内容正文:
主题二 函 数(必修第一册)
第二章 函 数
第2节 函数的单调性与最值
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主题二 第二章 函 数
高考总复习 数学(BS)
复盘 必备知识
01
跃升 关键能力
02
课时冲关
03
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课时作业
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主题二 第二章 函 数
高考总复习 数学(BS)
★[课程标准]
1.借助函数的图象,会用数学符号语言表达函数的单调性、最值,理解实际意义.
2.掌握求函数单调性与单调区间的求解方法,并能利用函数的单调性求最值.
1.函数的单调性
(1)单调函数的定义
增函数
减函数
定
义
设函数y=f(x)的定义域是D
如果对于 任意 的x1,x2∈D,当 x1<x2 时,都有 f(x1)<f(x2) ,那么就称函数y=f(x)是增函数.特别地,当I是定义域D上的一个区间时,也称函数在区间I上 单调递增 .
如果对于 任意 的x1,x2∈D,当 x1<x2 时,都有 f(x1)>f(x2) ,那么就称函数y=f(x)是减函数.特别地,当I是定义域D上的一个区间时,也称函数在区间I上 单调递减 .
图
象
描
述
自左向右看图象是上升的
自左向右看图象是下降的
(2)单调区间的定义
如果函数y=f(x)在区间I上单调递增或单调递减,那么就称函数y=f(x)在区间I上具有 单调性 .此时,区间I为函数y=f(x)的
单调区间 .
2.函数的最值
(1)若 存在 实数M,对所有的x∈D,都有 f(x)≤M ,且
存在 x0∈D,使得 f(x0)=M ,则称M为函数y=f(x)的最大值.
(2)若 存在 实数M,对所有的x∈D,都有 f(x)≥M ,且
存在 x0∈D,使得 f(x0)=M ,则称M为函数y=f(x)的最小值.
函数的最大值和最小值统称为 最值 .
1.单调性定义的推广
设∀x1,x2∈D(x1≠x2),则①x1-x2>0(或<0),f(x1)-f(x2)>0(或<0)⇔f(x)在D上单调递增;x1-x2>0(或<0),f(x1)-f(x2)<0(或>0)⇔f(x)在D上单调递减;
②eq \f(fx1-fx2,x1-x2)>0(或(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]>0)⇔f(x)在D上单调递增;
③eq \f(fx1-fx2,x1-x2)<0(或(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0)⇔f(x)在D上单调递减.
2.单调性的几个结论
(1)若k>0,则kf(x)与f(x)单调性相同;若k<0,则kf(x)与f(x)单调性相反.
(2)函数y=f(x)(f(x)>0)在公共定义域内与y=-f(x),y=eq \f(1,fx)的单调性相反.
(3)复合函数y=f[g(x)]的单调性与y=f(u)和u=g(x)的单调性有关.简记:“同增异减”.
(4)“对勾函数”y=x+eq \f(a,x)(a>0)的增区间为(-∞,-eq \r(a)),(eq \r(a),+∞);单调减区间是[-eq \r(a),0),(0,eq \r(a)].
◆[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)函数f(x)的图象如图所示,则函数f(x)的单调增区间是(-∞,0]∪(0,+∞).( )
(2)若定义在R上的函数f(x),有f(-1)<f(3),则函数f(x)在R上为增函数.( )
(3)函数y=|x|是R上的增函数.( )
(4)函数y=f(x)在[1,+∞)上是增函数,则函数的单调递增区间是[1,+∞) .( )
(5)对于函数f(x),x∈D,若x1,x2∈D,且(x1-x2)·[f(x1)-f(x2)]>0,则函数f(x)在D上是增函数.( )
(6)在闭区间上单调的函数,其最值一定在区间端点取到.( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)√
◆[小题查验]
1.(多选)下列函数中是增函数的为( )
A.f(x)=-x
B.f(x)=x+2
C.f(x)=eq \f(1,x)
D.f(x)=eq \r(3,x)
解析:BD [函数f(x)=-x是一次函数,在R上是减函数;函数f(x)=x+2在R上是增函数;函数f(x)=eq \f(1,x)在(-∞,0)上是减函数,在(0,+∞)上是减函数;函数f(x)=eq \r(3,x)=是幂函数,指数eq \f(1,3)>0,所以函数f(x)在R上是增函数.]
2.函数y=f(x)的图象如图所示,其单调递增区间是( )
A.[-4,4]
B.[-4,-3]∪[1,4]
C.[-3,1]
D.[-3,4]
解析:C [由题图可知,函数y=f(x)的单调递增区间为[-3,1].]
3.若定义在R上的函数f(x)对任意两个不相等的实数a,b,总有eq \f(fa-fb,a-b)>0成立,则必有( )
A.f(x)在R上是增函数
B.f(x)在R上是减函数
C.函数f(x)先增后减
D.函数f(x)先减后增
解析:A [由eq \f(fa-fb,a-b)>0,知f(a)-f(b)与a-b同号,即当a<b时,f(a)<f(b),或当a>b时,f(a)>f(b),所以f(x)在R上是增函数.]
4.(忽视定义域致误)函数f(x)=log2(x2-4)的单调递增区间为( )
A.(0,+∞)
B.(-∞,0)
C.(2,+∞)
D.(-∞,-2)
解析:C [由x2-4>0,可得x<-2或x>2,∴函数f(x)的定义域为(-∞,-2)∪(2,+∞).设t=x2-4,则t在(2,+∞)上单调递增,又函数y=log2t为增函数,∴函数f(x)=log2(x2-4)在(2,+∞)上单调递增,∴函数f(x)的单调递增区间为(2,+∞).]
5.(BSD必修第一册P60例1改编)已知函数f(x)=eq \f(2,x+1),x∈[0,2],则f(x)的最大值为________,最小值为________.
解析:因为函数f(x)在[0,2]上单调递减,
所以f(x)max=f(0)=2,f(x)min=f(2)=eq \f(2,3).
答案:2 eq \f(2,3)
函数单调性的判断或证明
►[命题点1] 求具体函数的单调区间
1.函数y= (-x2+4x+12)单调递减区间是( )
A.(-∞,2)
B.(2,+∞)
C.(-2,2)
D.(-2,6)
解析:C [令y=,u=-x2+4x+12.由u=-x2+4x+12>0,得-2<x<6.
因为函数y=是关于u的递减函数,且x∈(-2,2)时,u=-x2+4x+12为增函数,所以y= (-x2+4x+12)为减函数,
所以函数y= (-x2+4x+12)的单调减区间是(-2,2).]
2.由方程x|x|+y|y|=1确定函数y=f(x),则y=f(x)在(-∞,+∞)上是( )
A.增函数
B.减函数
C.奇函数
D.偶函数
解析:B [当x≥0且y≥0时,x2+y2=1,
当x>0且y<0时,x2-y2=1,
当x<0且y>0时,y2-x2=1,
当x<0且y<0时,无意义,
如图:
结合图象可知,y=f(x)在(-∞,+∞)上是减函数.]
判断函数单调性常用以下几种方法
(1)定义法:一般步骤为设元→作差→变形→判断符号→得出结论.
(2)图象法:如果f(x)是以图象形式给出的,或者f(x)的图象易作出,则可由图象的上升或下降确定单调性.
(3)导数法:先求导数,利用导数值的正负确定函数的单调区间.
(4)性质法:①对于由基本初等函数的和、差构成的函数,根据各初等函数的增减性及f(x)±g(x)增减性质进行判断;
②对于复合函数,先将函数y=f(g(x))分解成y=f(t)和t=g(x),再讨论(判断)这两个函数的单调性,最后根据复合函数“同增异减”的规则进行判断.
►[命题点2] 确定含参函数的单调性
[典例] 判断并证明函数f(x)=eq \f(ax,x-1)(a≠0)在(-1,1)上的单调性.
[证明] 法一(定义法):第一步,取值、作差、变形:设-1<x1<x2<1,
f(x)=aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x-1+1,x-1)))=aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,x-1))),
则f(x1)-f(x2)=aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,x1-1)))-aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,x2-1)))
=eq \f(ax2-x1,x1-1x2-1).
第二步,判号、定论:由于-1<x1<x2<1,
所以x2-x1>0,x1-1<0,x2-1<0,
故当a>0时,f(x1)-f(x2)>0,
即f(x1)>f(x2),
函数f(x)在(-1,1)上单调递减;
当a<0时,f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2),
函数f(x)在(-1,1)上单调递增.
法二(导数法):第一步,求导、变形:
f′(x)=eq \f(ax′x-1-axx-1′,x-12)
=eq \f(ax-1-ax,x-12)=-eq \f(a,x-12).
第二步,判号、定论:当a>0时,f′(x)<0,函数f(x)在(-1,1)上单调递减;
当a<0时,f′(x)>0,函数f(x)在(-1,1)上单调递增.
[互动探究]
若只将本例中函数解析式改为“f(x)=eq \f(ax,x2-1)(其中a>0)”呢?
证明:法一(定义法):设-1<x1<x2<1,
则f(x1)-f(x2)=eq \f(ax1,x\o\al(2,1)-1)-eq \f(ax2,x\o\al(2,2)-1)
=eq \f(ax1x\o\al(2,2)-ax1-ax2x\o\al(2,1)+ax2,x\o\al(2,1)-1x\o\al(2,2)-1)
=eq \f(ax2-x1x1x2+1,x\o\al(2,1)-1x\o\al(2,2)-1).∵-1<x1<x2<1,
∴x2-x1>0,x1x2+1>0,(xeq \o\al(2,1)-1)(xeq \o\al(2,2)-1)>0.
因此当a>0时,f(x1)-f(x2)>0,
即f(x1)>f(x2),此时函数f(x)在(-1,1)上为减函数.
法二(导数法):f′(x)=eq \f(ax2-1-2ax2,x2-12)
=eq \f(-ax2+1,x2-12).
又a>0,所以f′(x)<0,所以函数f(x)在(-1,1)上为减函数.
1.判断或证明含有参数的函数的单调性,除了利用增(减)函数的定义外,导数法也是一种非常有效的方法,注意分类讨论思想的应用.
2.可导函数也可以利用导数判断.但是,对于抽象函数单调性的证明,只能采用定义法进行判断.
三叉戟是希腊神话中海神波塞冬的武器,而函数f(x)=ax2+eq \f(b,x)的图象恰如其形,因而得名三叉戟函数,因为牛顿最早研究了这个函数的图象,所以也称它为牛顿三叉戟.已知函数f(x)=ax2+eq \f(b,x)的图象经过点(2,8),且f(-2)=0.
(1)求函数f(x)的解析式;
(2)用定义法证明:f(x)在(-∞,0)上单调递减.
解:(1)由题意可知eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(4a+\f(b,2)=8,,4a-\f(b,2)=0,))解得a=1,b=8,故f(x)=x2+eq \f(8,x)(x≠0).
(2)证明:∀x1,x2∈(-∞,0),且x1<x2,
则f(x1)-f(x2)=xeq \o\al(2,1)+eq \f(8,x1)-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x\o\al(2,2)+\f(8,x2)))=xeq \o\al(2,1)-xeq \o\al(2,2)+eq \f(8,x1)-eq \f(8,x2)=(x1-x2)(x1+x2)+eq \f(8x2-x1,x1x2)
=(x1-x2)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(x1+x2-\f(8,x1x2)))
=eq \f(x1-x2,x1x2)·[x1x2(x1+x2)-8].
由x1,x2∈(-∞,0)且x1<x2,得x1x2>0,x1-x2<0,x1+x2<0,所以eq \f(x1-x2,x1x2)<0,x1x2(x1+x2)-8<0,所以eq \f(x1-x2,x1x2)·[x1x2(x1+x2)-8]>0,
则f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2).故f(x)在(-∞,0)上单调递减.
确定函数的最值(值域)
[典例] (1)已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(ex-1,x≤1,,\f(1,x)-x+1,x>1,))则f(x)的最大值为______.
[解析] x∈(-∞,1]时,f(x)=ex-1单调递增,f(x)≤f(1)=e1-1=1;
x∈(1,+∞)时,f(x)=eq \f(1,x)-x+1单调递减,
f(x)<eq \f(1,1)-1+1=1.
所以f(x)的最大值为1.
[答案] 1
(2)函数f(x)=eq \f(x2+8,x-1)(x>1)的最小值为________.
[解析] 法一:基本不等式法:f(x)=eq \f(x2+8,x-1)=eq \f(x-12+2x-1+9,x-1)=(x-1)+eq \f(9,x-1)+2≥2eq \r(x-1·\f(9,x-1))+2=8,当且仅当x-1=eq \f(9,x-1),即x=4时,f(x)min=8.
法二:导数法:f′(x)=eq \f(x-4x+2,x-12),
令f′(x)=0,得x=4或x=-2(舍去).
当1<x<4时,f′(x)<0,f(x)在(1,4)上单调递减;
当x>4时,f′(x)>0,f(x)在(4,+∞)上单调递增,
所以f(x)在x=4处达到最小值,
即f(x)min=f(4)=8.
[答案] 8
求函数最值的五种常用方法及其思路
(1)单调性法:先确定函数的单调性,再由单调性求最值.
(2)图象法:先作出函数的图象,再观察其最高点、最低点,求出最值.
(3)基本不等式法:先对解析式变形,使之具备“一正二定三相等”的条件后用基本不等式求出最值.
(4)导数法:先求导,然后求出在给定区间上的极值,最后结合端点值,求出最值.
(5)换元法:对比较复杂的函数可通过换元转化为熟悉的函数,再用相应的方法求最值.
提醒:(1)求函数的最值时,应先确定函数的定义域.
(2)求分段函数的最值时,应先求出每一段上的最值,再选取其中最大的作为分段函数的最大值,最小的作为分段函数的最小值.
[口诀助读]
单调性,左边看,上坡递增下坡减;
函数值,若有界,上界下界值域外.
1.已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+\f(2,x)-3,x≥1,,lgx2+1,x<1,))则f[f(-3)]= ________ ,f(x)的最小值是________.
解析:∵f(-3)=lg[(-3)2+1]=lg 10=1,
∴f[f(-3)]=f(1)=0,
当x≥1时,f(x)=x+eq \f(2,x)-3≥2eq \r(2)-3,当且仅当x=eq \r(2)时,取等号,
此时f(x)min=2eq \r(2)-3<0;
当x<1时,f(x)=lg(x2+1)≥lg 1=0,当且仅当x=0时,取等号,此时f(x)min=0.
∴f(x)的最小值为2eq \r(2)-3.
答案:0 2eq \r(2)-3
2.在人工智能领域的神经网络中,常用到在定义域I内单调递增且有界的函数f(x),即∃M>0,∀x∈I,|f(x)|≤M.则下列函数中,所有符合上述条件的序号是________.
①f(x)=eq \r(x);②f(x)=eq \f(x,1+x2);③f(x)=eq \f(ex-e-x,ex+e-x);④f(x)=eq \f(1,1+e-x).
解析:对于①,f(x)=eq \r(x)无界,不符合题意;
对于②,f(x)=eq \f(x,1+x2)=eq \f(1,x+\f(1,x))不单调,不符合题意;
对于③,f(x)=eq \f(ex-e-x,ex+e-x)=eq \f(e2x-1,e2x+1)=eq \f(e2x+1-2,e2x+1)=1-eq \f(2,1+e2x)单调递增,且f(x)∈(-1,1),则|f(x)|<1,符合题意;
对于④,f(x)=eq \f(1,1+e-x)单调递增,且f(x)∈(0,1),则|f(x)|<1,符合题意.
答案:③④
函数单调性的应用
►[命题点1] 比较两个函数值或两个自变量的大小
1.设函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-2x+2-xx>0,,-x3x≤0,))若a=ln 2,b=30.2,c=log0.32,则( )
A.f(a)>f(b)>f(c)
B.f(b)>f(a)>f(c)
C.f(a)>f(c)>f(b)
D.f(c)>f(a)>f(b)
解析:D [因为f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-2x+2-xx>0,,-x3x≤0,))又y=2x在(0,+∞)上单调递增,y=2-x在(0,+∞)上单调递减,则g(x)=-2x+2-x在(0,+∞)上单调递减且g(0)=-20+20=0,又h(x)=-x3在(-∞,0)上单调递减且h(0)=-03=0,所以f(x)在R上单调递减,又因为30.2>30=1,即b>1,0=ln 1<ln 2<ln e=1,即0<a<1,log0.32<log0.31=0,即c<0,所以b>a>c,所以f(b)<f(a)<f(c).]
►[命题点2] 解函数不等式
2.设函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x,x≤1,,x-12+1,x>1,))则不等式f(1-|x|)+f(2)>0的解集为________.
解析:由函数解析式知f(x)在R上单调递增,
且-f(2)=-2=f(-2),
则f(1-|x|)+f(2)>0⇒f(1-|x|)>-f(2)=f(-2),
由单调性知1-|x|>-2,即|x|<3,解得-3<x<3,故不等式的解集为(-3,3).
答案:(-3,3)
►[命题点3] 利用单调性求参数的取值范围或值
3.(2024·新课标Ⅰ卷)已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-x2-2ax-a,x<0,ex+lnx+1,x≥0))在R上单调递增,则a的取值范围是( )
A.(-∞,0]
B.[-1,0]
C.[-1,1]
D.[0,+∞)
解析:B [由题意知f(x)在R上单调递增,令h(x)=-x2-2ax-a,则h(x)的对称轴必大于等于0,否则与题意不符,即-a≥0⇒a≤0,排除C、D项;又因为当x=0时,f(x)=1,所以当x=0时,h(x)≤1⇒-x2-2ax-a≤1,代入x=0,得-a≤1⇒a≥-1,所以-1≤a≤0,故a的取值范围是[-1,0].]
函数单调性应用问题的常见类型及解题策略
(1)比较大小.比较函数值的大小,应将自变量转化到同一个单调区间内,然后利用函数的单调性解决.
(2)解含“f”的不等式.在求解与抽象函数有关的不等式时,利用函数的单调性将“f”符号脱掉,使其转化为具体的不等式求解.此时应特别注意函数的定义域.
(3)利用单调性求参数
①视参数为已知数,依据函数的图象或单调性定义,确定函数的单调区间,与已知单调区间比较求参数;②需注意若函数在区间[a,b]上是单调的,则该函数在此区间的任意子集上也是单调的.
1.已知函数f(x)是定义在R上的偶函数,对任意两个不相等的正数x1,x2,都有eq \f(x2fx1-x1fx2,x1-x2)>0,记a=f(1),b=eq \f(f-2,2),c=eq \f(f3,3),则( )
A.c<a<b
B.a<b<c
C.c<b<a
D.b<c<a
解析:B [依题意,∀x1,x2∈(0,+∞),x1≠x2,eq \f(x2fx1-x1fx2,x1-x2)>0⇔eq \f(\f(fx1,x1)-\f(fx2,x2),x1-x2)>0,
于是得函数eq \f(fx,x)在(0,+∞)上单调递增,而函数f(x)是R上的偶函数,即b=eq \f(f-2,2)=eq \f(f2,2),
显然有eq \f(f1,1)<eq \f(f2,2)<eq \f(f3,3),因此得a<b<c,
所以a<b<c.]
2.已知f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2x-1x>1,,ln x0<x≤1,))则不等式f(3x-1)<f(2x+1)的解集为( )
A.(0,2)
B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,3)))
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3),2))
D.(2,+∞)
解析:C [∵f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2x-1x>1,,ln x0<x≤1,))当0<x≤1时,f(x)=ln x≤0,且单调递增;当x>1时,f(x)=2x-1>1,且单调递增,所以f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2x-1x>1,,ln x0<x≤1))在(0,+∞)上单调递增,不等式f(3x-1)<f(2x+1)等价于0<3x-1<2x+1,解得eq \f(1,3)<x<2.]
3.已知0<a<1且a≠eq \f(1,2),若函数f(x)=2logax-log2ax在(0,+∞)上单调递减,则实数a的取值范围为( )
A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),\f(1,2)))
B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,4)))
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),\f(1,2)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),1))
D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,4)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),1))
解析:D [依题意,f(x)=eq \f(2ln x,ln a)-eq \f(ln x,ln 2a)=eq \f(2ln 2a-ln a,ln a·ln 2a)·ln x=eq \f(ln 4a,ln a·ln 2a)·ln x,
显然函数y=ln x在(0,+∞)上单调递增,而函数f(x)在(0,+∞)上单调递减,
因此eq \f(ln 4a,ln a·ln 2a)<0,而0<a<2a<4a,
则ln 4a<0或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(ln a<0,,ln 2a>0,))解得0<a<eq \f(1,4)或eq \f(1,2)<a<1,
所以实数a的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(1,4)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),1)).]
4.如果函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2-ax+1,x<1,,ax,x≥1,))满足对任意x1≠x2,都有eq \f(fx1-fx2,x1-x2)>0成立,那么实数a的取值范围是________.
解析:因为对任意x1≠x2,都有eq \f(fx1-fx2,x1-x2)>0,
所以y=f(x)在(-∞,+∞)上是增函数.
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2-a>0,,a>1,,2-a×1+1≤a,))解得eq \f(3,2)≤a<2.
故实数a的取值范围是eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),2)).
答案:eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),2))
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