- 211.18 KB
- 2021-06-16 发布
- 1、本文档由用户上传,淘文库整理发布,可阅读全部内容。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,请立即联系网站客服。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细阅读内容确认后进行付费下载。
- 网站客服QQ:403074932
1.2 函数的极值
[学习目标]
1.了解函数极值的概念,会从几何方面直观理解函数的极值与导数的关系,并会灵活应用.
2.掌握函数极值的判定及求法.
3.掌握函数在某一点取得极值的条件.
[知识链接]
在必修1中,我们研究了函数在定义域内的最大值与最小值问题.但函数在定义域内某一点附近,也存在着哪一点的函数值大,哪一点的函数值小的问题,如何利用导数的知识来判断函数在某点附近函数值的大小问题,如图观察,函数y=f(x)在d、e、f、g、h、i等点处的函数值与这些点附近的函数值有什么关系?y=f(x)在这些点处的导数值是多少?在这些点附近,y=f(x)的导数的符号有什么规律?
答 以d、e两点为例,函数y=f(x)在点x=d处的函数
值f(d)比它在点x=d附近其他点的函数值都小,f′(d)=0;在x=d的附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0.类似地,函数y=f(x)在点x=e处的函数值f(e)比它在x=e附近其他点的函数值都大,f′(e)=0;在x=e附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0.
[预习导引]
1.函数的极值
(1)极大值:在包含x0的一个区间(a,b)内,函数y=f(x)在任何一点的函数值都不大于x0点的函数值,称点x0为函数y=f(x)的极大值点,其函数值f(x0)为函数的极大值.
(2)极小值:在包含x0的一个区间(a,b)内,函数y=f(x)在任何一点的函数值都不
小于x0点的函数值,称点x0为函数y=f(x)的极小值点,其函数值f(x0)为函数的极小值.
(3)极大值与极小值统称为极值,极大值点与极小值点统称为极值点.
2.函数的单调性与极值
已知函数的图像在(a,b)上是一条连续不断的曲线,
(1)如果函数y=f(x)在区间(a,x0)上是递增的,在区间(x0,b)上是递减的,则x0是极大值点,f(x0)是极大值.
(2)如果函数y=f(x)在区间(a,x0)上是递减的,在区间(x0,b)上是递增的,则x0是极小值点,f(x0)是极小值.
要点一 求函数的极值
例1 求函数f(x)=x3-4x+4的极值.
解 f′(x)=x2-4.解方程x2-4=0,得x1=-2,x2=2.由f′(x)>0得x<-2或x>2;
由f′(x)<0得-2<x<2.当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,-2)
-2
(-2,2)
2
(2,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
-
由表可知:当x=-2时,f(x)有极大值f(-2)=.
当x=2时,f(x)有极小值f(2)=-.
规律方法 求可导函数f(x)的极值的步骤
(1)确定函数的定义区间,求导数f′(x);
(2)求方程f′(x)=0的根;
(3)用函数的导数为0的点,顺次将函数的定义区间分成若干个小开区间,并列成表格.检测f′(x)在方程根左右两侧的值的符号,如果左正右负,那么f(x)在这个根处取得极大值;如果左负右正,那么f(x)
在这个根处取得极小值;如果左右不改变符号,那么f(x)在这个根处无极值.
跟踪演练1 求函数f(x)=+3ln x的极值.
解 函数f(x)=+3ln x的定义域为(0,+∞),
f′(x)=-+=.令f′(x)=0,得x=1.
当x变化时,f′(x)与f(x)的变化情况如下表:
x
(0,1)
1
(1,+∞)
f′(x)
-
0
+
f(x)
3
因此当x=1时,f(x)有极小值f(1)=3.
要点二 已知函数极值求参数的值
例2 已知函数f(x)=ax3+bx2+cx(a≠0)在x=±1处取得极值,且f(1)=-1.
(1)求常数a,b,c的值;
(2)判断x=±1是函数的极大值点还是极小值点,试说明理由,并求出极值.
解 (1)f′(x)=3ax2+2bx+c.
∵x=±1是函数f(x)的极值点,
∴x=±1是方程f′(x)=0的两根,
即3ax2+2bx+c=0的两根,
由根与系数的关系,得
又f(1)=-1,∴a+b+c=-1.③
由①②③解得a=,b=0,c=-.
(2)如(1)知f(x)=x3-x,
∴f′(x)=x2-=(x-1)(x+1),
当x<-1或x>1时,f′(x)>0,
当-1<x<1时,f′(x)<0,
∴函数f(x)在(-∞,-1)和(1,+∞)上是增函数,
在(-1,1)上是减函数,
∴当x=-1时,函数取得极大值f(-1)=1,
当x=1时,函数取得极小值f(1)=-1.
规律方法 (1)利用函数的极值确定参数的值,常根据极值点处导数为0和极值两个条件列方程组,利用待定系数法求解.
(2)因为“导数值等于零”不是“此点为极值点”的充要条件,所以利用待定系数法求解后,必须验证根的合理性.
跟踪演练2 已知f(x)=x3+3ax2+bx+a2在x=-1时有极值0,求常数a,b的值.
解 因为f(x)在x=-1时有极值0,
且f′(x)=3x2+6ax+b,
所以
即
解之得或
当a=1,b=3时,f′(x)=3x2+6x+3=3(x+1)2≥0,
所以f(x)在R上为增函数,无极值,故舍去.
当a=2,b=9时,f′(x)=3x2+12x+9
=3(x+1)(x+3).
当x∈(-3,-1)时,f(x)为减函数;
当x∈(-1,+∞)时,f(x)为增函数,
所以f(x)在x=-1时取得极小值,因此a=2,b=9.
要点三 函数极值的综合应用
例3 设函数f(x)=x3-6x+5,x∈R.
(1)求函数f(x)的单调区间和极值;
(2)若关于x的方程f(x)=a有三个不同的实根,求实数a的取值范围.
解 (1)f′(x)=3x2-6,令f′(x)=0,
解得x1=-,x2=.
因为当x>或x<-时,f′(x)>0;
当-<x<时,f′(x)<0.
所以f(x)的单调递增区间为(-∞,-)和(,+∞);
单调递减区间为(-,).
当x=-时,f(x)有极大值5+4;
当x=时,f(x)有极小值5-4.
(2)由(1)的分析知y=f(x)的图像的大致形状及走向如图所示.
所以,当5-4<a<5+4时,
直线y=a与y=f(x)的图像有三个不同的交点,
即方程f(x)=a有三个不同的实根.所以a的取值范围是(5-4,5+4).
规律方法 用求导的方法确定方程根的个数,是一种很有效的方法.它通过函数的变化情况,运用数形结合思想来确定函数图像与x轴的交点个数,从而判断方程根的个数.
跟踪演练3 若函数f(x)=2x3-6x+k在R上只有一个零点,求常数k的取值范围.
解 f(x)=2x3-6x+k,则f′(x)=6x2-6,
令f′(x)=0,得x=-1或x=1,
可知f(x)在(-1,1)上是减函数,
f(x)在(-∞,-1)和(1,+∞)上是增函数.
f(x)的极大值为f(-1)=4+k,
f(x)的极小值为f(1)=-4+k.
要使函数f(x)只有一个零点,
只需4+k<0或-4+k>0(如图所示)
或
即k<-4或k>4.
∴k的取值范围是(-∞,-4)∪(4,+∞).
1.下列关于函数的极值的说法正确的是( )
A.导数值为0的点一定是函数的极值点
B.函数的极小值一定小于它的极大值
C.函数在定义域内有一个极大值和一个极小值
D.若f(x)在(a,b)内有极值,那么f(x)在(a,b)内不是单调函数
答案 D
解析 由极值的概念可知只有D正确.
2.函数f(x)的定义域为R,导函数f′(x)的图像如图所示,则函数f(x)( )
A.无极大值点,有四个极小值点
B.有三个极大值点,两个极小值点
C.有两个极大值点,两个极小值点
D.有四个极大值点,无极小值点
答案 C
解析 在x=x0的两侧f′(x)的符号由正变负,则f(x0)是极大值;f′(x)的符号由负变正,则f(x0)是极小值,由图像易知有两个极大值点,两个极小值点.
3.已知f(x)=x3+ax2+(a+6)x+1有极大值和极小值,则a的取值范围为( )
A.-1<a<2 B.-3<a<6
C.a<-1或a>2 D.a<-3或a>6
答案 D
解析 f′(x)=3x2+2ax+(a+6),
因为f(x)既有极大值又有极小值,
那么Δ=(2a)2-4×3×(a+6)>0,
解得a>6或a<-3.
4.设函数f(x)=6x3+3(a+2)x2+2ax.若f(x)的两个极值点为x1,x2,且x1x2=1,则实数a的值为________.
答案 9
解析 f′(x)=18x2+6(a+2)x+2a.由已知f′(x1)=f′(x2)=0,从而x1x2==1,所以a=9.
1.在极值的定义中,取得极值的点称为极值点,极值点指的是自变量的值,极值指的是函数值.
2.函数的极值是函数的局部性质.可导函数f(x)在点x=x0处取得极值的充要条件是f′(x0)=0且在x=x0两侧f′(x)符号相反.
3.利用函数的极值可以确定参数的值,解决一些方程的解和图像的交点问题.
一、基础达标
1.函数y=f(x)的定义域为(a,b),y=f′(x)的图像如图,则函数y=f(x)在开区间(a,b)内取得极小值的点有( )
A.1个 B.2个
C.3个 D.4个
答案 A
解析 当满足f′(x)=0的点,左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0时,该点为极小值点,观察题图,只有一个极小值点.
2.“函数y=f(x)在一点的导数值为0”是“函数y=f(x)在这点取得极值”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
答案 B
解析 对于f(x)=x3,f′(x)=3x2,f′(0)=0,
不能推出f(x)在x=0处取极值,反之成立.故选B.
3.若a>0,b>0,且函数f(x)=4x3-ax2-2bx+2在x=1处有极值,则ab的最大值等于( )
A.2 B.3 C.6 D.9
答案 D
解析 f′(x)=12x2-2ax-2b,
∵f(x)在x=1处有极值,
∴f′(1)=12-2a-2b=0,∴a+b=6.
又a>0,b>0,∴a+b≥2,∴2≤6,
∴ab≤9,当且仅当a=b=3时等号成立,
∴ab的最大值为9.
4.函数y=x3-3x2-9x(-2<x<2)有( )
A.极大值5,极小值-27
B.极大值5,极小值-11
C.极大值5,无极小值
D.极小值-27,无极大值
答案 C
解析 由y′=3x2-6x-9=0,得x=-1或x=3,当x<-1或x>3时,y′>0,当-1<x<3时,y′<0.故当x=-1时,函数有极大值5;x取不到3,故无极小值.
5.函数f(x)=x3+3ax2+3(a+2)x+3既有极大值又有极小值,则实数a的取值范围是________.
答案 (-∞,-1)∪(2,+∞)
解析 ∵f′(x)=3x2+6ax+3(a+2),令3x2+6ax+3(a+2)=0,即x2+2ax+a+2=0,∵函数f(x)有极大值和极小值,∴方程x2+2ax+a+2=0有两个不相等的实数根,即Δ=4a2-4a-8>0,解得a>2或a<-1.
6.若函数y=x3-3ax+a在(1,2)内有极小值,则实数a的取值范围是________.
答案 (1,4)
解析 y′=3x2-3a,当a≤0时,y′≥0,
函数y=x3-3ax+a为单调函数,不合题意,舍去;当a>0时,y′=3x2-3a=0⇒x=±,不难分析,当1<<2,即1<a<4时,函数y=x3-3ax+a在(1,2)内有极小值.
7.求函数f(x)=x2e-x的极值.
解 函数的定义域为R,f′(x)=2xe-x+x2·′
=2xe-x-x2e-x=x(2-x)e-x,
令f′(x)=0,得x=0或x=2.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,0)
0
(0,2)
2
(2,+∞)
f′(x)
-
0
+
0
-
f(x)
0
4e-2
由上表可以看出,当x=0时,函数有极小值,且为f(0)=0;
当x=2时,函数有极大值,且为f(2)=4e-2.
二、能力提升
8.已知函数f(x)=x3-px2-qx的图像与x轴相切于(1,0)点,则f(x)的极值为( )
A.极大值为,极小值为0
B.极大值为0,极小值为-
C.极小值为-,极大值为0
D.极小值为0,极大值为
答案 A
解析 由题设条件,知
∴解得
∴f(x)=x3-2x2+x,进而可求得f(1)是极小值,f是极大值,故应选A.
9.(2013·福建)设函数f(x)的定义域为R,x0(x0≠0)是f(x)的极大值点,以下结论一定正确的是( )
A.∀x∈R,f(x)≤f(x0)
B.-x0是f(-x)的极小值点
C.-x0是-f(x)的极小值点
D.-x0是-f(-x)的极小值点
答案 D
解析 x0(x0≠0)是f(x)的极大值点,并不是最大值点.故A错;f(-x)相当于f(x)关于y轴的对称图像的函数,故-x0应是f(-x)的极大值点,B错;-f(x)相当于f(x)关于x轴的对称图像的函数,故x0应是-f(x)的极小值点.跟-x0没有关系,C错;-f(-x)相当于f(x)关于坐标原点的对称图像的函数.故D正确.
10.如果函数y=f(x)的导函数的图像如图所示,给出下列判断:
①函数y=f(x)在区间内单调递增;
②函数y=f(x)在区间内单调递减;
③函数y=f(x)在区间(4,5)内单调递增;
④当x=2时,函数y=f(x)有极小值;
⑤当x=-时,函数y=f(x)有极大值.
则上述判断正确的是________(填序号).
答案 ③
解析 函数的单调性由导数的符号确定,当x∈(-∞,-2)时,f′(x)<0,所以f(x)在(-∞,-2)上为减函数,同理f(x)在(2,4)上为减函数,在(-2,2)上是增函数,在(4,+∞)上为增函数,所以可排除①和②,可选择③.由于函数在x=2的左侧递增,右侧递减,所以当x=2时,函数有极大值;而在x=-的左右两侧,函数的导数都是正数,故函数在x=-的左右两侧均为增函数,所以x=-不是函数的极值点.排除④和⑤.
11.已知f(x)=x3+mx2-2m2x-4(m为常数,且m>0)有极大值-,求m的值.
解 ∵f′(x)=3x2+mx-2m2=(x+m)(3x-2m),
令f′(x)=0,则x=-m或x=m.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
X
(-∞,-m)
-m
m
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
极大值
极小值
∴f(x)极大值=f(-m)=-m3+m3+2m3-4=-,∴m=1.
12.设a为实数,函数f(x)=x3-x2-x+a.
(1)求f(x)的极值;
(2)当a在什么范围内取值时,曲线y=f(x)与x轴仅有一个交点?
解 (1)f′(x)=3x2-2x-1.
令f′(x)=0,则x=-或x=1.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
X
-
1
(1,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
极大值
极小值
所以f(x)的极大值是f=+a,极小值是
f(1)=a-1.
(2)函数f(x)=x3-x2-x+a
=(x-1)2(x+1)+a-1,
由此可知,x取足够大的正数时,有f(x)>0,
x取足够小的负数时,有f(x)<0,
所以曲线y=f(x)与x轴至少有一个交点.
由(1)知f(x)极大值=f=+a,
f(x)极小值=f(1)=a-1.
∵曲线y=f(x)与x轴仅有一个交点,
∴f(x)极大值<0或f(x)极小值>0,
即+a<0或a-1>0,
∴a<-或a>1,
∴当a∈∪(1,+∞)时,曲线y=f(x)与x轴仅有一个交点.
三、探究与创新
13.(2013·新课标Ⅱ)已知函数f(x)=ex-ln(x+m).
(1)设x=0是f(x)的极值点,求m,并讨论f(x)的单调性;
(2)当m≤2时,证明f(x)>0.
(1)解 f′(x)=ex-.
由x=0是f(x)的极值点得f′(0)=0,所以m=1.
于是f(x)=ex-ln(x+1),定义域为(-1,+∞),
f′(x)=ex-.
函数f′(x)=ex-在(-1,+∞)单调递增,
且f′(0)=0,因此当x∈(-1,0)时,f′(x)<0;
当x∈(0,+∞)时,f′(x)>0.
所以f(x)在(-1,0)单调递减,在(0,+∞)单调递增.
(2)证明 当m≤2,x∈(-m,+∞)时,
ln(x+m)≤ln(x+2),故只需证明当m=2时,
f(x)>0.
当m=2时,函数f′(x)=ex-在(-2,+∞)单调递增.
又f′(-1)<0,f′(0)>0,
故f′(x)=0在(-2,+∞)有唯一实根x0,
且x0∈(-1,0).
当x∈(-2,x0)时,f′(x)<0;
当x∈(x0,+∞)时,f′(x)>0,从而当x=x0时,
f(x)取得最小值.
由f′(x0)=0得
ex0=,ln(x0+2)=-x0,
故f(x)≥f(x0)=+x0=>0.
综上,当m≤2时,f(x)>0.