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- 2021-06-16 发布
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第二课时 利用导数研究函数的极值、最值
考点一 利用导数求函数的极值 多维探究
角度 1 根据函数图象判断极值
【例 1-1】设函数 f(x)在 R 上可导,其导函数为 f′(x),且函数 y=(1-x)f′(x)的图象如
图所示,则下列结论中一定成立的是( )
A.函数 f(x)有极大值 f(2)和极小值 f(1)
B.函数 f(x)有极大值 f(-2)和极小值 f(1)
C.函数 f(x)有极大值 f(2)和极小值 f(-2)
D.函数 f(x)有极大值 f(-2)和极小值 f(2)
解析 由题图可知,当 x<-2 时,f′(x)>0;
当-22 时,f′(x)>0.
由此可以得到函数 f(x)在 x=-2 处取得极大值,
在 x=2 处取得极小值.
答案 D
规律方法 由图象判断函数 y=f(x)的极值,要抓住两点:(1)由 y=f′(x)的图象与 x 轴的
交点,可得函数 y=f(x)的可能极值点;(2)由导函数y=f′(x)的图象可以看出 y=f′(x)的
值的正负,从而可得函数 y=f(x)的单调性.两者结合可得极值点.
角度 2 已知函数求极值
【例 1-2】 已知函数 f(x)=ln x-ax(a∈R).
(1)当 a=
1
2时,求 f(x)的极值;
(2)讨论函数 f(x)在定义域内极值点的个数.
解 (1)当 a=
1
2时,f(x)=ln x-
1
2x,函数的定义域为(0,+∞)且 f′(x)=
1
x-
1
2=
2-x
2x ,
令 f′(x)=0,得 x=2,
于是当 x 变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表.
x (0,2) 2 (2,+∞)
f′(x) + 0 -
f(x) ln 2-1
故 f(x)在定义域上的极大值为 f(x)极大值=f(2)=ln 2-1,无极小值.
(2)由(1)知,函数的定义域为(0,+∞),
f′(x)=
1
x-a=
1-ax
x .
当 a≤0 时,f′(x)>0 在(0,+∞)上恒成立,
则函数在(0,+∞)上单调递增,此时函数在定义域上无极值点;
当 a>0 时,若 x∈(0,
1
a ),则 f′(x)>0,
若 x∈(1
a,+∞),则 f′(x)<0,
故函数在 x=
1
a处有极大值.
综上可知,当 a≤0 时,函数 f(x)无极值点,
当 a>0 时,函数 y=f(x)有一个极大值点,且为 x=
1
a.
规律方法 运用导数求导函数 f(x)极值的一般步骤:
(1)确定函数的定义域;(2)求导数 f′(x);(3)解方程 f′(x)=0,求出函数定义域内的所有
根;(4)列表检验 f′(x)在 f′(x)=0 的根 x0 左右两侧值的符号;(5)求出极值.
【训练 1】(1)(角度 1)已知函数 f(x)的定义域为(a,b),导函数 f′(x)在(a,b)上的图象如
图所示,则函数 f(x)在(a,b)上的极大值点的个数为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
解析 由函数极值的定义和导函数的图象可知,f′(x)在(a,b)上与 x 轴的交点个数为 4,但
是在原点附近的导数值恒大于零,故 x=0 不是函数 f(x)的极值点.其余的 3 个交点都是极值
点,其中有 2 个点满足其附近的导数值左正右负,故极大值点有 2 个.
答案 B
(2)(角度 2)(2019·江苏卷节选)设函数 f(x)=(x-a)(x-b)(x-c),a,b,c∈R,f′(x)为
f(x)的导函数.
①若 a=b=c,f(4)=8,求 a 的值;
②若 a≠b,b=c,且 f(x)和 f′(x)的零点均在集合{-3,1,3}中,求 f(x)的极小值.
解 ①因为 a=b=c,
所以 f(x)=(x-a)(x-b)(x-c)=(x-a)3.
因为 f(4)=8,所以(4-a)3=8,解得 a=2.
②因为 b=c,所以 f(x)=(x-a)(x-b)2=x3-(a+2b)x2+b(2a+b)x-ab2,从而 f′(x)=
3(x-b)·(x-
2a+b
3 ).
令 f′(x)=0,得 x=b 或 x=
2a+b
3 .
令 f(x)=0,得 x=a 或 x=b.
因为 a,b,
2a+b
3 都在集合{-3,1,3}中,且 a≠b,
所以
2a+b
3 =1,a=3,b=-3.
此时,f(x)=(x-3)(x+3)2,f′(x)=3(x+3)(x-1).
令 f′(x)=0,得 x=-3 或 x=1.
当 x 变化时,f′(x)变化如下表:
x (-∞,-3) -3 (-3,1) 1 (1,+∞)
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) 极大值 极小值
所以 f(x)的极小值为 f(1)=(1-3)(1+3)2=-32.
考点二 已知函数的极值求参数
【例 2】 (2018·北京卷)设函数 f(x)=[ax2-(4a+1)x+4a+3]ex.
(1)若曲线 y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与 x 轴平行,求 a;
(2)若 f(x)在 x=2 处取得极小值,求 a 的取值范围.
解 (1)因为 f(x)=[ax2-(4a+1)x+4a+3]ex,
所以 f′(x)=[ax2-(2a+1)x+2]ex.
f′(1)=(1-a)e.
由题设知 f′(1)=0,即(1-a)e=0,解得 a=1.
此时 f(1)=3e≠0.
所以 a 的值为 1.
(2)f′(x)=[ax2-(2a+1)x+2]ex=(ax-1)(x-2)ex.
若 a>
1
2,则当 x∈(1
a,2 )时,f′(x)<0;
当 x∈(2,+∞)时,f′(x)>0.
所以 f(x)在 x=2 处取得极小值.
若 a≤
1
2,则当 x∈(0,2)时,x-2<0,ax-1≤
1
2x-1<0,
所以 f′(x)>0.所以 2 不是 f(x)的极小值点.
综上可知,a 的取值范围是(1
2,+∞).
规律方法 1.已知函数极值,确定函数解析式中的参数时,要注意:根据极值点的导数为 0
和极值这两个条件列方程组,利用待定系数法求解.
2.导数值为 0 不是此点为极值点的充要条件,所以用待定系数法求解后必须检验.
【训练 2】 (2020·肇庆模拟)已知 x=1 是 f(x)=[x2-(a+3)x+2a+3]ex 的极小值点,则实
数 a 的取值范围是( )
A.(1,+∞) B.(-1,+∞)
C.(-∞,-1) D.(-∞,1)
解析 f′(x)=[x2-(a+1)x+a]ex=(x-a)(x-1)ex.
令 f′(x)=0,得(x-a)(x-1)ex=0.
设 g(x)=(x-1)(x-a).
(1)当 a=1 时,g(x)≥0,f′(x)≥0,f(x)没有极值.
(2)当 a>1 时,若 x>a 或 x<1 时,g(x)>0,f′(x)>0;
若 11 或 x0,
若 a0,则当 x∈(-∞,0)∪(a
3,+∞)时,f′(x)>0,
当 x∈(0,
a
3 )时,f′(x)<0,
故 f(x)在(-∞,0),(a
3,+∞)单调递增,在(0,
a
3 )单调递减;
若 a=0,则 f(x)在(-∞,+∞)单调递增;
若 a<0,则当 x∈(-∞,
a
3)∪(0,+∞)时,f′(x)>0,
当 x∈(a
3,0 )时,f′(x)<0,
故 f(x)在(-∞,
a
3),(0,+∞)单调递增,在(a
3,0 )单调递减.
(2)当 03,与 00;当 x>1 时,f′(x)<0.
∴f(x)在(0,1)上是增函数,在(1,+∞)上是减函数.
∴f(x)max=f(1)=-1.
∴当 a=-1 时,函数 f(x)在(0,+∞)上的最大值为-1.
(2)f′(x)=a+
1
x,x∈(0,e],
1
x∈[1
e,+∞).
①若 a≥-
1
e,则 f′(x)≥0,从而 f(x)在(0,e]上是增函数,
∴f(x)max=f(e)=ae+1≥0,不合题意.
②若 a<-
1
e,令 f′(x)>0 得 a+
1
x>0,结合 x∈(0,e],解得 0-1 时, y′>0;当 x<-1 时,
y′<0,所以当 x=-1 时,函数取得最小值,且 ymin=-
1
e.
答案 C
2.(2020·惠州模拟)设函数 f(x)在 R 上可导,其导函数为 f′(x),且函数 f(x)在 x=-2 处
取得极小值,则函数 y=x·f′(x)的图象可能是( )
解析 ∵函数 f(x)在 R 上可导,其导函数为 f′(x),
且函数 f(x)在 x=-2 处取得极小值,
当 x>-2 时,f′(x)>0;当 x=-2 时,f′(x)=0;
当 x<-2 时,f′(x)<0.
∴当 x>0 时,xf′(x)>0;当-20.
因此 y=xf′(x)的图象应为选项 C.
答案 C
3.(2017·全国Ⅱ卷)若 x=-2 是函数 f(x)=(x2+ax-1)·ex-1 的极值点,则 f(x)的极小值
为( )
A.-1 B.-2e-3 C.5e-3 D.1
解析 f′(x)=[x2+(a+2)x+a-1]·ex-1,
则 f′(-2)=[4-2(a+2)+a-1]·e-3=0⇒a=-1,
则 f(x)=(x2-x-1)·ex-1,f′(x)=(x2+x-2)·ex-1,
又 ex-1>0 恒成立,令 f′(x)=0,得 x=-2 或 x=1,
当 x<-2 或 x>1 时,f′(x)>0;当-20,函数 f(x)
单调递增,所以 f(x)的极小值为 f(1)=
1
2+a-1= a-
1
2,故 f(1)≥1,即 a-
1
2≥1,解得
a≥
3
2.
答案 B
二、填空题
6.若商品的年利润 y(万元)与年产量 x(百万件)的函数关系式为 y=-x3+27x+123(x>0),则
获得最大利润时的年产量为________百万件.
解析 y′=-3x2+27=-3(x+3)(x-3),当 00;当 x>3 时,y′<0.
故当 x=3 时,该商品的年利润最大.
答案 3
7.(2020·安徽江南十校联考)已知 x=1 是函数 f(x)=(x2+ax)ex 的一个极值点,则曲线 y=
f(x)在点(0,f(0))处的切线斜率为________.
解析 由 f(x)=(x2+ax)ex,得 f′(x)=(x2+ax+2x+a)ex,
因为 x=1 是函数 f(x)=(x2+ax)ex 的一个极值点,
所以 f′(1)=(3+2a)e=0,解得 a=-
3
2.
∴f′(x)=(x2+
1
2x-
3
2)ex,所以 f′(0)=-
3
2.
所以曲线 f(x)在点(0,f(0))处的切线斜率为-
3
2.
答案 -
3
2
8.(2020·昆明诊断)直线 y=b 分别与直线 y=2x+1 和曲线 y=ln x 相交于点 A,B,则|AB|
的最小值为________.
解析 设两个交点分别为 A(b-1
2 ,b),B(eb,b),
则|AB|=eb-
b-1
2 .
令 g(x)=ex-
x-1
2 ,则 g′(x)=ex-
1
2.
由 g′(x)=0,得 x=-ln 2.
所以 g(x)在区间(-∞,-ln 2)单调递减,在区间(-ln 2,+∞)上单调递增,
∴g(x)min=g(-ln 2)=1+
ln 2
2 .
答案 1+
ln 2
2
三、解答题
9.已知函数 f(x)=excos x-x.
(1)求曲线 y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)求函数 f(x)在区间[0,
π
2 ]上的最大值和最小值.
解 (1)因为 f(x)=excos x-x,
所以 f′(x)=ex(cos x-sin x)-1,f′(0)=0.
又因为 f(0)=1,
所以曲线 y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为 y=1.
(2)设 h(x)=ex(cos x-sin x)-1
则 h′(x)=ex(cos x-sin x-sin x-cos x)=-2exsin x.
当 x∈(0,
π
2 )时,h′(x)<0,
所以 h(x)在区间[0,
π
2 ]上单调递减,
所以对任意 x∈(0,
π
2 ]有 h(x)0 时,f(x)在[1,e]上单调递增,
则 f(x)在[1,e]上的最大值为 f(e)=a.
故当 a≥2 时,f(x)在[-1,e]上的最大值为 a;
当 a<2 时,f(x)在[-1,e]上的最大值为 2.
B 级 能力提升
11.若函数 y=f(x)存在 n-1(n∈N*)个极值点,则称 y=f(x)为 n 折函数,例如 f(x)=x2 为 2
折函数.已知函数 f(x)=(x+1)ex-x(x+2)2,则 f(x)为( )
A.2 折函数 B.3 折函数
C.4 折函数 D.5 折函数
解析 f′(x)=(x+2)ex-(x+2)(3x+2)
=(x+2)(ex-3x-2),
令 f′(x)=0,得 x=-2 或 ex=3x+2.
易知 x=-2 是 f(x)的一个极值点,
又 ex=3x+2,结合函数图象,y=ex 与 y=3x+2 有两个交点.
又 e-2≠3×(-2)+2=-4.
所以函数 y=f(x)有 3 个极值点,则 f(x)为 4 折函数.
答案 C
12.(2020·石家庄检测)若函数 f(x)=(1-x)(x2+ax+b)的图象关于点(-2,0)对称,x1,x2
分别是 f(x)的极大值点与极小值点,则 x2-x1=( )
A.- 3 B.2 3 C.-2 3 D. 3
解析 不妨假设点(-2,0)在 f(x)图象上,
则 f(-2)=3(4-2a+b)=0,
因为函数图象关于点(-2,0)对称,且 f(1)=0,
所以 f(-5)=0,即 f(-5)=6(25-5a+b)=0,
联立{b-2a+4=0,
b-5a+25=0,解得{b=10,
a=7.
故 f(x)=(1-x)(x2+7x+10)=-x3-6x2-3x+10,
则 f′(x)=-3x2-12x-3=-3(x2+4x+1),
由于 x1,x2 分别是 f(x)的极大值点与极小值点.
∴x1,x2 是 f′(x)的零点,则 x1+x2=-4,x1x2=1.
从而 x1<0,x2<0,且 x1>x2.
因此 x2-x1=- (x1+x2)2-4x1x2=-2 3.
答案 C
13.传说中孙悟空的“如意金箍棒”是由“定海神针”变形得来的.这定海神针在变形时永远
保持为圆柱体,其底面半径原为 12 cm 且以每秒 1 cm 等速率缩短,而长度以每秒 20 cm 等速
率增长.已知神针的底面半径只能从 12 cm 缩到 4 cm,且知在这段变形过程中,当底面半径为
10 cm 时其体积最大.假设孙悟空将神针体积最小时定形成金箍棒,则此时金箍棒的底面半径
为________ cm.
解析 设神针原来的长度为 a cm,t 秒时神针的体积为 V(t) cm3,则 V(t)=π(12-t)2·(a
+20t),其中 0≤t≤8,所以 V′(t)=[-2(12-t)(a+20t)+(12-t)2·20]π.
因为当底面半径为 10 cm 时其体积最大,所以 10=12-t,解得 t=2,此时 V′(2)=0,解得
a=60,所以 V(t)=π(12-t)2·(60+20t),其中 0≤t≤8.
V′(t)=60π(12-t)(2-t),当 t∈(0,2)时,V′(t)>0,当 t∈(2,8)时,V′(t)<0,从
而 V(t)在(0,2)上单调递增,在(2,8)上单调递减,V(0)=8640π,V(8)=3520π,所以当
t=8 时,V(t)有最小值 3 520π,此时金箍棒的底面半径为 4 cm.
答案 4
14.(2019·北京卷)已知函数 f(x)=
1
4x3-x2+x.
(1)求曲线 y=f(x)的斜率为 1 的切线方程;
(2)当 x∈[-2,4]时,求证:x-6≤f(x)≤x.
(3)设 F(x)=|f(x)-(x+a)|(a∈R),记 F(x)在区间[-2,4]上的最大值为 M(a).当 M(a)最
小时,求 a 的值.
(1)解 由 f(x)=
1
4x3-x2+x,得 f′(x)=
3
4x2-2x+1.
令 f′(x)=1,即
3
4x2-2x+1=1,得 x=0 或 x=
8
3.
又 f(0)=0,f(8
3 )=
8
27,
所以曲线 y=f(x)的斜率为 1 的切线方程是 y=x 与 y-
8
27=x-
8
3,即 y=x 与 y=x-
64
27.
(2)证明 令 g(x)=f(x)-x,x∈[-2,4].
由 g(x)=
1
4x3-x2 得 g′(x)=
3
4x2-2x.
令 g′(x)=0 得 x=0 或 x=
8
3.
当 x 变化时,g′(x),g(x)的变化情况如下:
x -2 (-2,0) 0 (0,
8
3 ) 8
3 (8
3,4 ) 4
g′(x) + 0 - 0 +
g(x) -6 0 -
64
27 0
所以 g(x)的最小值为-6,最大值为 0.
故-6≤g(x)≤0,即 x-6≤f(x)≤x.
(3)解 由第(2)问知,
当 a<-3 时,M(a)≥F(0)=|g(0)-a|=-a>3;
当 a>-3 时,M(a)≥F(-2)=|g(-2)-a|=6+a>3;
当 a=-3 时,M(a)=3;
综上,当 M(a)最小时,a=-3.
C 级 创新猜想
15.(多填题)设函数 f(x)={x3-3x,x ≤ a,
-2x,x > a.
(1)若 a=0,则 f(x)的最大值为________;
(2)若 f(x)无最大值,则实数 a 的取值范围是________.
解析 (1)若 a=0,则 f(x)={x3-3x,x ≤ 0,
-2x,x > 0.
当 x>0 时,f(x)=-2x<0;
当 x≤0 时,f′(x)=3x2-3=3(x-1)(x+1),
当 x<-1 时,f′(x)>0,f(x)是增函数;
当-12 时,f(x)max=a3-3a.
综上,当 a∈(-∞,-1)时,f(x)无最大值.
答案 (1)2 (2)(-∞,-1)
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