内容正文:
微专题22 导数的综合应用
命|题|分|析
利用导数研究函数的单调性与极值(最值)是高考的常见题型,而导数与函数、不等式、方程、数列等的交汇命题,是高考的热点和难点.解答题的热点题型有:1.利用导数研究函数的单调性、极值、最值.2.利用导数证明不等式或探讨方程的根.3.利用导数求解参数的值或取值范围.
专项1 导数与不等式的证明
例 (2024·全国甲卷)已知函数f(x)=a(x-1)-ln x+1.
(1)求f(x)的单调区间;
(2)当a≤2时,证明:当x>1时,f(x)<ex-1恒成立.
解 (1)因为f(x)=a(x-1)-ln x+1,所以f′(x)=a-=,x>0,若a≤0,则f′(x)<0恒成立,所以f(x)在(0,+∞)上单调递减,即f(x)的单调递减区间为(0,+∞),无单调递增区间;当a>0,则当0<x<时,f′(x)<0,当x>时,f′(x)>0,所以f(x)的单调递减区间为,单调递增区间为.综上,当a≤0时,f(x)的单调递减区间为(0,+∞),无单调递增区间;当a>0时,f(x)的单调递减区间为,单调递增区间为.
(2)解法一(作差法直接求导证明):设g(x)=a(x-1)-ln x+1-ex-1,只需证当x>1时g(x)<0即可.易知g′(x)=a--ex-1,令h(x)=g′(x),则h′(x)=-ex-1,由基本初等函数的单调性可知h′(x)在(1,+∞)上单调递减,则当x>1时,h′(x)<h′(1)=1-1=0,所以h(x)=g′(x)在(1,+∞)上单调递减,于是当x>1时,g′(x)<g′(1)=a-2,又a≤2,所以a-2≤0,则当x>1时,g′(x)<0,故g(x)在(1,+∞)上单调递减,所以当x>1时,g(x)<g(1)=0,即当x>1时,f(x)<ex-1恒成立.
解法二(放缩法):因为a≤2,所以当x>1时,ex-1-f(x)=ex-1-a(x-1)+ln x-1≥ex-1-2x+ln x+1.令g(x)=ex-1-2x+ln x+1,则只需证当x>1时g(x)>0.易知g′(x)=ex-1-2+,令h(x)=g′(x),则h′(x)=ex-1-在(1,+∞)上单调递增,则当x>1时,h′(x)>h′(1)=0,所以h(x)=g′(x)在(1,+∞)上单调递增,所以当x>1时,g′(x)>g′(1)=0,故g(x)在(1,+∞)上单调递增,所以当x>1时,g(x)>g(1)=0,即当x>1时,f(x)<ex-1恒成立.
,,
利用导数证明不等式问题的方法
(1)构造函数法:①证明不等式f(x)>g(x)(或f(x)<g(x))转化为证明f(x)-g(x)>0(或f(x)-g(x)<0),进而构造辅助函数h(x)=f(x)-g(x).
②构造双函数:若直接构造函数求导,难以判断符号,导数零点也不易求得,则可构造函数f(x)和g(x),利用其最值求解,即若f(x)min≥g(x)max,则f(x)≥g(x).
(2)适当放缩构造法:一是根据已知条件适当放缩;二是利用常见放缩结论.
训练1 (移项构造函数法)已知函数f(x)=(2x+1)ln x-,曲线f(x)在x=1处的切线方程为y=ax+b.
(1)求a,b;
(2)证明:f(x)≤ax+b.
解 (1)函数f(x)的定义域为(0,+∞),由f(x)=(2x+1)ln x-可得f′(x)=2ln x+(2x+1)-x=2ln x-x++2,则f′(1)=2,所以曲线f(x)在x=1处的切线斜率为k=2,又因为f(1)=-,所以切线方程为y+=2(x-1),即y=2x-,所以a=2,b=-.
(2)证明:要证明f(x)≤ax+b,只要证(2x+1)ln x--2x+≤0,设g(x)=(2x+1)ln x--2x+,则g′(x)=2ln x+-x,令h(x)=2ln x+-x.则h′(x)=--1=-≤0,所以h(x)在(0,+∞)上单调递减,又h(1)=0,所以当x∈(0,1)时,h(x)>0,则g(x)在(0,1)上单调递增.当x∈(1,+∞)时,h(x)<0,则g(x)在(1,+∞)上单调递减,所以g(x)≤g(1)=0,所以f(x)≤ax+b.
训练2 (放缩构造法)若函数f(x)=xln x-x2-1.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)求证:f(x)<e-x+--1.
解 (1)f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=ln x-2x+1,记t(x)=f′(x),t′(x)=-2=,当x∈时,t′(x)>0,t(x)单调递增;当x∈时,t′(x)<0,t(x)单调递减,所以t(x)max=t=-ln 2<0,即f′(x)<0,所以f(x)在区间(0,+∞)上单调递减.
(2)证明:先证f(x)≤-x-1,记g(x)=f(x)+x+1,则g(x)=xln x-x2+x=x(ln x-x+1),记m(x)=ln x-x+1,则m′(x)=-1,所以当x∈(0,1)时,m′(x)>0,m(x)单调递增;当x∈(1,+∞)时,m′(x)<0,m(x)单调递减,所以m(x)max=m(1)=0,所以m(x)≤0,又x>0,所以g(x)≤0,故f(x)≤-x-1.再证e-x+--1>-x-1(x>0),即证e-x+-+x>0(x>0).记h(x)=e-x+-+x,x>0,则h(x)=e-x+x-1+2≥e-x+x-1,记p(x)=e-x+x-1,x>0,则p′(x)=1-e-x>0,所以p(x)在(0,+∞)上单调递增,所以p(x)>p(0)=0,所以h(x)>0,即e-x+--1>-x-1,所以f(x)<e-x+--1.
专项2 导数与不等式恒成立(有解)问题
例 (2024·全国甲卷)已知函数f(x)=(1-ax)·ln(1+x)-x.
(1)当a=-2时,求f(x)的极值;
(2)当x≥0时,f(x)≥0,求a的取值范围.
解 (1)当a=-2时,f(x)=(1+2x)ln(1+x)-x,x∈(-1,+∞),f′(x)=2ln(1+x)+-1=2ln(1+x)-+1.易知f′(x)在(-1,+∞)上单调递增,且f′(0)=0,所以当x∈(-1,0)时,f′(x)<0,当x∈(0,+∞)时,f′(x)>0,所以f(x)在(-1,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增,所以当x=0时,f(x)取得极小值,为f(0)=0,f(x)无极大值.
(2)f(x)=(1-ax)ln(1+x)-x,x∈[0,+∞),则f′(x)=-aln(1+x)-,设g(x)=-aln(1+x)-,则g′(x)=--.
解法一:当x≥0时,f(x)≥0,且f(0)=0,f′(0)=0,所以g′(0)=-2a-1≥0,得a≤-,故a≤-是原不等式成立的一个必要条件.
下面证明其充分性:
当a≤-,x≥0时,g′(x)≥-=≥0,所以f′(x)在[0,+∞)上单调递增,且f′(x)≥f′(0)=0,所以f(x)在[0,+∞)上单调递增,且f(x)≥f(0)=0.综上,a的取值范围是.
解法二:g′(x)=--=-,当a≤-时,同解法一不等式恒成立.当-<a<0时,x∈时,g′(x)<0,所以g(x)在上单调递减,g(x)≤g(0)=0,所以f′(x)≤0,f(x)在上单调递减,所以f(x)≤f(0)=0矛盾,不等式不成立.当a≥0时g′(x)≤0,g(x)在[0,+∞)上单调递减,g(x)≤g(0)=0即f′(x)≤0,f(x)在[0,+∞)上单调递减,所以f(x)≤f(0)=0矛盾,不等式不成立.综上,a的取值范围是.
,,
由不等式恒成立求参数的取值范围问题的策略
(1)求最值法:将恒成立问题转化为利用导数求函数的最值问题.
(2)分离参数法:将参数分离出来,进而转化为a>f(x)max或a<f(x)min的形式,通过导数的应用求出f(x)的最值,即得参数的范围.
训练1 (分类讨论法)(2025·齐齐哈尔二模)已知函数f(x)=ln x+ax+2.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)若∀x>0,f(x)<3-xeax恒成立,求a的取值范围.
解 (1)f(x)=ln x+ax+2的定义域为(0,+∞),f′(x)=+a=,x>0,当a≥0时,f′(x)>0,则f(x)在(0,+∞)上单调递增;当a<0时,当x=-时,f′(x)=0,当0<x<-时,f′(x)>0,则f(x)单调递增;当x>-时,f′(x)<0,则f(x)单调递减,综上,当a≥0时,f(x)的单调递增区间为(0,+∞),无单调递减区间;当a<0时,f(x)的单调递增区间为;f(x)的单调递减区间为.
(2)若∀x>0,f(x)<3-xeax恒成立,即∀x>0,ln x+ax+2<3-xeax恒成立,则∀x>0,ln x+ax+xeax-1<0恒成立,设g(x)=ln x+ax+xeax-1,x>0,g′(x)=+a+eax+axeax=(ax+1),因为x>0,所以+eax>0,当a≥0时,g′(x)>0,则g(x)在(0,+∞)上单调递增,当x>1时,g(x)>g(1)=ln 1+a+ea-1=a+ea-1≥a+e0-1=a≥0,所以a≥0不合题意;当a<0时,当x=-时,g′(x)=0,当0<x<-时,g′(x)>0,则g(x)单调递增;当x>-时,g′(x)<0,则g(x)单调递减,则g(x)的最大值为g=ln+·-2,则ln+·-2<0,令t=-,φ(t)=ln t+t-2,t>0,φ′(t)=+>0,则φ(t)在(0,+∞)上单调递增,又φ(e)=ln e+×e-2=0,所以由φ(t)<0,得0<t<e,所以0<-<e且a<0,所以a<-,即a的取值范围为.
训练2 (分离参数法)已知函数f(x)=xln x-ax.
(1)当a=0时,求函数f(x)的单调区间;
(2)若对任意x∈(0,+∞),f(x)≤x2+2恒成立,求实数a的取值范围.
解 (1)当a=0时,函数f(x)=xln x的定义域是(0,+∞),f′(x)=ln x+1,令f′(x)<0,得ln x+1<0,解得0<x<,故f(x)的单调递减区间是,令f′(x)>0,得ln x+1>0,解得x>,故f(x)的单调递增区间是,综上,f(x)的单调递减区间是,单调递增区间是.
(2)由对任意x∈(0,+∞),f(x)≤x2+2恒成立知xln x≤x2+ax+2恒成立.因为x>0,故a≥ln x-x-在x∈(0,+∞)上恒成立.设h(x)=ln x-x-(x>0),则h′(x)=-1+=-,令h′(x)=0,得x1=2,x2=-1(舍去),当x∈(0,2)时,h′(x)>0,h(x)单调递增,当x∈(2,+∞)时,h′(x)<0,h(x)单调递减,故当x=2时,h(x)取得极大值,也是最大值,即h(x)max=h(2)=ln 2-3,所以若a≥h(x)在x∈(0,+∞)上恒成立,则a≥h(x)max=ln 2-3,故实数a的取值范围是[ln 2-3,+∞).
训练3 (双变量问题)已知函数f(x)=ln x-ax+-1(a∈R).
(1)当0<a<时,讨论函数f(x)的单调性;
(2)设g(x)=x2-2bx+4.当a=时,若对任意的x1∈(0,2),存在x2∈[1,2],使得f(x1)≥g(x2),求实数b的取值范围.
解 (1)因为f(x)=ln x-ax+-1,所以f′(x)=-a+=-,x∈(0,+∞),令f′(x)=0,解得x=1或-1,当0<a<时,-1>1>0,当x∈(0,1)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减;当x∈时,f′(x)>0,函数f(x)单调递增;当x∈时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减.
(2)a=∈,-1=3∉(0,2),由(1)知,当x∈(0,1)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减;当x∈(1,2)时,f′(x)>0,函数f(x)单调递增.所以f(x)在(0,2)上的最小值为f(1)=-.因为对任意的x1∈(0,2),存在x2∈[1,2],使得f(x1)≥g(x2),所以g(x)在[1,2]上的最小值不大于f(x)在(0,2)上的最小值- (*).又g(x)=(x-b)2+4-b2,x∈[1,2],所以当b<1时,g(x)min=g(1)=5-2b>0,此时与(*)式矛盾;当1≤b≤2时,g(x)min=g(b)=4-b2≥0,同样与(*)式矛盾;当b>2时,g(x)min=g(2)=8-4b,且8-4b<0,解不等式8-4b≤-,可得b≥.所以实数b的取值范围为.
,,
双变量的恒(能)成立问题的常见转化
(1)∀x1∈M,∃x2∈N,f(x1)>g(x2)⇔f(x)min>g(x)min.
(2)∀x1∈M,∀x2∈N,f(x1)>g(x2)⇔f(x)min>g(x)max.
(3)∃x1∈M,∃x2∈N,f(x1)>g(x2)⇔f(x)max>g(x)min.
(4)∃x1∈M,∀x2∈N,f(x1)>g(x2)⇔f(x)max>g(x)max.
专项3 导数与函数的零点
微点一 零点的个数问题
例1 已知函数f(x)=ex-ax+2a,a∈R.
(1)讨论函数f(x)的单调性;
(2)讨论函数f(x)的零点个数.
解 (1)因为f(x)=ex-ax+2a,定义域为R,又f′(x)=ex-a.所以当a≤0时,f′(x)>0,f(x)在R上单调递增.当a>0时,令f′(x)=0,则x=ln a,当x<ln a时,f′(x)<0,f(x)单调递减;当x>ln a时,f′(x)>0,f(x)单调递增.综上所述,当a≤0时,f(x)在R上单调递增;当a>0时,f(x)在(-∞,ln a)上单调递减,在(ln a,+∞)上单调递增.
(2)令f(x)=0,得ex=a(x-2),当a=0时,ex=a(x-2)无解,所以f(x)无零点.当a≠0时,=.令φ(x)=,x∈R,则φ′(x)=,当x∈(-∞,3)时,φ′(x)>0;当x∈(3,+∞)时,φ′(x)<0,所以φ(x)在(-∞,3)上单调递增,在(3,+∞)上单调递减,且φ(x)max=φ(3)=,又x→+∞时,φ(x)→0,x→-∞时,φ(x)→-∞,所以φ(x)的图象如图所示.所以当>,即0<a<e3时,f(x)无零点,当=,即a=e3时,f(x)有一个零点;当0<<,即a>e3时,f(x)有两个零点;当<0,即a<0时,f(x)有一个零点.综上所述,当a∈[0,e3)时,f(x)无零点;当a∈(-∞,0)∪{e3}时,f(x)有一个零点;当a∈(e3,+∞)时,f(x)有两个零点.
,,
求解函数零点(方程根)的个数问题的步骤
第一步:将问题转化为函数的零点问题,进而转化为函数的图象与x轴(或直线y=k)在该区间上的交点问题;
第二步:利用导数研究该函数在该区间上的单调性、极值(最值)、端点值等性质,进而画出其图象;
第三步:结合图象求解.
训练 (2025·滁州一模)已知函数f(x)=x3+ax2-x-2aln x.
(1)若不等式f(x)≥x3+x2-x恒成立,求实数a的取值范围;
(2)若a<0,求证:f(x)有且只有1个零点.
解 (1)由f(x)≥x3+x2-x可得a(x2-2ln x)≥x2,设g(x)=x2-2ln x,x>0,g′(x)=2x-=,当0<x<1时,g′(x)<0;当x>1时,g′(x)>0,所以g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,所以g(x)min=g(1)=1>0,即x2-2ln x>0,所以a(x2-2ln x)≥x2等价于a≥,设H(x)=,x>0,H′(x)=,当0<x<时,H′(x)>0;当x>时,H′(x)<0,所以H(x)在(0,)上单调递增,在(,+∞)上单调递减,所以Hmax(x)=H()=,所以a≥,故实数a的取值范围为.
(2)证明:f′(x)=x2+2ax-1-=x2-1+=,
①当a=-时,f(x)=x3-x2-x+ln x,f′(x)=≥0,所以f(x)在(0,+∞)上单调递增,又f(1)=-<0,f(3)=+ln 3>0,由函数零点存在定理可知,f(x)在区间(1,3)上存在1个零点,故此时f(x)有1个零点.
②当a<-时,当0<x<1时,f′(x)>0;当1<x<-2a时,f′(x)<0;当x>-2a时,f′(x)>0,所以f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,-2a)上单调递减,在(-2a,+∞)上单调递增,又f(1)=a-<0,当x>1时,f(x)=x3+ax2-x-2aln x>x3+ax2-x=x(x2+3ax-3),取x0=,则x0>1,且f(x0)>0,由函数零点存在定理可知,f(x)在区间(1,x0)上存在1个零点,故此时f(x)有1个零点.
③当-<a<0时,当0<x<-2a时,f′(x)>0;当-2a<x<1时,f′(x)<0;当x>1时,f′(x)>0,所以f(x)在(0,-2a)上单调递增,在(-2a,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,f(-2a)=+2a-2aln(-2a)=[2a2+3-3ln(-2a)],由于-<a<0,所以0<-2a<1,所以ln(-2a)<0,所以2a2+3-3ln(-2a)>0,所以f(-2a)<0,又f(1)=a-<0,f(x0)>0,由函数零点存在定理可知,f(x)在区间(1,x0)上存在1个零点,故此时f(x)有1个零点.
综上可知,当a<0时,f(x)有且只有1个零点.
微点二 与零点有关的求参或证明问题—— 教考衔接
◎教材·研析
例2 (人教A版选择性必修第二册P104·第19题)已知函数f(x)=ae2x+(a-2)ex-x.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)有两个零点,求a的取值范围.
解 (1)f(x)的定义域为R,f′(x)=(2ex+1)(aex-1).若a≤0,则aex-1<0恒成立,则f′(x)<0,即f(x)在R上单调递减.若a>0,令aex-1=0,得x=-ln a,当x∈(-∞,-ln a)时,f′(x)<0,当x∈(-ln a,+∞)时,f′(x)>0,所以f(x)在(-∞,-ln a)上单调递减,在(-ln a,+∞)上单调递增.
(2)因为f(x)有两个零点,所以a>0.否则f(x)在R上单调递减,至多有一个零点,与题设不符,所以f(-ln a)<0,即a×2+(a-2)×+ln a<0,有1--ln<0.当a=1时,f(-ln a)=0,故f(x)只有一个零点;当a>1时,有1-ln->0,即f(-ln a)>0,故f(x)无零点;当a∈(0,1)时,1-ln-<0,即f(-ln a)<0,又f(-2)=ae-4+(a-2)e-2+2>0,所以f(x)在(-∞,-ln a)上有一个零点,设存在正整数n0满足n0>ln.则f(n0)=en0(aen0+a-2)-n0>en0-n0>2n0-n0>0.由于ln>-ln a,因此f(x)在(-ln a,+∞)上有一个零点.综上,a的取值范围为(0,1).
,,
(1)函数零点的个数问题,要能转化为函数图象与x轴的交点个数或者两个函数图象的交点个数问题,数形结合解决问题.
(2)对于零点存在问题,可利用放缩法或者分类讨论恰当地找到一正一负两个函数值.
(3)对于与零点有关的不等式证明问题,一般解法是构造函数,借助于函数的单调性解决问题.
◎真题·链接
真题 (2022·全国乙卷)已知函数f(x)=ax--(a+1)ln x.
(1)当a=0时,求f(x)的最大值;
(2)若f(x)恰有一个零点,求a的取值范围.
解 (1)当a=0时,f(x)=--ln x(x>0),所以f′(x)=-=.若x∈(0,1),f′(x)>0,f(x)单调递增;若x∈(1,+∞),f′(x)<0,f(x)单调递减,所以f(x)max=f(1)=-1.
(2)由f(x)=ax--(a+1)ln x(x>0),得f′(x)=a+-=(x>0).当a=0时,由(1)可知,f(x)不存在零点;当a<0时,f′(x)=,若x∈(0,1),f′(x)>0,f(x)单调递增,若x∈(1,+∞),f′(x)<0,f(x)单调递减,所以f(x)max=f(1)=a-1<0,所以f(x)不存在零点;当a>0时,f′(x)=,若a=1,f′(x)≥0,f(x)在(0,+∞)上单调递增,因为f(1)=a-1=0,所以函数f(x)恰有一个零点,若a>1,f(x)在,(1,+∞)上单调递增,在上单调递减,因为f(1)=a-1>0,所以f>f(1)>0,当x→0+时,f(x)→-∞,由函数零点存在定理可知f(x)在上必有一个零点,所以a>1满足条件,若0<a<1,f(x)在(0,1),上单调递增,在上单调递减,因为f(1)=a-1<0,所以f<f(1)<0,当x→+∞时,f(x)→+∞,由函数零点存在定理可知f(x)在上必有一个零点,即0<a<1满足条件.综上,若f(x)恰有一个零点,a的取值范围为(0,+∞).
◎创新·变式
变式 (2025·云南一模)已知函数f(x)=e2x+(1-2a)ex-ax(a∈R).
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)有两个零点,求a的取值范围.
解 (1)f′(x)=2e2x+(1-2a)ex-a=(2ex+1)(ex-a).当a≤0时,f′(x)>0,故f(x)在R上单调递增;当a>0时,令f′(x)<0,得x<ln a,令f′(x)>0,得x>ln a,故f(x)在(-∞,ln a)上单调递减,在(ln a,+∞)上单调递增.综上所述,当a≤0时,f(x)在R上单调递增;当a>0时,f(x)在(-∞,ln a)上单调递减,在(ln a,+∞)上单调递增.
(2)当a≤0时,f(x)在R上单调递增,不符合题意,故a>0.由(1)知,当a>0时,f(x)min=f(ln a)=a(1-a-ln a).因为f(x)有两个零点,所以a(1-a-ln a)<0.又因为a>0,所以1-a-ln a<0.令h(a)=1-a-ln a(a>0),则h′(a)=-1-=-<0,所以h(a)在(0,+∞)上单调递减,且h(1)=0,所以当a>1时,h(a)<0,即f(x)min<0.又f(-1)=++a=++>0,f(x)在(-1,ln a)上有一个零点;因为ex>x,所以f(x)>e2x-2aex-ax>e2x-2aex-aex=ex(ex-3a).所以当x>ln 3a时,f(x)>0,f(x)在(ln a,ln 3a)上有一个零点.综上所述,f(x)有两个零点时,a的取值范围(1,+∞).
学科网(北京)股份有限公司
$