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- 2021-06-24 发布
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第32练 函数与导数
[明考情]
函数与导数问题是高考的必考题,作为试卷的压轴题,在第21题或第22题的位置.
[知考向]
1.导数的几何意义.
2.导数与函数的单调性.
3.导数与函数的极值、最值.
考点一 导数的几何意义
要点重组 导数的几何意义:函数y=f(x)在x=x0处的导数f′(x0)就是曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处切线的斜率.
方法技巧 (1)已知斜率求切点:已知斜率k,求切点(x1,f(x1)),即解方程f′(x1)=k.
(2)求切线倾斜角的取值范围:先求导数的取值范围,即确定切线斜率的取值范围,然后利用正切函数的单调性解决.
1.已知函数f(x)=x3+x-16.
(1)求曲线y=f(x)在点(2,-6)处的切线方程;
(2)直线l为曲线y=f(x)的切线,且经过原点,求直线l的方程及切点坐标;
解 (1)由计算可知,点(2,-6)在曲线y=f(x)上.
∵f′(x)=(x3+x-16)′=3x2+1,
∴y=f(x)在点(2,-6)处的切线的斜率k=f′(2)=13,
∴切线方程为y=13(x-2)+(-6),即y=13x-32.
(2)设切点为(x0,y0),
则直线l的斜率为f′(x0)=3x+1,
∴直线l的方程为y=(3x+1)(x-x0)+x+x0-16.
又∵直线l过点(0,0),
∴0=(3x+1)(-x0)+x+x0-16,
整理得x=-8,
∴x0=-2,
∴y0=(-2)3+(-2)-16=-26,
k=3×(-2)2+1=13.
∴直线l的方程为y=13x,切点坐标为(-2,-26).
2.设函数f(x)=(x+a)lnx,g(x)=.已知曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与直线2x-y=0平行.
(1)求a的值;
(2)是否存在自然数k,使得方程f(x)=g(x)在(k,k+1)内存在唯一的根?如果存在,求出k;如果不存在,请说明理由;
解 (1)由题意知,曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线斜率为2,所以f′(1)=2,
又f′(x)=lnx++1,即f′(1)=a+1=2,所以a=1.
(2)当k=1时,方程f(x)=g(x)在(1,2)内存在唯一的根.
设h(x)=f(x)-g(x)=(x+1)lnx-,
当x∈(0,1]时,h(x)<0.
又h(2)=3ln2-=ln8->0,
所以存在x0∈(1,2),使得h(x0)=0.
因为h′(x)=lnx++1+,
所以当x∈(1,2)时,h′(x)>0,
所以h′(x)>h′(1)=2->0,
当x∈(2,+∞)时,h′(x)>0,
所以当x∈(1,+∞)时,h(x)单调递增,
所以当k=1时,方程f(x)=g(x)在(k,k+1)内存在唯一的根.
3.已知定义在正实数集上的函数f(x)=x2+2ax,g(x)=3a2lnx+b,其中a>0.设两曲线y=f(x),y=g(x)有公共点,且在公共点处的切线相同.
(1)若a=1,求b的值;
(2)用a表示b,并求b的最大值.
解 (1)当a=1时,f(x)=x2+2x,g(x)=3lnx+b.
设y=f(x)与y=g(x)(x>0)在公共点(x0,y0)处的切线相同,
f′(x)=x+2,g′(x)=,
由题意知,f(x0)=g(x0),f′(x0)=g′(x0),
∴
由x0+2=,得x0=1或x0=-3(舍去).
∴b=.
(2)设y=f(x)与y=g(x)(x>0)在公共点(x0,y0)处的切线相同,
f′(x)=x+2a,g′(x)=.
由题意知,f(x0)=g(x0),f′(x0)=g′(x0),
∴
由x0+2a=,得x0=a或x0=-3a(舍去),
即b=a2+2a2-3a2lna=a2-3a2lna.
令h(t)=t2-3t2lnt(t>0),则h′(t)=2t(1-3lnt),
则当2t(1-3lnt)>0,即0<t<时,h′(t)>0;
当2t(1-3lnt)<0,即t>时,h′(t)<0.
故h(t)在(0,+∞)上的最大值为h()=,故b的最大值为.
考点二 导数与函数的单调性
方法技巧 (1)函数单调性的判定方法:在某个区间(a,b)内,如果f′(x)>0,那么函数y=f(x)在此区间内单调递增;如果f′(x)<0,那么函数y=f(x)在此区间内单调递减.
(2)常数函数的判定方法:如果在某个区间(a,b)内,恒有f′(x)=0,那么函数y=f(x)在此区间内是常数函数,不具有单调性.
(3)已知函数的单调性求参数的取值范围:若可导函数f(x)在某个区间内单调递增(或递减),则可以得出函数f(x)在这个区间内f′(x)≥0(或f′(x)≤0),从而转化为恒成立问题来解决(注意等号成立的检验).
4.设f(x)=,其中a为正实数.
(1)当a=时,求f(x)的极值点;
(2)若f(x)为R上的单调函数,求a的取值范围.
解 对f(x)求导得f′(x)=ex·. ①
(1)当a=时,若f′(x)=0,则4x2-8x+3=0,
解得x1=,x2=.结合①可知,
x
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
↗
极大值
↘
极小值
↗
所以x1=是极小值点,x2=是极大值点.
(2)若f(x)为R上的单调函数,则f′(x)在R上不变号.
结合①与条件a>0知,ax2-2ax+1≥0在R上恒成立,
即Δ=4a2-4a=4a(a-1)≤0,由此并结合a>0知,00,求函数f(x)的单调区间;
(3)设函数g(x)=f(x)+2x,且g(x)在区间(-2,-1)内存在单调递减区间,求实数a的取值范围.
解 (1)f′(x)=x2-ax+b,
由题意得即
(2)由(1),得f′(x)=x2-ax=x(x-a)(a>0),
当x∈(-∞,0)时,f′(x)>0;
当x∈(0,a)时,f′(x)<0;
当x∈(a,+∞)时,f′(x)>0.
所以函数f(x)的单调递增区间为(-∞,0),(a,+∞),
单调递减区间为(0,a).
(3)g′(x)=x2-ax+2,
依题意,存在x∈(-2,-1),
使g′(x)=x2-ax+2<0成立,
当x∈(-2,-1)时,a<x+≤-2,
所以实数a的取值范围是(-∞,-2).
6.(2017·西宁二模)已知函数f(x)=aln(x+1)-ax-x2.
(1)若x=1为函数f(x)的极值点,求a的值;
(2)讨论f(x)在定义域上的单调性.
解 (1)因为f′(x)=-a-2x(x>-1),
所以令f′(1)=0,即-a=2,解得a=-4.
经检验,当x∈(0,1)时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
当x∈(1,+∞)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
所以f(x)在x=1处取得极大值.
所以a=-4满足题意.
(2)f′(x)=-a-2x=,
令f′(x)=0,得x=0或x=-,
又f(x)的定义域为(-1,+∞).
①当-≤-1,即当a≥0时,
若x∈(-1,0),f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈(0,+∞),f′(x)<0,则f(x)单调递减;
②当-1<-<0,即-2<a<0时,
若x∈,f′(x)<0,则f(x)单调递减;
若x∈,f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈(0,+∞),f′(x)<0,则f(x)单调递减;
③当-=0,即a=-2时,
f′(x)≤0,f(x)在(-1,+∞)上单调递减;
④当->0,即a<-2时,
若x∈(-1,0),f′(x)<0,则f(x)单调递减;
若x∈,f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈,f′(x)<0,则f(x)单调递减.
综上,当a≥0时,f(x)在(-1,0)上单调递增,在(0,+∞)上单调递减;
当-2<a<0时,f(x)在上单调递减,在上单调递增,在(0,+∞)上单调递减;
当a=-2时,f(x)在(-1,+∞)上单调递减;
当a<-2时,f(x)在(-1,0)上单调递减,在上单调递增,在上单调递减.
7.已知函数f(x)=(x2+bx+b)·(b∈R).
(1)当b=4时,求f(x)的极值;
(2)若f(x)在区间上单调递增,求b的取值范围.
解 (1)当b=4时,f′(x)=,
由f′(x)=0,得x=-2或x=0.
当x∈(-∞,-2)时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当x∈(-2,0)时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
当x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
故f(x)在x=-2处取得极小值f(-2)=0,在x=0处取得极大值f(0)=4.
(2)f′(x)=,
因为当x∈时,<0,
依题意得当x∈时,有5x+(3b-2)≤0,
从而+(3b-2)≤0,b≤.
所以b的取值范围为.
8.(2017·重庆二诊)已知曲线f(x)=在点(e,f(e))处的切线与直线2x+e2y=0平行,a∈R.
(1)求a的值;
(2)求证:>.
(1)解 f′(x)=,
由题意可知,f′(e)==-⇒a=3.
(2)证明 f(x)=(x>0),
f′(x)=,
f′(x)>0⇒,即>.
②当x∈[1,+∞)时,(lnx)2+3lnx+3≥0+0+3=3,
令g(x)=,
则g′(x)=,
故g(x)在[1,2)上单调递增,在(2,+∞)上单调递减,
∴g(x)≤g(2)=<3,
∴(lnx)2+3lnx+3>,
即>.
综上,对任意x>0,均有>.
考点三 导数与函数的极值、最值
要点重组 (1)可导函数极值点的导数为0,但导数为0的点不一定是极值点,如函数f(x)=x3,f′(0)=0,但x=0不是极值点.
(2)极值点不是一个点,而是一个数x0,当x=x0时,函数取得极值,在x0处有f′(x0)=0是函数f(x)在x0处取得极值的必要不充分条件.
(3)一般地,在闭区间[a,b]上函数y=f(x)的图象是一条连续不断的曲线,那么函数y=f(x)在[a,b]上必有最大值与最小值.函数的最值必在极值点或区间的端点处取得.
9.(2017·北京)已知函数f(x)=excosx-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)在区间上的最大值和最小值.
解 (1)因为f(x)=excosx-x,
所以f′(x)=ex(cosx-sinx)-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)由(1)可知,f′(x)=ex(cosx-sinx)-1,
设h(x)=ex(cosx-sinx)-1,则
h′(x)=ex(cosx-sinx-sinx-cosx)=-2exsinx.
当x∈时,h′(x)<0,
所以h(x)在区间上单调递减.
所以对任意x∈有h(x)<h(0)=0,
即f′(x)<0.
所以函数f(x)在区间上单调递减.
因此f(x)在区间上的最大值为f(0)=1,最小值为f=-.
10.讨论函数f(x)=ln(x+1)+a(x2-x)(a∈R)的极值点的个数.
解 由题意知,函数f(x)的定义域为(-1,+∞),
f′(x)=+a(2x-1)=.
令g(x)=2ax2+ax-a+1,x∈(-1,+∞).
①当a=0时,g(x)=1,
此时f′(x)>0,函数f(x)在(-1,+∞)上单调递增,无极值点;
②当a>0时,Δ=a2-8a(1-a)=a(9a-8).
当0<a≤时,Δ≤0,g(x)≥0.
故f′(x)≥0,函数f(x)在(-1,+∞)上单调递增,无极值点;
当a>时,Δ>0.
设方程2ax2+ax-a+1=0的两根分别为x1,x2(x1<x2),
因为x1+x2=-,
所以x1<-,x2>-,
由g(-1)=1>0,可得-1<x1<-.
所以当x∈(-1,x1)时,g(x)>0,f′(x)>0,函数f(x)单调递增;
当x∈(x1,x2)时,g(x)<0,f′(x)<0,函数f(x)单调递减;
当x∈(x2,+∞)时,g(x)>0,f′(x)>0,函数f(x)单调递增.
因此函数f(x)有两个极值点.
③当a<0时,Δ>0,由g(-1)=1>0,可得x1<-1.
当x∈(-1,x2)时,g(x)>0,f′(x)>0,函数f(x)单调递增;
当x∈(x2,+∞)时,g(x)<0,f′(x)<0,函数f(x)单调递减,
所以函数f(x)有一个极值点.
综上所述,当a<0时,函数f(x)有一个极值点;
当0≤a≤时,函数f(x)无极值点;
当a>时,函数f(x)有两个极值点.
11.设函数f(x)=.
(1)当a=1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)当x≥0时,f(x)的最大值为a,求a的取值范围.
解 (1)当a=1时,f(x)=,f(1)=0,f′(x)=,f′(1)=-,
∴曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为x+ey-1=0.
(2)f(x)在x≥0时的最大值为a,等价于f(x)≤a对于x≥0恒成立,
可化为a≥对于x≥0恒成立.
令g(x)=,则g′(x)=,
于是g(x)在[0,2]上单调递增,在(2,+∞)上单调递减,
∴g(x)max=g(2)=,
∴a的取值范围是.
12.已知函数f(x)=ax-lnx+x2.
(1)若a=-1,求函数f(x)的极值;
(2)若a=1,∀x1∈(1,2),∃x2∈(1,2),使得f(x1)-x=mx2-mx(m≠0),求实数m的取值范围.
解 (1)依题意,当a=-1时,f(x)=-x-lnx+x2,
f′(x)=-1-+2x==,
因为x∈(0,+∞),故当x∈(0,1)时,f′(x)<0,当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,
故当x=1时,f(x)有极小值,极小值为f(1)=0,无极大值.
(2)当a=1时,f(x)=x-lnx+x2.
因为∀x1∈(1,2),∃x2∈(1,2),
使得f(x1)-x=mx2-mx(m≠0),
故lnx1-x1=mx-mx2.
设h(x)=lnx-x,g(x)=mx3-mx,
当x∈(1,2)时,h′(x)=-1<0,即函数h(x)在(1,2)上单调递减,
故h(x)的值域为A=(ln2-2,-1).
又g′(x)=mx2-m=m(x+1)(x-1).
①当m<0时,g(x)在(1,2)上单调递减,此时g(x)的值域为B=,
因为A⊆B,又->0>-1,
故≤ln2-2,即m≤ln2-3;
②当m>0时,g(x)在(1,2)上单调递增,此时g(x)的值域为B=,因为A⊆B,又>0>-1,
故-≤ln2-2,故m≥-(ln2-2)=3-ln2.
综上所述,实数m的取值范围为∪.
例 (12分)设函数f(x)=a2x2-lnx(a∈R).
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)如果函数f(x)的图象不在x轴的下方,求实数a的取值范围.
审题路线图
(1)→→
(2)→
→
规范解答·评分标准
解 (1)f′(x)=a2x-(x>0).……………………………………………………………1分
当a=0时,f′(x)<0,故f(x)在(0,+∞)上单调递减.
当a>0时,f′(x)==,
由f′(x)≥0,得x≥;由f′(x)<0,得0<x<.……………………………………3分
所以f(x)的单调递减区间为,单调递增区间为.
当a<0时,f′(x)=,
由f′(x)≥0,得x≥-;
由f′(x)<0,得0<x<-.………………………………………………………………5分
所以f(x)的单调递减区间为,单调递增区间为.
综上,当a=0时,f(x)的单调递减区间为(0,+∞);
当a>0时,f(x)的单调递减区间为,单调递增区间为;当a<0时,f(x)的单调递减区间为,单调递增区间为.………………………………6分
(2)f(x)的图象不在x轴的下方,即当x>0时,f(x)≥0恒成立,
所以a2x2-lnx≥0,即a2≥.………………………………………………………7分
令h(x)=(x>0),
则h′(x)==,…………………………………………………9分
由h′(x)>0,得0<x<;由h′(x)<0,得x>.
故h(x)在(0,]上单调递增,在[,+∞)上单调递减.当x=时,h(x)取得最大值.
所以a2≥,解得a≤-或a≥.……………………………………………………11分
故实数a的取值范围是∪.…………………………………12分
构建答题模板
[第一步] 求导:一般先确定函数的定义域,再求导数f′(x).
[第二步] 转化:“判断函数单调性、求极值(最值)”常转化为“判断f′(x)的符号”,“切线方程、切线的斜率(或倾斜角)、切点坐标”,常转化为“导数的几何意义”,“恒成立问题”常转化为“求最值”等.
[第三步] 求解:根据题意求出函数的单调区间、极值、最值等问题.
[第四步] 反思:单调区间不能用“∪”连接;范围问题的端点能否取到.
1.已知函数f(x)=ax3+x2(a∈R)在x=-处取得极值.
(1)确定a的值;
(2)若g(x)=f(x)ex,讨论g(x)的单调性.
解 (1)对f(x)求导,得f′(x)=3ax2+2x,
因为f(x)在x=-处取得极值,所以f′=0,
即3a·+2·=-=0,解得a=.
(2)由(1)得g(x)=ex,
故g′(x)=ex+ex=ex=x(x+1)(x+4)ex.
令g′(x)=0,解得x=0,x=-1或x=-4.
当x<-4时,g′(x)<0,故g(x)为减函数;
当-4<x<-1时,g′(x)>0,故g(x)为增函数;
当-1<x<0时,g′(x)<0,故g(x)为减函数;
当x>0时,g′(x)>0,故g(x)为增函数.
综上可知,g(x)在(-∞,-4)和(-1,0)上为减函数,在(-4,-1)和(0,+∞)上为增函数.
2.(2016·北京)设函数f(x)=xea-x+bx,曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程为y=(e-1)x+4.
(1)求a,b的值;
(2)求f(x)的单调区间.
解 (1)f(x)的定义域为R.
∵f′(x)=ea-x-xea-x+b=(1-x)ea-x+b.
依题意可知,即
解得a=2,b=e.
(2)由(1)知,f(x)=xe2-x+ex,
由f′(x)=e2-x(1-x+ex-1)及e2-x>0知,
f′(x)与1-x+ex-1同号.
令g(x)=1-x+ex-1,则g′(x)=-1+ex-1.
所以,当x∈(-∞,1)时,g′(x)<0,g(x)在区间(-∞,1)上单调递减;
当x∈(1,+∞)时,g′(x)>0,g(x)在区间(1,+∞)上单调递增.
故g(1)=1是g(x)在区间(-∞,+∞)上的最小值,
从而g(x)>0,x∈(-∞,+∞),
综上可知,f′(x)>0,x∈(-∞,+∞).
故f(x)的单调递增区间为(-∞,+∞).
3.已知函数f(x)=lnx-a2x2+ax(a∈R).若函数f(x)在区间[1,+∞)上是减函数,求实数a的取值范围.
解 函数f(x)=lnx-a2x2+ax的定义域为(0,+∞),
f′(x)=-2a2x+a==.
方法一 ①当a=0时,f′(x)=>0,所以f(x)在区间[1,+∞)上是增函数,不合题意;
②当a>0时,f′(x)≤0(x>0),即(2ax+1)(ax-1)≥0(x>0),即x≥,
此时f(x)的单调递减区间为.
依题意,得解得a≥1;
③当a<0时,f′(x)≤0(x>0),即(2ax+1)(ax-1)≥0(x>0),即x≥-.
此时f(x)的单调递减区间为.
依题意,得解得a≤-.
综上,实数a的取值范围是∪[1,+∞).
方法二 ①当a=0时,f′(x)=>0,
所以f(x)在区间[1,+∞)上是增函数,不合题意;
②当a≠0时,要使函数f(x)在区间[1,+∞)上是减函数,只需f′(x)≤0在区间[1,+∞)上恒成立.
因为x>0,所以只要2a2x2-ax-1≥0在区间[1,+∞)上恒成立.
所以解得a≥1或a≤-.
综上,实数a的取值范围是∪[1,+∞).
4.设函数f(x)=emx+x2-mx.
(1)证明:f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增;
(2)若对于任意x1,x2∈[-1,1],都有|f(x1)-f(x2)|≤e-1,求m的取值范围.
(1)证明 f′(x)=m(emx-1)+2x.
若m≥0,则当x∈(-∞,0)时,emx-1≤0,f′(x)<0;
当x∈(0,+∞)时,emx-1≥0,f′(x)>0.
若m<0,则当x∈(-∞,0)时,emx-1>0,f′(x)<0;
当x∈(0,+∞)时,emx-1<0,f′(x)>0.
所以,f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增.
(2)解 由(1)知,对任意的m,f(x)在[-1,0]上单调递减,在[0,1]上单调递增,故f(x)在x=0处取得最小值.所以对于任意x1,x2∈[-1,1],|f(x1)-f(x2)|≤e-1的充要条件是
即 ①
设函数g(t)=et-t-e+1,则g′(t)=et-1.
当t<0时,g′(t)<0;当t>0时,g′(t)>0.
故g(t)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增.
又g(1)=0,g(-1)=e-1+2-e<0,故当t∈[-1,1]时,g(t)≤0.
当m∈[-1,1]时,g(m)≤0,g(-m)≤0,即①式成立;
当m>1时,由g(t)的单调性知,g(m)>0,即em-m>e-1;
当m<-1时,g(-m)>0,即e-m+m>e-1.
综上,m的取值范围是[-1,1].
5.已知函数f(x)=x2-ax+2lnx.
(1)若函数y=f(x)在定义域上单调递增,求实数a的取值范围;
(2)设f(x)有两个极值点x1,x2,若x1∈,且f(x1)≥t+f(x2)恒成立,求实数t的取值范围.
解 (1)因为函数y=f(x)在定义域上单调递增,
所以f′(x)≥0,即2x-a+≥0在(0,+∞)上恒成立,
所以a≤2x+(x∈(0,+∞)).
而2x+≥2=4,
所以a≤4,所以实数a的取值范围是(-∞,4].
(2)因为f′(x)=(x>0),
由题意可得x1,x2为方程f′(x)=0,即2x2-ax+2=0(x>0)的两个不同实根,
所以ax1=2x+2,ax2=2x+2.
由根与系数的关系可得x1x2=1.
由已知0<x1≤,则x2=≥e.
而f(x1)-f(x2)=(x-ax1+2lnx1)-(x-ax2+2lnx2)
=[x-(2x+2)+2lnx1]-[x-(2x+2)+2lnx2]
=(-x-2+2lnx1)-(-x-2+2lnx2)
=x-x+2(lnx1-lnx2)=x-x+2ln
=x-+2ln=x--2lnx(x2≥e).
设p(x)=x--2lnx(x≥e2),
则p′(x)=1+-==,
显然当x≥e2时,p′(x)>0,函数p(x)单调递增,
故p(x)≥p(e2)=e2--2lne2=e2--4.
故f(x1)-f(x2)≥e2--4,
故t≤e2--4.
所以实数t的取值范围是.