内容正文:
第3章 一元函数的导数及其应用
微专题5:三次函数的图象与性质
2027届高考一轮复习
数学
1
设F(x)=ax3+bx2+cx+d(a≠0),则F'(x)=3ax2+2bx+c是二次函数.
可能有以下三种情形:
情形1函数F'(x)没有零点,F'(x)在(-∞,+∞)上不变号,如图1.
(1)若a>0,则F'(x)恒为正,F(x)在(-∞,+∞)上单调递增.
(2)若a<0,则F'(x)恒为负,F(x)在(-∞,+∞)上单调递减.
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情形2函数F'(x)有一个零点x=w,如图2.
(1)若a>0,则F'(x)在(-∞,w)∪(w,+∞)上恒为正,F(x)在(-∞,+∞)上单调递增.
(2)若a<0,则F'(x)在(-∞,w)∪(w,+∞)上恒为负,F(x)在(-∞,+∞)上单调递减.
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3
情形3函数F'(x)有两个零点x=u和x=v,设u<v,如图3,根据二次函数的性质可得:
(1)若a>0,则F'(x)在(-∞,u)和(v,+∞)上为正,在(u,v)上为负,对应地,F(x)在(-∞,u)上递增,在(u,v)上递减,在(v,+∞)上递增.
可见F(x)在x=u处取极大值,在x=v处取极小值.
(2)若a<0,则F'(x)在(-∞,u)和(v,+∞)上为负,
在(u,v)上为正,对应地,F(x)在(-∞,u)上递减,
在(u,v)上递增,在(v,+∞)上递减.
可见F(x)在x=u处取极小值,在x=v处取极大值.
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例1 (1)(2025·江苏苏州·模拟预测)已知函数f(x)=x3-3x2+ax+2,若f(x)在(-1,1)有唯一的极值点且为极大值点,则a的取值范围为 .
(-9,3)
[解析] 函数f(x)=x3-3x2+ax+2,则f'(x)=3x2-6x+a,
因为f(x)在(-1,1)有唯一的极值点且为极大值点,
所以根据零点的存在性定理得f'(-1)·f'(1)<0,
f'(x)=3x2-6x+a的图象是开口向上的抛物线,对称轴为 x= - =1,
由于对称轴x=1在区间(-1,1)右侧,
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要使f'(x)在(-1,1)内有唯一的变号零点,则需满足
而f'(-1)=3×(-1)2-6×(-1)+a=3+6+a=9+a,
f'(1)=3×12-6×1+a=3-6+a=a-3,
则不等式组可化为 解得-9<a<3,
综上,a的取值范围为(-9,3).
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(2)求函数f(x)=x3+x2-2x+1在区间[-2,1]上的最大值和最小值.
[解析] 求导得f'(x)=3x2+x-2.令f'(x)=0,则x1=-1,x2=.
由于x1和x2都在区间[-2,1]内,所以可列表如下:
x [-2,-1) -1
f'(x) + 0 - 0 +
f(x) 递增 极大值 递减 极小值 递增
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又f(-2)=-1,f(1)=,
将它们与极值比较可得,该函数在[-2,1]上的最大值为,最小值为-1.
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[小结]1.利用导数判断三次函数单调性的步骤:
(1)求导数y=f'(x).
(2)解不等式f'(x)>0,函数在解集与定义域的交集上单调递增.
(3)解不等式f'(x)<0,函数在解集与定义域的交集上单调递减.
2.三次函数极值和极值点的求解步骤
(1)求导数y=f'(x).
(2)求方程f'(x)=0的根.
(3)用方程f'(x)=0的根顺次将函数的定义域分成若干个小开区间,并列成表格.
(4)由f'(x)在方程f'(x)=0的根左右的符号,来判断f(x)在这个根处取极值的情况.
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3.三次函数在闭区间上的最值的求解步骤
(1)求导数y=f'(x).
(2)解方程f'(x)=0.
(3)求极值、端点处的函数值,确定最值.
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【针对训练】
1.(2025高三·上海·月考)已知函数y=x3-x2-3x+a,a∈R在区间(t-4,t+4)上有最大值,则实数t的取值范围是( )
A.(-5,1) B.(-5,1]
C.(-5,3) D.(-5,3]
B
[解析] 由f(x)=x3-x2-3x+a得f'(x)=x2-2x-3=(x+1)(x-3),
则f'(x)>0得x<-1或x>3;f'(x)<0得-1<x<3,
则f(x)在(-∞,-1)和(3,+∞)上单调递增,
在(-1,3)上单调递减,又f(-1)=f(5),
则f(x)在区间(t-4,t+4)上有最大值时有t-4<-1,-1<t+4≤5,
得-5<t≤1,则实数t的取值范围是(-5,1].故选B.
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2.(多选)已知函数f(x)=ax3-bx+2,则( )
A.f(x)的值域为R
B.f(x)图象的对称中心为(0,2)
C.当b-3a>0时,f(x)在区间(-1,1)内单调递减
D.当ab>0时,f(x)有两个极值点
BD
[解析] A选项:当a,b至少一个不为0,则函数f(x)为三次函数或者一次函数,
值域均为R;当a,b均为0时,值域为{2},故A错误;
B选项:函数g(x)=f(x)-2=ax3-bx满足g(-x)=-ax3+bx=-g(x),可知g(x)为奇函数,
其图象关于(0,0)中心对称,因为f(x)的图象为g(x)的图象向上移动两个单位后得到的,所以关于(0,2)中心对称,故B正确;
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C选项:f'(x)=3ax2-b,当b-3a>0时,取a=-1,b=-1,当x∈时,f'(x)=-3x2+1>0,f(x)在区间上单调递增,C选项错误;
D选项:f'(x)=3ax2-b,当ab>0时,f'(x)=3ax2-b=0有两个不相等的实数根,
所以函数f(x)有两个极值点.故D正确.故选BD.
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2.利用极值研究三次函数的零点
例2 (1)(多选)设f(x)=x3+bx2+cx+d,又k是一个常数,若当k<0或k>4时,f(x)-k=0只有一个实根;当0<k<4时,f(x)-k=0有三个相异实根,则下列命题正确的是( )
A.f(x)-4=0和f'(x)=0有一个相同的实根
B.f(x)=0和f'(x)=0有一个相同的实根
C.f(x)+3=0的任一实根大于f(x)-1=0的任一实根
D.f(x)+5=0的任一实根小于f(x)-2=0的任一实根.
ABD
[解析] ∵f(x)=x3+bx2+cx+d,当k<0或k>4时,f(x)-k=0只有一个实根,
当0<k<4时,f(x)-k=0有三个相异实根,故函数既有极大值,又有极小值,
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且极大值为4,极小值为0,且极大值点小于极小值点,
故f(x)-4=0与f'(x)=0有一个相同的实根,即极大值点,故A正确;
f(x)=0与f'(x)=0有一个相同的实根,即极小值点,故B正确;
f(x)+3=0有一实根小于函数最小的零点,
f(x)-1=0有三个实根均大于函数最小的零点,故C错误;
f(x)+5=0有一实根小于函数最小的零点,
f(x)-2=0有三个实根均大于函数最小的零点,故D正确.故选ABD.
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(2)(2025·湖南·二模)已知函数f(x)=x3+ax2+bx+c有三个不同的零点x1,x2,x3.
(ⅰ)若a=1,b=-1,求c的取值范围;
(ⅱ)若a=,b>0,x1=0,且对任意x∈[x2,x3](x2<x3)都有f(x)>f(-1)恒成立,求实数b的取值范围;
(ⅲ)若a=b>0,c=0,比较f(x)的极小值与-1的大小.
[解析] (ⅰ)a=1,b=-1时,f(x)=x3+x2-x+c,f'(x)=3x2+2x-1=(x+1)(3x-1),
知x∈(-∞,-1)∪时,f'(x)>0;x∈时,f'(x)<0,
所以f(x)在(-∞,-1),上单调递增,在上单调递减,
故f(x)的极大值是f(-1)=1+c,f(x)的极小值是f=-+c,
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由f(x)有三个零点知解得-1<c<.
(ⅱ)由x1=0知c=0,所以f(x)=x3+x2+bx=x,
所以x2,x3是方程x2+x+b=0的两个根,
即有Δ=-4b>0,得0<b<,x2+x3=-,x2x3=b>0,
所以x2<0,x3<0,由x2<x3,得x2=--x3<x3⇒0>x3>->-1,
①x2≤-1<x3时,f(-1)=-(-1-x2)(-1-x3)≥0=f(x2),
则此时f(x)>f(-1)不成立;
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②-1<x2<x3时,f(x)=x(x-x2)(x-x3)≥0,
所以只需f(-1)<0,即-1+-b<0,解得b>.
综上可知<b<.
(ⅲ)当a=b,c=0时,f(x)=x3+ax2+ax,f'(x)=3x2+2ax+a,
由f(x)有三个零点知f'(x)=0有两个不相等的解,记为t1,t2(设t1<t2),
所以有Δ=4a2-12a>0,得a>3(a<0舍去),
由求根公式知t1=,t2=,
f(x)在(-∞,t1),(t2,+∞)上单调递增,在(t1,t2)上单调递减,
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所以f(x)的极小值为f(t2)=+a+at2,
由f'(t2)=0,得3+2at2+a=0,得a= ,
代入得f(t2)=- - = ,
由t2= 及a>3知t2>-1,
考虑函数g(x)= ,x>-1,g'(x)= <0,
所以g(x)在(-1,+∞)上单调递减,
所以g(x)<g(-1)=-1,所以f(t2)<-1,所以f(x)的极小值小于-1.
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[小结]判断三次函数f(x)的零点情况的思路
(1)求导数f'(x)及函数f'(x)的零点.
(2)用f'(x)的零点将函数f(x)的定义域划分为若干个区间,列表给出f'(x)在各个区间上的正负,并得出f(x)的单调性与极值.
(3)画出f(x)的大致图象.
(4)分析函数f(x)的零点情况.
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【针对训练】
3.(2025·云南·一模)已知函数f(x)=x3+ax2+bx+c,其导函数f'(x)的图象关于直线x=-对称,且f'(1)=0.若函数y=f(x)有三个零点,则实数c的取值范围是( )
A. B.
C. D.∪(0,+∞)
C
[解析] 因为f(x)=x3+ax2+bx+c,所以f'(x)=3x2+2ax+b,
因为f'(x)的图象关于直线x=-对称,所以x=-=-,所以a=,
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又f'(1)=3+2a+b=3+2×+b=0,解得b=-6,
所以f(x)=x3+x2-6x+c,所以f'(x)=3x2+3x-6=3(x+2)(x-1),
当x<-2或x>1时,f'(x)>0,f(x)单调递增;
当-2<x<1时,f'(x)<0,f(x)单调递减,
所以当x=-2时,f(x)取到极大值f(-2)=-8+6+12+c=10+c,
当x=1时,f(x)取到极小值f(1)=1+-6+c=-+c,函数y=f(x)有三个零点,
所以解得-10<c<.故选C.
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4.设函数f(x)=x3+ax2+bx+c(a<0)在x=0处取得极值-1.
(1)设点A(-a,f(-a)),求证:过点A的切线有且只有一条,并求出该切线方程;
(2)若过点(0,0)可作曲线y=f(x)的三条切线,求a的取值范围;
(3)设曲线y=f(x)在点(x1,f(x1)),(x2,f(x2))(x1≠x2)处的切线都过点(0,0),证明:f'(x1)≠f'(x2).
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(1)设点A(-a,f(-a)),求证:过点A的切线有且只有一条,并求出该切线方程;
[解析] (1)证明:由f(x)=x3+ax2+bx+c(a<0),得f'(x)=x2+2ax+b,
由题意可得所以,f(x)=x3+ax2-1.
此时,f'(x)=x2+2ax,
当x<0时,f'(x)>0,此时函数f(x)单调递增,
当0<x<-2a时,f'(x)<0,此时函数f(x)单调递减,
所以,函数f(x)在x=0处取得极大值-1.
设切点为(x0,y0),则切线方程为y-y0=f'(x0)(x-x0),
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即y--a+1=(+2ax0)(x-x0),
即为y=(+2ax0)x--a-1,
将点(-a,f(-a))的坐标代入方程可得+3a+3a2x0+a3=0,
即(x0+a)3=0,所以x0=-a,即点A为切点,且切点是唯一的,
故切线有且只有一条.
所以切线方程为a2x+y+a3+1=0.
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(2)因为切线方程为y=(+2ax0)x--a-1,
把点(0,0)的坐标代入切线方程可得+a+1=0,
因为有三条切线,故方程+a+1=0有三个不同的实根.
设g(x)=x3+ax2+1(a<0),g'(x)=2x2+2ax,
令g'(x)=2x2+2ax=0,可得x=0和x=-a.
当x∈(-∞,0)时,g'(x)>0,g(x)为增函数,
当x∈(0,-a)时,g'(x)<0,g(x)为减函数,
当x∈(-a,+∞)时,g'(x)>0,g(x)为增函数,
(2)若过点(0,0)可作曲线y=f(x)的三条切线,求a的取值范围;
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所以,函数g(x)在x=0处取得极大值,
且g(x)极大值=g(0)=1>0,
函数g(x)在x=-a处取得极小值,且g(x)极小值=g(-a)=-a3+a3+1=+1,
因为方程g(x)=0有三个根,则g(-a)=+1<0,解得a<-,
因为g=a×<0,g(-3a)=-9a3+1>0,
由零点存在定理可知,函数g(x)有三个零点,
综上所述,a<-.
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(3)证明:假设f'(x1)=f'(x2),则+2ax1=+2ax2,则(x1-x2)(x1+x2+2a)=0,
因为x1≠x2,所以x1+x2=-2a.
由(2)可得两式相减可得(-)+a(-)=0.
因为x1≠x2,故(+x1x2+)+a(x1+x2)=0.
把x1+x2=-2a代入上式可得,+x1x2+=3a2,
(3)设曲线y=f(x)在点(x1,f(x1)),(x2,f(x2))(x1≠x2)处的切线都过点(0,0),证明:f'(x1)≠f'(x2).
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所以(x1+x2)2-x1x2=3a2,(-2a)2-x1x2=3a2,所以x1x2=a2.
又由x1x2<==a2,这与x1x2=a2矛盾.
所以假设不成立,即证得f'(x1)≠f'(x2).
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3.“牛顿法”及其应用
例3 (1)(多选)英国数学家牛顿在17世纪给出了一种求方程近似根的方法—牛顿迭代法,做法如下:如图,设r是f(x)=0的根,选取x0作为r的初始近似值,过点(x0,f(x0))作曲线y=f(x)的切线l:y-f(x0)=f'(x0)(x-x0),则l与x轴的交点的横坐标x1=x0-(f'(x0)≠0),称x1是r的第一次近似值;过点(x1,f(x1))作曲线y=f(x)的切线,则该切线与x轴的交点的横坐标为x2,称x2是r的第二次近似值;重复以上过程,得到r的近似值序列,其中xn+1=xn-(f'(xn)≠0),称xn+1是r的n+1次近似值,这种求方程f(x)=0近似解的方法称为牛顿迭代法.
若使用该方法求方程x2-3=0的近似解,记f(x)=x2-3,则( )
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A.若取初始近似值为1,则过点(1,f(1))的曲线y=x2-3的切线为y=2x-4
B.若取初始近似值为1,则该方程解的第二次近似值为
C.x3=x0-+-
D.xn+1=x0----…-
√
√
√
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[解析] 因为函数f(x)=x2-3,则f'(x)=2x,取初始近似值x0=1,f(x0)=-2,f'(x0)=2,
则y-(-2)=2(x-1),即y=2x-4,故A正确;
x0=1⇒x1=x0-=1-=2,x2=x1-=2-=,故B正确;
根据题意,可知x1=x0-,x2=x1-,x3=x2-,…,xn+1=xn-,
上述式子相加,得xn+1=x0----…-,
所以x3=x0---,故C错误,D正确.故选ABD.
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(2)(2025高三上·安徽六安·月考)牛顿在《流数法》一书中,给出了高次代数方程的一种数值解法——牛顿法.具体做法如下:先在x轴找初始点P0(x0,0),然后作y=f(x)在点Q0(x0,f(x0))处的切线,切线与x轴交于点P1(x1,0),再作y=f(x)在点Q1(x1,f(x1))处的切线(Q1P1⊥x轴,以下同),切线与x轴交于点P2(x2,0),再作y=f(x)在点Q2(x2,f(x2))处的切线,一直重复,可得到一列数:x0,x1,x2,…,xn.显然,它们会越来越逼近r.于是,求r近似解的过程转化为求xn,若设精度为ε,则把首次满足|xn-|<ε的xn称为r的近似解.
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①设f(x)=x3+x2+1,试用牛顿法求方程f(x)=0满足精度ε=0.4的近似解(取x0=-1,且结果保留小数点后第二位);
②如上图,设函数g(x)=2x;
(ⅰ)由以前所学知识,我们知道函数g(x)=2x没有零点,你能否用上述材料中的牛顿法加以解释?
(ⅱ)若设初始点为P0(0,0),类比上述算法,求所得前n个三角形△P0Q0P1,△P1Q1P2,…,△Pn-1Qn-1Pn的面积和.
[解析] ①由函数f(x)=x3+x2+1,则f'(x)=3x2+2x,切线斜率k1=f'(-1)=1,f(-1)=1,那么在x0=-1点处的切线方程为y-1=x+1,
所以x1=-2,且|x1-x0|≥0.5,k2=f'(-2)=8,f(-2)=-3,
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那么在x1=-2点处的切线方程为y+3=8(x+2),
所以x2=-≈-1.63,且|x2-x1|<0.4,
故用牛顿法求方程f(x)=0满足精度ε=0.4的近似解为-1.63.
②(ⅰ)设(,0),则(,g()),
因为g(x)=2x,所以g'(x)=2xln 2,
则(,g())处的切线为y=×ln 2×(x-xn-1)+,
切线与x轴相交得Pn(xn,0),xn-xn-1=-,即|xn-xn-1|=为定值,
根据牛顿法,此函数没有零点.
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(ⅱ)因为x0=0得xn-1=-,
所以|P0P1|=|P1P2|=|P2P3|=…|Pn-1Pn|=,g(xn-1)==()n-1= ,
所以++…+
= ×
=
= · = ·= log4e.
故所得前n个三角形△P0Q0P1,△P1Q1P2,…,△Pn-1Qn-1Pn的面积和为log4e.
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[小结](1)牛顿迭代法亦称切线法,牛顿迭代法是求函数零点近似解的另一种方法,若定义xk(k∈N)是函数零点近似解的初始值,过点Pk(xk,f(xk))的切线为y=f'(xk)(x-xk)+f(xk),切线与x轴交点的横坐标xk+1,即为函数零点近似解的下一个初始值,以此类推,满足精度的初始值即为函数零点的近似解.
(2)本题第二问的关键在于根据xn-xn-1=-,再结合牛顿法得到xn-1=-.
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【针对训练】
5.设函数f(x)=x2-2,满足x0=2,应用牛顿迭代法,则x2=( )
A. B. C. D.
C
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[解析] 根据题意,由f(x)=x2-2可得f'(x)=2x,则f'(x0)=f'(2)=4,
又f(2)=2,所以过点(2,2)的切线为y=4(x-2)+2,
令y=0,可得x=,即x1=.
同理f'(x1)=f'=3,f=-2= ,
所以过点的切线为y=3+,
令y=0,可得x= ,即x2= .
故选C.
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6.(2025·内蒙古呼和浩特·二模)17世纪,牛顿在《流数法与无穷级数》
一书中,给出了代数方程的一种数值解法:如图所示,我们想要找到f(x)=0的根,即A点的横坐标,则可以先在A点附近取一个初始值,
比如x0,然后在以x0为横坐标的B点处作一条切线,并求出该切线与
x轴的交点横坐标x1,此时,我们会发现x1比初始值x0更接近A点.
(1)根据牛顿迭代法,求x1;
如果重复这个过程,不断绘制切线并计算其与x轴的交点,依次迭代下去,
我们将得到x2,x3,x4,…,xn+1,根据给定的精确度ξ,直到求得满足精度|xn+1-xn|<ξ 的近似解xn+1为止(n∈N).这就是牛顿迭代法(切线法)的原理.已知f(x)=ex-x2,取x0=1.
(2)求xn+1与xn的关系式(n∈N);
(3)牛顿迭代法中蕴含了“以直代曲”的数学思想,直线常常取曲线的切线或割线.若g(x)=xln x-x2+(e-1)x+1,求证:f(x)≥g(x).
(注:ln 4=1.386)
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[解析] (1)f(x)=ex-x2,x∈R,f'(x)=ex-2x,
当x0=1时,f(x0)=e-1,f'(x0)=-2x0=e-2,
因此切线l:y-(e-1)=(e-2)(x-1),
令y=0,可得x1=-+1=.
(1)根据牛顿迭代法,求x1;
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[解析](2)当切点为(xn,f(xn))时切线方程为l:y-f(xn)=f'(xn)(x-xn).
令y=0,可得:xn+1=-+xn= -+xn= = (n∈N),
即xn+1= (n∈N).
(2)求xn+1与xn的关系式(n∈N);
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[解析](3)证明:由(1)知,函数f(x)的图象在(1,e-1)处的切线方程为y=(e-2)x+1.
①先证:当x>0,f(x)的图象恒在切线y=(e-2)x+1的上方,
即当x>0时,ex-x2≥(e-2)x+1,即ex-x2-(e-2)x-1≥0.
令h(x)=ex-x2-(e-2)x-1,则h(0)=h(1)=0,
易知h'(x)=ex-2x-(e-2),令m(x)=h'(x)=ex-2x-(e-2),
可得m'(x)=ex-2,易知m'(ln 2)=0,
(3)牛顿迭代法中蕴含了“以直代曲”的数学思想,直线常常取曲线的切线或割线.
若g(x)=xln x-x2+(e-1)x+1,求证:f(x)≥g(x).
(注:ln 4=1.386)
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∴h'(x)在区间(0,ln 2)上单调递减,在区间(ln 2,+∞)上单调递增,
又h'(ln 2)=4-e-2ln 2<0,h'(0)=3-e>0,h'(1)=0,
∴存在x0∈(0,ln 2)使得h'(x0)=0,
∴h(x)在区间(0,x0)上单调递增,在区间(x0,1)上单调递减,在区间(1,+∞)上单调递增.
又h(0)=h(1)=0,
∴当x>0时,h(x)≥0,即ex-x2≥(e-2)x+1,即f(x)≥(e-2)x+1.
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②下证:(e-2)x+1≥g(x)=xln x-x2+(e-1)x+1.
即(e-2)x+1-[xln x-x2+(e-1)x+1]≥0,即x-1-ln x≥0.
令p(x)=x-1-ln x(x>0),
则p'(x)=1-=,则p(x)在区间(0,1)上单调递减,在区间(1,+∞)上单调递增,又p(1)=0,
显然当x>0时,p(x)≥0恒成立,即(e-2)x+1≥g(x)恒成立,
由①②可得f(x)≥g(x).
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