内容正文:
第11节 利用导数研究函数的单调性
第二章 函数、导数及其应用
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第二章 函数、导数及其应用
高考总复习 人教数学B版(新教材)
跃升 关键能力
02
课后 素养提能
03
夯实 必备知识
01
第二章 函数、导数及其用应用
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最新课程标准
教师专享
核心素养
考情聚焦
1.结合实例,借助几何直观了解函数的单调性与导数的关系.
2.能利用导数研究函数的单调性.
3.会求函数的单调区间(其中多项式函数不超过三次)
1.利用导数判断或证明函数的单调性,发展逻辑推理和数学运算素养.
2.利用导数求函数的单调区间,提升逻辑推理和数学运算素养.
3.已知函数的单调性求参数的取值范围,提升逻辑推理和数学运算素养
利用导数研究函数的单调性是高考考查的热点内容,主要考查利用导数讨论函数的单调性,利用导数确定函数的单调区间、已知函数的单调性求参数的取值范围等,考查转化与化归、分类讨论、数形结合等思想方法.题型主要以解答题为主,属于中高档题
1.函数的单调性与导数的关系
函数y=f(x)在区间(a,b)内可导:
(1)若f′(x)>0,则f(x)在区间(a,b)上是增函数;
(2)若f′(x)<0,则f(x)在区间(a,b)上是减函数;
(3)若f′(x)=0,则f(x)在区间(a,b)上是常数函数.
2.求函数单调区间的步骤
(1)求定义域.
(2)求导.
(3)由导数大于0求单调递增区间;由导数小于0求单调递减区间.
1.f′(x)>0(或f′(x)<0)是f(x)在(a,b)内单调递增(或递减)的充分不必要条件.
2.若f(x)可导且f′(x)=0不恒成立,则f′(x)≥0(或f′(x)≤0)是f(x)在(a,b)内单调递增(或递减)的充要条件.
◆[思考辨析]
判断下列说法是否正确,正确的在它后面的括号里打“√”,错误的打“×”.
(1)f′(x)>0是f(x)为增函数的充要条件.( )
(2)函数的导数越小,函数的变化越慢,函数的图像就越“平缓”.( )
(3)如果函数f(x)在某个区间内恒有f′(x)=0,则f(x)在此区间内为常数函数.( )
(4)f(x)在(a,b)上单调递增与(a,b)是f(x)的单调递增区间意义不一样.( )
[答案] (1)× (2)× (3)√ (4)√
◆[小题查验]
1.(教材改编)如图所示是函数f(x)的导函数f′(x)的图像,则下列判断中正确的是( )
A.函数f(x)在区间(-3,0)上是减函数
B.函数f(x)在区间(-3,2)上是减函数
C.函数f(x)在区间(0,2)上是减函数
D.函数f(x)在区间(-3,2)上是单调函数
解析:A [当x∈(-3,0)时,f′(x)<0,则f(x)在(-3,0)上是减函数,其他判断均不正确.]
2.函数f(x)=1+x-sin x在(0,2π)上的单调情况是( )
A.单调递增
B.单调递减
C.先增后减
D.先减后增
解析:A [在(0,2π)上有f′(x)=1-cos x>0,所以f(x)在(0,2π)上单调递增.]
3.(2024·和平区一模)已知f(x)是定义在R上的函数,它的图像上任意一点P(x0,y0)处的切线方程为y=(xeq \o\al(2,0)+x0-2)x+(y0-xeq \o\al(3,0)-xeq \o\al(2,0)+2x0),那么函数f(x)的单调递减区间为( )
A.(-2,1)
B.(-1,2)
C.(-∞,-2)
D.(1,+∞)
解析:A [由图像上任意一点P(x0,y0)处的切线方程为y=(xeq \o\al(2,0)+x0-2)x+(y0-xeq \o\al(3,0)-xeq \o\al(2,0)+2x0),
知f(x)的导数为f′(x)=x2+x-2,
令f′(x)<0,解得:-2<x<1,故选A.]
4.(教材改编)函数f(x)=x-ln x的单调递减区间为 ________ .
解析:函数的定义域是(0,+∞),且f′(x)=1-eq \f(1,x)=eq \f(x-1,x),令f′(x)<0,得0<x<1,故f(x)的单调递减区间为(0,1).
答案:(0,1)
5.已知f(x)=x3-ax在[1,+∞)上是增函数,则a的最大值是 ________ .
解析:f′(x)=3x2-a≥0,即a≤3x2,
又∵x∈[1,+∞),∴a≤3,即a的最大值是3.
答案:3
利用导数判断或证明函数的单调性(重难点)
[典例] 已知函数f(x)=2ln x+1.
(1)若f(x)≤2x+c,求c的取值范围;
(2)设a>0,讨论函数g(x)=eq \f(fx-fa,x-a)的单调性.
[解] (1)函数f(x)的定义域为(0,+∞),
f(x)≤2x+c⇒f(x)-2x-c≤0⇒
2ln x+1-2x-c≤0(*),
设h(x)=2ln x+1-2x-c(x>0),
则有h′(x)=eq \f(2,x)-2=eq \f(21-x,x),
当x>1时,h′(x)<0,h(x)单调递减,
当0<x<1时,h′(x)>0,h(x)单调递增,
所以当x=1时,函数h(x)有最大值,
即h(x)max=h(1)=2ln 1+1-2×1-c=-1-c,
要想不等式(*)在(0,+∞)上恒成立,
只需h(x)max≤0⇒-1-c≤0⇒c≥-1.
(2)g(x)=eq \f(2ln x+1-2ln a+1,x-a)=eq \f(2ln x-ln a,x-a)(x>0且x≠a),
因此g′(x)=eq \f(2x-a-xln x+xln a,xx-a2),
设m(x)=2(x-a-xln x+xln a),
则有m′(x)=2(ln a-ln x),
当x>a时,ln x>ln a,所以m′(x)<0,m(x)单调递减,
因此有m(x)<m(a)=0,即g′(x)<0,所以g(x)单调递减;
当0<x<a时,ln x<ln a,所以m′(x)>0,m(x)单调递增,
因此有m(x)<m(a)=0,即g′(x)<0,所以g(x)单调递减,
所以函数g(x)在区间(0,a)和(a,+∞)上单调递减,没有递增区间.
导数法证明函数f(x)在(a,b)内的单调性的步骤
(1)求f′(x);
(2)确认f′(x)在(a,b)内的符号;
(3)下结论:f′(x)>0时为增函数;f′(x)<0时为减函数.
易错警示:研究含参数函数的单调性时,需注意依据参数取值对不等式解集的影响进行分类讨论.
讨论函数f(x)=ln(x+1)-eq \f(ax,x+a)(a>1)的单调性.
解:f(x)的定义域为(-1,+∞),f′(x)=eq \f(x[x-a2-2a],x+1x+a2).
①当1<a<2时,若x∈(-1,a2-2a),则f′(x)>0,f(x)在(-1,a2-2a)内是增函数;
若x∈(a2-2a,0),则f′(x)<0,f(x)在(a2-2a,0)内是减函数.
若x∈(0,+∞),则f′(x)>0,f(x)在(0,+∞)内是增函数.
②当a=2时,f′(x)≥0,f′(x)=0成立当且仅当x=0,f(x)在(-1,+∞)内是增函数.
③当a>2时,若x∈(-1,0),则f′(x)>0,f(x)在(-1,0)内是增函数;
若x∈(0,a2-2a),则f′(x)<0,f(x)在(0,a2-2a)内是减函数;
若x∈(a2-2a,+∞),则f′(x)>0,f(x)在(a2-2a,+∞)内是增函数.
利用导数求函数的单调区间(重难点)
[典例] 已知函数f(x)=eq \f(x,4)+eq \f(a,x)-ln x-eq \f(3,2),其中a∈R,且曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线垂直于直线y=eq \f(1,2)x.
(1)求a的值;
(2)求函数f(x)的单调区间.
[解] (1)对f(x)求导得f′(x)=eq \f(1,4)-eq \f(a,x2)-eq \f(1,x),
由f(x)在点(1,f(1))处的切线垂直于直线y=eq \f(1,2)x,
知f′(1)=-eq \f(3,4)-a=-2,解得a=eq \f(5,4).
(2)由(1)知f(x)=eq \f(x,4)+eq \f(5,4x)-ln x-eq \f(3,2),
则f′(x)=eq \f(x2-4x-5,4x2),
令f′(x)=0,解得x=-1或x=5,
因x=-1不在f(x)的定义域(0,+∞)内,故舍去.
当x∈(0,5)时,f′(x)<0,故f(x)在(0,5)内为减函数;当x∈(5,+∞)时,f′(x)>0,故f(x)在(5,+∞)内为增函数.
利用导数求函数单调区间的方法
(1)当导函数不等式可解时,解不等式f′(x)>0或f′(x)<0求出单调区间.
(2)当方程f′(x)=0可解时,解出方程的实根,依照实根把函数的定义域划分为几个区间,确定各区间f′(x)的符号,从而确定单调区间.
(3)若导函数对应的方程、不等式都不可解,根据f′(x)结构特征,利用图像与性质确定f′(x)的符号,从而确定单调区间.
提醒:若所求函数的单调区间不止一个,这些区间之间不能用并集“∪”及“或”连接,只能用“,”“和”字隔开.
已知函数f(x)=ln(ex+1)-ax(a>0).
(1)若函数y=f(x)的导函数是奇函数,求a的值;
(2)求函数y=f(x)的单调区间.
解:(1)函数f(x)的定义域为R.
由已知得f′(x)=eq \f(ex,ex+1)-a.
∵函数y=f(x)的导函数是奇函数,
∴f′(-x)=-f′(x),即eq \f(e-x,e-x+1)-a=-eq \f(ex,ex+1)+a,
解得a=eq \f(1,2).
(2)由(1)f′(x)=eq \f(ex,ex+1)-a=1-eq \f(1,ex+1)-a.
①当a≥1时,f′(x)<0恒成立,
∴a∈[1,+∞)时,函数y=f(x)在R上单调递减.
②当0<a<1时,由f′(x)>0得(1-a)(ex+1)>1,即ex>-1+eq \f(1,1-a),解得x>ln eq \f(a,1-a),
由f′(x)<0得(1-a)(ex+1)<1,
即ex<-1+eq \f(1,1-a),解得x<ln eq \f(a,1-a).
∴a∈(0,1)时,函数y=f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ln \f(a,1-a),+∞))上单调递增,在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,ln\f(a,1-a)))上单调递减.
函数单调性的简单应用
◆[命题角度1] 比较大小或解不等式(重难点)
1.已知实数a,b,c∈(0,1),且a=2 023ea-2 023,b=2 024eb-2 024,c=2 025ec-2 025,则( )
A.a<b<c
B.b<c<a
C.c<a<b
D.c<b<a
解析:D [由a=2 023ea-2 023,b=2 024eb-2 024,c=2 025ec-2 025,得eq \f(ea,a)=eq \f(e2 023,2 023),eq \f(eb,b)=eq \f(e2 024,2 024),eq \f(ec,c)=eq \f(e2 025,2 025),
令f(x)=eq \f(ex,x),x>0,则f′(x)=eq \f(exx-1,x2),当0<x<1时,f′(x)<0,当x>1时,f′(x)>0,
于是函数f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,则f(2 023)<f(2 024)<f(2 025),
即eq \f(e2 023,2 023)<eq \f(e2 024,2 024)<eq \f(e2 025,2 025),因此eq \f(ea,a)<eq \f(eb,b)<eq \f(ec,c),即f(a)<f(b)<f(c),又a,b,c∈(0,1),
所以c<b<a.]
2.(多选)(2024·山东省高三模拟)已知函数f(x)=ex+e-x+|x|.则下面结论正确的是( )
A.f(x)是奇函数
B.f(x)在[0,+∞)上为增函数
C.若x≠0,则feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,x)))>e2+2
D.若f(x-1)<f(-1),则0<x<2
解析:BCD [对于A选项,函数f(x)=ex+e-x+|x|的定义域为R,
f(-x)=e-x+ex+|-x|=e-x+ex+|x|
=f(x),则函数y=f(x)为偶函数,A选项错误;
对于B选项,当x≥0时,f(x)=ex+e-x+x,
则f′(x)=ex-e-x+1≥1,
所以,函数y=f(x)在[0,+∞)上为增函数,B选项正确;
对于C选项,当x>0时,由基本不等式可得x+eq \f(1,x)≥2eq \r(x·\f(1,x))=2,
由于函数y=f(x)在[0,+∞)上为增函数,此时feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,x)))≥f(2)=e2+e-2+2>e2+2,
由于函数y=x+eq \f(1,x)为奇函数,当x<0时,-x-eq \f(1,x)≥2eq \r(-x·\f(1,-x))=2,feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,x)))=feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-x-\f(1,x)))>e2+2.
综上所述,当x≠0时,feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,x)))>e2+2,C选项正确;
对于D选项,由于函数y=f(x)为偶函数,由f(x-1)<f(-1),得f(|x-1|)<f(1),
由于函数y=f(x)在[0,+∞)上为增函数,则|x-1|<1,解得0<x<2,D选项正确.]
构造法解f(x)与f′(x)共存问题
(1)对于不等式f′(x)+g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=f(x)+g(x).
(2)对于不等式f′(x)-g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=f(x)-g(x).
特别地,对于不等式f′(x)>k(或<k)(k≠0),构造函数F(x)=f(x)-kx.
(3)对于不等式f′(x)g(x)+f(x)g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=f(x)g(x).
(4)对于不等式f′(x)g(x)-f(x)g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=eq \f(fx,gx)(g(x)≠0).
(5)对于不等式xf′(x)+f(x)>0(或<0),构造函数F(x)=xf(x).
(6)对于不等式xf′(x)-f(x)>0(或<0),构造函数F(x)=eq \f(fx,x)(x≠0).
(7)对于xf′(x)+nf(x)>0型,构造F(x)=
xnf(x),则F′(x)=xn-1[xf′(x)+nf(x)](注意对xn-1的符号进行讨论),特别地,当n=1时,xf′(x)+f(x)>0,构造F(x)=xf(x),则F′(x)=xf′(x)+f(x)>0.
(8)对于xf′(x)-nf(x)>0(x≠0)型,构造F(x)=eq \f(fx,xn),则F′(x)=eq \f(xf′x-nfx,xn+1)(注意对xn+1的符号进行讨论),特别地,当n=1时,xf′(x)-f(x)>0,构造F(x)=eq \f(fx,x),则F′(x)=eq \f(xf′x-fx,x2)>0.
(9)对于不等式f′(x)+f(x)>0(或<0),构造函数F(x)=exf(x).
(10)对于不等式f′(x)-f(x)>0(或<0),构造函数F(x)=eq \f(fx,ex).
◆[命题角度2] 已知函数的单调性求参数的取值范围(迁移点)
[母题] 已知函数f(x)=x3-ax-1.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)在R上为增函数,求实数a的取值范围.
[破题关键点] (1)讨论f′(x)的符号是正的还是负的;
(2)转化为f′(x)≥0在(-∞,+∞)上恒成立.
[解] (1)f′(x)=3x2-a.
①当a≤0时,f′(x)≥0,
所以f(x)在(-∞,+∞)上为增函数.
②当a>0时,令3x2-a=0,得x=±eq \f(\r(3a),3);
当x>eq \f(\r(3a),3)或x<-eq \f(\r(3a),3)时,f′(x)>0;
当-eq \f(\r(3a),3)<x<eq \f(\r(3a),3)时,f′(x)<0.
因此f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(\r(3a),3))),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3a),3),+∞))上为增函数,在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(\r(3a),3),\f(\r(3a),3)))上为减函数.
综上可知,当a≤0时,f(x)在R上为增函数;
当a>0时,f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(\r(3a),3))),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3a),3),+∞))上为增函数,在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(\r(3a),3),\f(\r(3a),3)))上为减函数.
(2)因为f(x)在(-∞,+∞)上是增函数,
所以f′(x)=3x2-a≥0在(-∞,+∞)上恒成立,
即a≤3x2对x∈R恒成立.
因为3x2≥0,所以只需a≤0.
又因为a=0时,f′(x)=3x2≥0,f(x)=x3-1在R上是增函数,所以a≤0,即a的取值范围为(-∞,0].
[子题1] 函数f(x)不变,若f(x)在区间(1,+∞)上为增函数,求a的取值范围.
解:因为f′(x)=3x2-a,且f(x)在区间(1,+∞)上为增函数,所以f′(x)≥0在(1,+∞)上恒成立,
即3x2-a≥0在(1,+∞)上恒成立,
所以a≤3x2在(1,+∞)上恒成立,所以a≤3,
即a的取值范围为(-∞,3].
[子题2] 函数f(x)不变,若f(x)在区间(-1,1)上为减函数,试求a的取值范围.
解:由f′(x)=3x2-a≤0在(-1,1)上恒成立,得a≥3x2在(-1,1)上恒成立.
因为-1<x<1,所以3x2<3,所以a≥3.
即当a的取值范围为[3,+∞)时,f(x)在(-1,1)上为减函数.
[子题3] 函数f(x)不变,若f(x)的单调递减区间为(-1,1),求a的值.
解:由母题可知,f(x)的单调递减区间为
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(\r(3a),3),\f(\r(3a),3))),∴eq \f(\r(3a),3)=1,即a=3.
[子题4] 函数f(x)不变,若f(x)在区间(-1,1)上不单调,求a的取值范围.
解:∵f(x)=x3-ax-1,∴f′(x)=3x2-a.
由f′(x)=0,得x=±eq \f(\r(3a),3)(a≥0).
∵f(x)在区间(-1,1)上不单调,
∴0<eq \f(\r(3a),3)<1,得0<a<3,
即a的取值范围为(0,3).
已知函数单调性,求参数范围的两个方法
(1)利用集合间的包含关系处理:y=f(x)在(a,b)上单调,则区间(a,b)是相应单调区间的子集.
(2)转化为不等式的恒成立问题:即“若函数单调递增,则f′(x)≥0;若函数单调递减,则f′(x)≤0”来求解.
易错警示:f(x)为增函数的充要条件是对任意的x∈(a,b)都有f′(x)≥0且在(a,b)内的任一非空子区间上f′(x)不恒为0.应注意此时式子中的等号不能省略,否则漏解.
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