内容正文:
第3课时 利用导数解决与函数相关的问题
课程标准
素养解读
1.体会导数与单调性、最大(小)值的关系.
2.感悟利用导数解决与不等式、函数零点有关的问题.
在运用导数解决函数问题过程中达成逻辑推理、数学运算的核心素养.
利用导数证明不等式问题
[例1] 已知x>1,证明:ln x+>1.
证明 令f(x)=ln x+(x>1),∴f′(x)=-=,
∵x>1,∴f′(x)>0,
∴f(x)=ln x+在(1,+∞)上单调递增,∴f(x)>f(1)=ln 1+1=1.
从而ln x+>1,命题得证.
利用导数法证明不等式的思路
(1)若证明f(x)>a成立,只需证明f(x)min>a即可.
(2)若要证明f(x)>g(x)在区间D上成立,基本方法是构造函数h(x)=f(x)-g(x),然后根据函数h(x)的单调性证明h(x)min>0.
[变式训练]
1.已知x>0,证明:1+2x<e2x.
证明 设f(x)=1+2x-e2x,则f′(x)=2-2e2x=2(1-e2x),当x>0时,2x>0,2x>e0=1,∴f′(x)=2(1-e2x)<0,∴函数f(x)=1+2x-e2x在(0,+∞)上是减函数.∵函数f(x)=1+2x-e2x是连续函数,∴当x>0时,f(x)<f(0)=0,∴当x>0时,1+2x-e2x<0,即1+2x<e2x.
不等式的恒成立问题
[例2] 设函数f(x)=tx2+2t2x+t-1(x∈R,t>0).
(1)求f(x)的最小值h(t);
(2)若h(t)<-2t+m对t∈(0,2)恒成立,求实数m的取值范围.
[思路点拨] (1)利用配方法,即可求出二次函数f(x)的最小值h(t);(2)构造函数g(t)=h(t)-(-2t+m),只需使g(t)在(0,2)上的最大值小于零即可求得m的取值范围.
[解] (1)∵f(x)=t(x+t)2-t3+t-1(x∈R,t>0),∴当x=-t时,f(x)取最小值f(-t)=-t3+t-1,即h(t)=-t3+t-1.
(2)令g(t)=h(t)-(-2t+m)=-t3+3t-1-m,由g′(t)=-3t2+3=0,得t=1或t=-1(不合题意,舍去).
当t变化时,g′(t),g(t)的变化情况如下表:
t
(0,1)
1
(1,2)
g′(t)
+
0
-
g(t)
↗
极大值1-m
↘
∴g(t)在(0,2)内有最大值g(1)=1-m.
h(t)<-2t+m在(0,2)内恒成立等价于g(t)<0在(0,2)内恒成立,即等价于1-m<0.∴m的取值范围为(1,+∞).
[母题探究]
1.(变条件)若将本例(2)的条件改为“存在t∈[0,2],使h(t)<-2t+m成立”,则实数m的取值范围如何求解?
[解] 令g(t)=h(t)-(-2t+m)=-t3+3t-1-m,由g′(t)=-3t2+3=0,得t=1或t=-1(不合题意,舍去).
当t变化时,g′(t),g(t)的变化情况如下表:
t
0
(0,1)
1
(1,2)
2
g′(t)
+
0
-
g(t)
-1-m
↗
极大值1-m
↘
-3-m
∴g(t)在[0,2]上有最小值g(2)=-3-m,存在t∈[0,2],使h(t)<-2t+m成立,等价于g(t)的最小值g(2)<0.
∴-3-m<0,∴m>-3,所以实数m的取值范围为(-3,+∞).
2.(变条件)若将本例(2)的条件改为“对任意的t1,t2∈(0,2),都有h(t1)<-2t2+m”,求实数m的取值范围.
[解] ∵h(t)=-t3+t-1,t∈(0,2)
∴h′(t)=-3t2+1
由h′(t)=0得t=或t=-(舍)
又当0<t<时,h′(t)>0,当<t<2时,h′(t)<0.
∴当t=时,h(t)max=-+-1=.
令φ(t)=-2t+m,t∈(0,2),∴φ(t)min>m-4.
由题意可知≤m-4,即m≥+3=.
∴实数m的取值范围为.
分离参数求解不等式恒成立问题的步骤
[变式训练]
2.已知函数f(x)=x3-3x2-9x+c,当x∈[-2,6]时,f(x)<2|c|恒成立,求c的取值范围.
解:f(x)=x3-3x2-9x+c,f′(x)=3x2-6x-9.
当x变化时,f′(x),f(x)随x的变化如下表:
x
(-∞,-1)
-1
(-1,3)
3
(3,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
递增
极大值c+5
递减
极小值c-27
递增
而f(-2)=c-2,f(6)=c+54,∴当x∈[-2,6]时,f(x)的最大值为c+54,要使f(x)<2|c|恒成立,只要c+54<2|c|即可,当c≥0时,c+54<2c,∴c>54;当c<0时,c+54<-2c,∴c<-18.
∴c∈(-∞,-18)∪(54,+∞),此即为参数c的取值范围.
利用导数研究函数的零点(方程的根)问题
[例3] 给定 函数f(x)=(x+1)ex.
(1)判断函数f(x)的单调性,并求出f(x)的极值;
(2)画出函数f(x)的大致图象;
(3)求出方程f(x)=a(a∈R)的解的个数.
解:(1)函数的定义域为x∈R.
因为f′(x)=(x+1)′ex+(x+1)(ex)′=ex+(x+1)ex=(x+2)ex.
令f(x)′=0,解得:x=-2.
当x变化时,f(x)′、f(x)的变化情况如表所示
x
(-∞,-2)
-2
(-2,+∞)
y′
-
0
+
y
单调递减
-
单调递增
所以,f(x)在区间(-∞,-2)上单调递减,在区间(-2,+∞)上单调递增.
当x=-2时,f(x)有极小值f(-2)=-
(2)令f(x)=0,解得:x=-1.
当x<-1时,f(x)<0;当x>-1时, f(x)>0.
所以f(x)的图象经过特殊点A(-2,-),
B(-1,0),C(0,1).
当x→-∞时,与一次函数相比,指数函数y=e-x呈爆炸性增长,从而y=→0;当x→+∞时,f(x)→+∞,f′(x)→+∞, 根据以上信息,我们画出的大致图象如图所示
(3)方程f(x)=a(a∈R)的解的个数为函数y=f(x)的图象与直线y=a的交点个数。
由(1)及图可得,当x=-2时,有最小值f(-2)=-
所以,方程f(x)=a的解的个数有如下结论;
当a<-时,解为0个,
当a=-或a≥0时,解为1个,
当-<a<0时,解为2个.
利用导数确定函数零点或方程根个数的常用方法
(1)构建函数g(x)(要求g′(x)易求,g′(x)=0可解),转化确定g(x)的零点个数问题求解,利用导数研究该函数的单调性、极值,并确定定义区间端点值的符号(或变化趋势)等,画出g(x)的图象草图,数形结合求解函数零点的个数.
(2)利用零点存在性定理:先用该定理判断函数在某区间上有零点,然后利用导数研究函数的单调性、极值(最值)及区间端点值符号,进而判断函数在该区间上零点的个数.
[变式训练]
3.已知函数f(x)=ln x-.讨论f(x)的单调性,并证明f(x)有且仅有两个零点.
解:f(x)的定义域为(0,1)∪(1,+∞).
因为f′(x)=+>0,所以f(x)在(0,1)和(1,+∞)上单调递增.
因为f(e)=1-<0,f(e2)=2-=>0,所以f(x)在(1,+∞)上有唯一零点x1(e<x1<e2),即f(x1)=0.
又0<<1,f=-ln x1+=-f(x1)=0,故f(x)在(0,1)上有唯一零点.
综上,f(x)有且仅有两个零点.
[当堂达标]
1.已知函数f(x)的定义域为[-1,4],部分对应值如下表:
x
-1
0
2
3
4
f(x)
1
2
0
2
0
f(x)的导函数y=f′(x)的图象如图所示.当1<a<2时,函数y=f(x)-a的零点的个数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
解析:D [根据导函数图象,知2是函数的极小值点,函数y=f(x)的大致图象如图所示.由于f(0)=f(3)=2,1<a<2,所以y=f(x)-a的零点个数为4.
]
2.已知函数f(x)=x2-2 lnx,若在定义域内存在x0,使得不等式f(x0)-m≤0(成立,则实数m的最小值是( )
A.2 B.-2
C.1 D.-1
解析:C [函数f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=2x-.
令f′(x)=0,得x=1或x=-1(舍).
当x∈0时,f′(x)<0;当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0.
所以当x=1时,f(x)取得极小值,也是最小值,且最小值为1.
因为存在x0,使得不等式f(x0)-m≤0成立,
所以m≥1,所以实数m的最小值为1,故选C.]
3.设函数f(x)=x3--2x+5,若对任意x∈[-1,2],都有f(x)>m,则实数m的取值范围是 ________ .
解析:由f′(x)=3x2-x-2=0,得x=1,-.又f(-1)=5,f=5,f(1)=3,f(2)=7,∴m<3.
答案:
4.已知函数f(x)=kx-lnx(k>0).
(1)若k=1,求f(x)的单调区间;
(2)若函数f(x)有且只有一个零点,求实数k的值.
解:(1)若k=1,则f(x)=x-ln x,定义域为(0,+∞),则f′(x)=1-,由f′(x)>0,得x>1;由f′(x)<0,得0<x<1,∴f(x)的单调递减区间为(0,1),单调递增区间为(1,+∞).
(2)法一:由题意知,方程kx-ln x=0仅有一个实根,由kx-ln x=0,得k=(x>0).
令g(x)=(x>0),则g′(x)=,当0<x<e时,g′(x)>0;当x>e时,g′(x)<0.
∴g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,∴g(x)max=g(e)=.
当x→+∞时,g(x)→0.
又∵k>0,∴要使f(x)仅有一个零点,则k=.
法二:f(x)=kx-ln x,f′(x)=k-=(x>0,k>0).
当0<x<时,f′(x)<0;当x>时,f′(x)>0.
∴f(x)在上单调递减,在上单调递增,∴f(x)min=f=1-ln ,∵f(x)有且只有一个零点,∴1-ln =0,即k=.
法三:∵k>0,∴函数f(x)有且只有一个零点等价于直线y=kx与曲线y=ln x相切,设切点为(x0,y0),由y=ln x,得y′=,∴∴k=,∴实数k的值为.
[基础达标练]
1.若f(x)=-x2+bln(x+2)在(-1,+∞)上是减函数,则b的取值范围是( )
A.[-1,+∞] B.(-1,+∞)
C.(-∞,-1] D.(-∞,-1)
解析:C [由题意可知f′(x)=-x+<0,在x∈(-1,+∞)上恒成立,即b<x(x+2)在x∈(-1,+∞)上恒成立,由于x≠-1,所以b≤-1,故C为正确答案.]
2.若函数f(x)在定义域R内可导,f(1.9+x)=f(0.1-x)且(x-1)f′(x)<0,a=f(0),b=f(),c=f(3),则a,b,c的大小关系是( )
A.a>b>c B.c>a>b
C.c>b>a D.b>a>c
解析:D [∵(x-1)f′(x)<0,∴当x>1时,f′(x)<0,此时函数f(x)单调递减;当x<1时,f′(x)>0,此时函数f(x)单调递增.又f(1.9+x)=f(0.1-x),∴f(x)=f(2-x),∴f(3)=f[2-(-1)]=f(-1),∵-1<0<,∴f(-1)<f(0)<f,∴f(3)<f(0)<f,∴b>a>c.]
3.已知函数f(x)=ex-ax2(x>0)无零点,则实数a的取值范围为( )
A.(-∞,) B.(-∞,)
C.(,+∞) D.(,+∞)
解析:B [因为函数f(x)=ex-ax2(x>0)无零点,所以方程ex-ax2=0在x∈(0,+∞)上无解,即a=在x∈(0,+∞)上无解,令g(x)=(x>0),g′(x)=,当x>2时,g′(x)>0,函数g(x)单调递增,当0<x<2时,g′(x)<0,函数g(x)单调递减,所以x=2时,函数g(x)有唯一的极小值,也是最小值.
g(2)=,所以g(x)≥.若a=无解,则a<,故选B.]
4.已知函数f(x)=ax3-3x2+1,若f(x)存在唯一的零点x0,且x0>0,则实数a的取值范围是( )
A.(2,+∞) B.(-∞,-2)
C.(1,+∞) D.(-∞,-1)
解析:B [法一 由题意a≠0,由f′(x)=3ax2-6x=0得x=0或x=.当a>0时,f(x)在(-∞,0)和上单调递增,在上单调递减.且f(0)=1>0,故f(x)有小于0的零点,不符合题意,排除A,C.当a<0时,要使x0>0且唯一,只需f>0,即a2>4,∴a<-2.
法二 f(x)有唯一正零点x0,等价于方程ax3-3x2+1=0有唯一正根x0,即a=-有唯一正根x0.
令g(x)=-,g′(x)=,
∴g(x)在(-∞,-1)上递减,(-1,0)上递增,(0,1)上递增,(1,+∞)上递减.
又g(-1)=-2,g(1)=2,且当x<-1时,g(x)<0,当x>1时,g(x)>0,∴g(x)的大致图象如图:
∴直线y=a与y=g(x)有唯一交点,且横坐标x0>0,只需a<g(-1)=-2.]
5.(多选)已知函数f(x)=x3+ax2+bx+c,下列结论中正确的是( )
A.∃x0∈R, f(x0)=0
B.函数y=f(x)的图象是中心对称图形
C.若x0是f(x)的极小值点,则f(x)在区间(-∞,x0)单调递减
D.若x0是f(x)的极值点,则f′(x0)=0
解析:ABD [由于三次函数的三次项系数为正值,当x→-∞时,函数值→-∞,当x→+∞时,函数值→+∞,又三次函数的图象是连续不断的,故一定穿过x轴,即一定∃x0∈R,f(x0)=0,选项A中的结论正确;函数f(x)的解析式可以通过配方的方法化为形如(x+m)3+n(x+m)+h的形式,通过平移函数图象,函数的解析式可以化为y=x3+nx的形式,这是一个奇函数,其图象关于坐标原点对称,故函数f(x)的图象是中心对称图形,选项B中的结论正确;由于三次函数的三次项系数为正值,故函数如果存在极值点x1,x2,则极小值点x2>x1,即函数在-∞到极小值点的区间上是先递增后递减的,所以选项C中的结论错误;根据导数与极值的关系,显然选项D中的结论正确. ]
6.已知函数f(x)=+ln x-1(a>0)在定义域内有零点,则实数a的取值范围是 ________ .
解析:函数f(x)定义域为(0,+∞).因为函数f(x)=+ln x-1(a>0)在定义域内有零点,所以a=x-xln x有解,令h(x)=x-xln x,所以h′(x)=-ln x,所以h(x)的增区间为(0,1),减区间为(1,+∞),所以h(x)max=h(1)=1,故0<a≤1.
答案:0<a≤1
7.已知函数f(x)=-x2+4x-3ln x在[t,t+1]上不单调,则t的取值范围是 ________ .
解析:由题意知f′(x)=-x+4-=
=-,
由f′(x)=0得函数f(x)的两个极值点为1,3,
则只要这两个极值点有一个在区间(t,t+1)内,
函数f(x)在区间[t,t+1]上就不单调,
由t<1<t+1或t<3<t+1,得0<t<1或2<t<3.
答案:(0,1)∪(2,3)
8.设函数f(x)=ex-e-x,若对所有x≥0都有f(x)≥ax,求实数a的取值范围.
解:令g(x)=f(x)-ax,由g′(x)=f′(x)-a=ex+e-x-a,由于ex+e-x=ex+≥2(当且仅当x=0时等号成立),所以当a≤2时,g′(x)=ex+e-x-a≥2-a≥0,故g(x)在(0,+∞)上为增函数.
所以当x≥0时,g(x)≥g(0)=0,即f(x)≥ax,当a>2时,方程g′(x)=0的根为x1=ln <0,x2=ln>0,此时,若x∈(0,x2),则g′(x)<0,故g(x)在区间(0,x2)内为减函数,所以x∈(0,x2)时,g(x)<g(0)=0,即f(x)<ax,与题设f(x)≥ax相矛盾.
综上所述,满足条件的实数a的取值范围为(-∞,2].
[能力提升练]
9.已知函数f(x)=ln x-+a在x∈[1,e]上有两个零点,则a的取值范围是( )
A. B.
C. D.[-1,e)
解析:C [∵f′(x)=+= ,x∈[1,e].
当a≥-1时,f′(x)≥0,f(x)在[1,e]上单调递增,不合题意.
当a≤-e时,f′(x)≤0,f(x)在[1,e]上单调递减,也不合题意.
当-e<a<-1时,则x∈[1,-a)时,f′(x)<0,f(x)在[1,-a)上单调递减,x∈[-a,e]时,f′(x)>0,f(x)在(-a,e]上单调递增,又f(1)=0,所以f(x)在x∈[1,e]上有两个零点,只需f(e)=1-+a≥0即可,解得≤a<-1.
综上,a的取值范围是.]
10.设函数f(x)=ex+1-ma,g(x)=aex-x(m,a为实数),若存在实数a,使得f(x)≤g(x)对任意x∈R恒成立,则实数m的取值范围是( )
A. B.
C. D.
解析:C [令h(x)=f(x)-g(x)=ex+1-ma-aex+x=(e-a)ex-ma+x,则h′(x)=(e-a)ex+1,若e-a≥0,可得h′(x)>0,函数h(x)为增函数,当x→+∞时,h(x)→+∞,不满足h(x)≤0对任意x∈R恒成立;若e-a<0,由h′(x)=0,得ex=,则x=ln ,∴当x∈时,h′(x)>0,当x∈时,h′(x)<0,∴h(x)max=h=(e-a)·eln-ma+ln=-1-ma+ln.
若f(x)≤g(x)对任意x∈R恒成立,则-1-ma+ln≤0(a>e)恒成立,若存在实数a,使得-1-ma+ln≤0成立,则ma≥ln-1,∴m≥--(a>e),令F(a)=--,则F′(a)=+=-++==.
∴当a<2e时,F′(a)<0,当a>2e时,F′(a)>0,则F′(a)min=F(2e)=-.
∴m≥-.则实数m的取值范围是.]
11.已知函数f(x)=sin x-1,g(x)=ln x-x,若对任意x1∈R都存在x2∈(1,e)使f(x1)<g(x2)成立,则实数a的取值范围是 ________ .
解析:对任意x1∈R都存在x2∈(1,e)使f(x1)<g(x2)成立,所以得到f(x)max<g(x)max,而f(x)=sin x-1,所以f(x)max=0,即存在x∈(1,e),使 ln x-x>0,此时ln x>0,x>0,所以a>0,因此将问题转化为存在x∈(1,e),使<成立,设h(x)=,则<h(x)max,h′(x)=,
当x∈(1,e),h′(x)>0,h(x)单调递增,所以h(x)<h(e)=,即<,所以a>2e,所以实数a的取值范围是(2e,+∞).
答案:(2e,+∞)
12.设函数f(x)=ln x-x+1.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)求证:当x∈(1,+∞)时,1<<x.
解:(1)f′(x)=-1(x>0).
由f′(x)>0,解得0<x<1;由f′(x)<0,解得x>1.
∴f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减.
(2)证明 要证当x∈(1,+∞)时,1<<x,即证ln x<x-1<xln x.
由(1)得f(x)=ln x-x+1在(1,+∞)上单调递减,∴当x∈(1,+∞)时,f(x)<f(1)=0,即有ln x<x-1.
设F(x)=xln x-x+1,则F′(x)=1+ln x-1=ln x.
当x∈(1,+∞)时,F′(x)>0,F(x)单调递增.
∴F(x)>F(1)=0,即有xln x>x-1.∴原不等式成立.
[素养培优练]
13.(多选)对于函数f(x)=,下列说法正确的是( )
A.f(x)在x=处取得极大值
B.f(x)有两个不同的零点
C.f()<f()<f()
D.若f(x)<k-在(0,+∞)上恒成立,则k>
解析:ACD [由题意,函数f(x)=,可得f′(x)=(x>0),令f′(x)=0,即=0,解得x=,当0<x<时,f′(x)>0,函数f(x)在(0,)上单调递增;当x>时,f′(x)<0,函数f(x)在(,+∞)上单调递减,所以当x=时,函数f(x)取得极大值,极大值为f()=,所以A正确;由当x=1时,f(1)=0,因为f(x)在(0,)上单调递增,所以函数f(x)在(0,)上只有一个零点,当x>时,可得f(x)>0,所以函数在(,+∞)上没有零点,综上可得函数在(0,+∞)只有一个零点,所以B不正确;由函数f(x)在(,+∞)上单调递减,可得(f)>f(),由于f()==,f()==,
则f()-f()=-=-,
因为π2>2π,所以f()-f()>0,即f()>f(),所以f()<f()<f(),所以C正确;
由f(x)<k-在(0,+∞)上恒成立,即k>f(x)+=在(0,+∞)上恒成立,
设g(x)=,则g′(x)=,
令g′(x)=0,即=0,解得x=,
所以当0<x<时,g′(x)>0,函数g(x)在(0,)上单调递增;
当x>时,g′(x)<0,函数g(x)在(,+∞)上单调递减,
所以当x=时,函数g(x)取得最大值,最大值为g()=e-=,
所以k>,所以D正确,故选ACD.]
14.已知函数f(x)=(x-1)ln x-x-1.
证明: (1)f(x)存在唯一的极值点;
(2)f(x)=0有且仅有两个实根,且两个实根互为倒数.
证明 (1)f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=+ln x-1=ln x-.
因为y=ln x在(0,+∞)上单调递增,y=在(0,+∞)上单调递减,
所以f′(x)在(0,+∞)上单调递增.
又f′(1)=-1<0,f′(2)=ln 2-=>0,
故存在唯一x0∈(1,2),使得f′(x0)=0.
又当x<x0时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当x>x0时,f′(x)>0,f(x)单调递增.所以,f(x)存在唯一的极值点.
(2)由(1)知f(x0)<f(1)=-2,又f(e2)=e2-3>0,
所以f(x)=0在(x0,+∞)内存在唯一根x=α.
由α>x0>1得<1<x0.又f=ln --1==0,
故是f(x)=0在(0,x0)内的唯一根.
所以f(x)=0有且仅有两个实根,且两个实根互为倒数.
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