-a(ln a)2,
令g(x)=-x(ln x)2,
则g′(x)=-ln x,
当x∈时,g′(x)<0,当x∈时,g′(x)>0,
所以g(x)在上单调递减,在上单调递增,
所以g(x)≥g=-,则g(a)≥-.
综上所述,g(a)≥-.
真题押题
1.(2024·新课标Ⅱ卷,16)已知函数f(x)=ex-ax-a3.
(1)当a=1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)若f(x)有极小值,且极小值小于0,求a的取值范围.
解:(1)当a=1时,f(x)=ex-x-1,
则f′(x)=ex-1,
可得f(1)=e-2,f′(1)=e-1,
即切点坐标为(1,e-2),切线斜率k=e-1,
所以切线方程为y-(e-2)=(e-1)(x-1),即(e-1)x-y-1=0.
(2)解法一:因为f(x)的定义域为R,
且f′(x)=ex-a,
若a≤0,则f′(x)>0对任意x∈R恒成立,
可知f(x)在R上单调递增,无极值,不符合题意;
若a>0,令f′(x)>0,解得x>ln a,
令f′(x)<0,解得x<ln a,
所以f(x)在(-∞,ln a)上单调递减,在(ln a,+∞)上单调递增,
则f(x)有极小值f(ln a)=a-aln a-a3,无极大值,
由题意可得f(ln a)=a-aln a-a3<0,
即a2+ln a-1>0.
构建g(a)=a2+ln a-1,a>0,
则g′(a)=2a+>0,
可知g(a)在(0,+∞)上单调递增,且g(1)=0,
不等式a2+ln a-1>0等价于g(a)>g(1),
解得a>1,
所以a的取值范围为(1,+∞).
解法二:因为f(x)的定义域为R,且f′(x)=ex-a,
若f(x)有极小值,则f′(x)=ex-a有零点,
令f′(x)=ex-a=0,可得ex=a,
可知y=ex与y=a的图象有交点,则a>0.
以下同解法一.
2.(2023·全国乙卷,21)已知函数f(x)=·ln (1+x).
(1)当a=-1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)是否存在a,b,使得曲线y=f关于直线x=b对称?若存在,求a,b的值;若不存在,说明理由;
(3)若f(x)在(0,+∞)存在极值,求a的取值范围.
解:(1)当a=-1时,f(x)=ln (1+x),
则f′(x)=-×ln (1+x)+×,
据此可得f(1)=0,f′(1)=-ln 2,
所以曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y-0=-ln 2(x-1),
即(ln 2)x+y-ln 2=0.
(2)假设存在a,b,使得曲线y=f关于直线x=b对称.
令g(x)=f=(x+a)ln =(x+a)ln ,
因为曲线y=g(x)关于直线x=b对称,
所以g(x)=g(2b-x),
即(x+a)ln =(2b-x+a)ln =(x-2b-a)ln ,
于是得
当a=,b=-时,g(x)=ln ,g(-1-x)=ln =ln =ln =ln =g(x),
所以曲线y=g(x)关于直线x=-对称,满足题意.
故存在a,b,使得曲线y=f关于直线x=b对称,且a=,b=-.
(3)f′(x)=-ln (1+x)+·
=
=(x>0),
设h(x)=-ln (1+x),x≥0,
则h′(x)=-=
=,
①当a≤0时,2a-1<0,当x>0时,h′(x)<0,
所以h(x)在(0,+∞)上单调递减,
所以当x>0时,h(x)<h(0)=0,即f′(x)<0,
所以f(x)在(0,+∞)上单调递减,无极值,不满足题意.
②当a≥时,2a-1≥0,当x>0时,h′(x)>0,
所以h(x)在(0,+∞)上单调递增,
所以当x>0时,h(x)>h(0)=0,即f′(x)>0,
所以f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值,不满足题意.
③当0<a<时,令h′(x)=0,得x=,当0<x<时,h′(x)<0,当x>时,h′(x)>0,
所以h(x)在上单调递减,在上单调递增,所以h<h(0)=0,
又当x→+∞时,h(x)→+∞,所以存在x0∈,使得h(x0)=0,
即当0<x<x0时,h(x)<0,f′(x)<0,f(x)单调递减,
当x>x0时,h(x)>0,f′(x)>0,f(x)单调递增,
此时y=f(x)有极小值点x0.
综上所述,a的取值范围为.
已知函数f(x)=2ln x-x2-kx+1(x>0).
(1)当k=0时,证明:f(x)≤0;
(2)若f(x)存在极大值,且极大值大于0,求k的取值范围.
解:(1)证明:当k=0时,f(x)=2ln x-x2+1,
则f′(x)=-2x=,
当0<x<1时,f′(x)>0,当x>1时,f′(x)<0,所以f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
所以f(x)≤f(1)=0.
(2)f′(x)=-(k+2)x-k
=-,
当k≤-2时,f′(x)>0,f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值;
当k>-2时,当0<x<时,f′(x)>0,
当x>时,f′(x)<0,
所以f(x)在上单调递增,在上单调递减,
所以f(x)的极大值为f=2ln -=2ln +-1,
令g(x)=2ln x+x-1(x>0),
则g′(x)=+1>0,
所以g(x)在(0,+∞)上单调递增,
由已知,得g>0=g(1),所以>1,解得k<0,
又k>-2,所以-2<k<0.
综上所述,k的取值范围为(-2,0).
专题作业
基础题(占比30%) 中档题(占比50%) 拔高题(占比20%)
题号
1
2
3
4
5
6
难度
★
★
★★
★★
★★
★★★
对点
利用导数的几何意义求参数;求函数的单调区间和极值
利用导数的几何意义求参数;求函数的最值
求在曲线上一点处的切线方程;根据极值点求参数的取值范围
讨论含参函数的单调性;已知函数的最值求参数
求函数的极值;通过函数的最值求参数的取值范围
函数极值、最值的综合应用
1.已知函数f(x)=ln x+x2+ax+2,且f(x)的图象在点(2,f(2))处的切线与直线2x+3y=0垂直.
(1)求a;
(2)求f(x)的单调区间和极值.
解:(1)f′(x)=+2x+a,
则f′(2)=+2×2+a=+a,
由题意可得×=-1,解得a=-3.
(2)由a=-3,得f(x)=ln x+x2-3x+2,
则f′(x)=+2x-3=
=,x>0,
故当0<x<时,f′(x)>0,当<x<1时,f′(x)<0,当x>1时,f′(x)>0,
故f(x)的单调递增区间为,(1,+∞),单调递减区间为,
故f(x)有极大值f=ln +-3×+2=-ln 2,有极小值f(1)=ln 1+12-3×1+2=0.
2.已知函数f(x)=axln x-x-+2,且f(x)的图象在x=1处的切线斜率为0.
(1)求a的值;
(2)令g(x)=f′(x),求g(x)的最小值.
解:(1)因为f(x)=axln x-x-+2,
所以f′(x)=a(1+ln x)-+,
因为f(x)的图象在x=1处的切线斜率为0,
所以f′(1)=0,即a-+=0,
所以a=1.
(2)由(1)可知函数f(x)=xln x-x-+2,
f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=ln x+-,
则g(x)=ln x+-(x>0),
故g′(x)=-=,
当0<x<1时,g′(x)<0,
当x>1时,g′(x)>0,
则函数g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,g(x)min=g(1)=0.
3.(2025·八省联考)已知函数f(x)=aln x+-x.
(1)设a=1,b=-2,求曲线y=f(x)的斜率为2的切线方程;
(2)若1是f(x)的极小值点,求b的取值范围.
解:(1)当a=1,b=-2时,f(x)=ln x--x,其中x>0,
则f′(x)=+-1=,
令f′(x)=2,得=2,
化简得3x2-x-2=(x-1)(3x+2)=0,
解得x=1(负值舍去),
又f(1)=-3,则切线过点(1,-3),
所以切线方程为y+3=2(x-1),
即2x-y-5=0.
(2)由题可得f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=--1=,
因为1是f(x)的极小值点,
所以f′(1)=-1+a-b=0,则a=b+1,
则f′(x)==-,
若b≤0,令f′(x)>0,得x∈(0,1),
令f′(x)<0,得x∈(1,+∞),
则f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
得1是f(x)的极大值点,不满足题意;
若0<b<1,令f′(x)>0,得x∈(b,1),
令f′(x)<0,得x∈(0,b)∪(1,+∞),
则f(x)在(b,1)上单调递增,在(0,b),(1,+∞)上单调递减,
得1是f(x)的极大值点,不满足题意;
若b=1,则f′(x)=-≤0,f(x)在(0,+∞)上单调递减,无极值点,不满足题意;
若b>1,令f′(x)>0,得x∈(1,b),令f′(x)<0,得x∈(0,1)∪(b,+∞),
则f(x)在(1,b)上单调递增,在(0,1),(b,+∞)上单调递减,
得1是f(x)的极小值点,满足题意.
综上,b的取值范围是(1,+∞).
4.已知函数f(x)=x3-ax,其中常数a∈R.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)在区间[0,1]上的最小值为-,求a的值.
解:(1)由题意,可知f(x)的定义域为(-∞,+∞),f′(x)=x2-a,
①若a≤0,则f′(x)≥0恒成立,
所以f(x)在(-∞,+∞)上单调递增;
②若a>0,方程f′(x)=0的两根为x=±,
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,-)
-
(-,)
(,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
单调递增
极大值
单调递减
极小值
单调递增
所以f(x)在(-∞,-)上单调递增,在(-,)上单调递减,在(,+∞)上单调递增.
综上所述,当a≤0时,f(x)在(-∞,+∞)上单调递增;
当a>0时,f(x)在(-∞,-),(,+∞)上单调递增,在(-,)上单调递减.
(2)①若a≤0,由(1)可知f(x)在[0,1]上单调递增,从而f(x)在区间[0,1]上的最小值为f(0)=0≠-,不符合题意;
②若a≥1,则≥1,由(1)可知f(x)在[0,1]上单调递减,从而f(x)在区间[0,1]上的最小值为f(1)=-a≤-<-,不符合题意;
③若0<a<1,则<1,由(1)可知f(x)在[0,)上单调递减,在(,1]上单调递增,
从而f(x)在区间[0,1]上的最小值为f()=-a=-,解得a=.
综上所述,a的值为.
5.(2025·河北唐山一模)已知函数f(x)=ax2-x+sinx.
(1)当a=1时,求f(x)的极小值;
(2)当x≥0时,f(x)≥0,求实数a的取值范围.
解:(1)当a=1时,f(x)=x2-x+sinx,
则f′(x)=2x-1+cosx.
令g(x)=f′(x)=2x-1+cosx,
则g′(x)=2-sinx>0,
所以g(x)在R上单调递增,
又因为g(0)=0,
所以当x<0时,g(x)=f′(x)<0,此时f(x)单调递减;
当x>0时,g(x)=f′(x)>0,此时f(x)单调递增.
所以f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增.
所以f(x)的极小值为f(0)=0.
(2)当x=0时,f(0)=0,符合题意;
当x∈(0,π]时,得a≥.
令t(x)=,
则t′(x)=,
令h(x)=-xcosx-x+2sinx,
则h′(x)=cosx+xsinx-1,
令z(x)=h′(x),则z′(x)=xcosx,
当x∈时,z′(x)>0,h′(x)单调递增,
当x∈时,z′(x)<0,h′(x)单调递减,
因为h′(0)=0,h′=-1>0,h′(π)=-2,
所以存在唯一的x0∈,使得h′(x0)=0,
且当x∈(0,x0)时,h′(x)>0,当x∈(x0,π]时,h′(x)<0,
所以h(x)在(0,x0)上单调递增,在(x0,π]上单调递减,
又因为h(0)=0,h(π)=0,
所以当x∈(0,π]时,t′(x)>0,则t(x)单调递增,
所以当x∈(0,π]时,t(x)≤t(π)=;
当x∈(π,+∞)时,令M(x)=x2-x+sinx,
则M′(x)=x-1+cosx>×π-1+cosx=1+cosx≥0,
则M(x)在(π,+∞)上单调递增,此时M(x)>M(π)=0,
所以当x∈(π,+∞)时,<.
所以≤.
所以实数a的取值范围为.
6.设函数f(x)=x2-2ax+ln x(a∈R).
(1)当a=时,求f(x)的极值点;
(2)当<a≤时,设x1<x2,且x1∈,x2∈,记f(x1)-f(x2)的最大值为G(a),试求G(a)的取值范围.
解:(1)当a=时,f(x)=x2-3x+ln x,定义域为(0,+∞),
f′(x)=2x-3+=,
当x∈或x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
因此f(x)的极大值点是,极小值点是1.
(2)由已知f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=,
对于方程2x2-2ax+1=0,Δ=4a2-8>0在a∈上恒成立,则方程2x2-2ax+1=0有两个不同的正根,设为m,n(m<n),
根据根与系数的关系,得m+n=a,mn=,
则≤m<,<n≤1,
当0<x<m或x>n时,f′(x)>0,当m<x<n时,f′(x)<0,所以f(x)的极大值点为m,极小值点为n,
因为x1∈,所以f(x1)max=f(m),
因为x2∈,所以f(x2)min=f(n),
所以G(a)=f(m)-f(n)=(m-n)(m+n)-2a(m-n)+ln =(m-n)(m+n)-2(m+n)(m-n)+ln (2m2)=-(m+n)(m-n)+ln (2m2)=-m2+ln (2m2),
令2m2=t,
于是G(a)=g(t)=-+ln t,≤t<1,
g′(t)=--+=-<0,
所以g(t)在上单调递减,
又g=-ln 2,当t→1时,g(t)→0,
所以0<g(t)≤-ln 2,
故G(a)的取值范围是.
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