- 603.89 KB
- 2021-06-10 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
考点一 导数与函数的单调性
1.函数单调性与导数的关系
设函数
f
(
x
)在(
a
,
b
)内可导,
f
'(
x
)是
f
(
x
)的导数,则
f
'(
x
)>0
f
(
x
)在(
a
,
b
)内①
单调递增
f
'(
x
)<0
f
(
x
)在(
a
,
b
)内②
单调递减
f
'(
x
)=0
f
(
x
)在(
a
,
b
)内为常数函数
考点清单
注意 (1)讨论函数单调性或求函数的单调区间的实质是解不等式,求解
时,要坚持“定义域优先”原则.
(2)有相同单调性的单调区间不止一个时,用“,”隔开或用“和”连接,不
能用“
∪
”连接.
2.用充分必要条件来诠释导数与函数单调性的关系
(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)
f
'(
x
)
≥
0(或
f
'(
x
)
≤
0)是
f
(
x
)在(
a
,
b
)内单调递增(或递减)的必要不充分条件
(
f
'(
x
)=0只可能在孤立的点处成立).
注意 由函数
f
(
x
)在区间[
a
,
b
]内单调递增(或递减),可得
f
'(
x
)
≥
0(或
f
'(
x
)
≤
0)在该区间恒成立,而不是
f
'(
x
)>0(或
f
'(
x
)<0)恒成立,“=”不能少.必要时
还需对“=”进行检验.
考点二 导数与函数的极(最)值
1.函数的极值与导数
定义
设函数
f
(
x
)在点
x
0
附近有定义,如果对
x
0
附近的所有的点,都有③
f
(
x
)<
f
(
x
0
)
,则
f
(
x
0
)是函数
f
(
x
)的一个极大值,记作
f
(
x
)
极大值
=
f
(
x
0
);如果对
x
0
附近的所有的点,都有④
f
(
x
)>
f
(
x
0
)
,则
f
(
x
0
)是函数
f
(
x
)的一个极小值,记作
f
(
x
)
极小值
=
f
(
x
0
).极大值与极小值统称为极值
结论
设函数
f
(
x
)在点
x
0
处连续.
(1)如果在
x
0
附近的左侧
f
'(
x
)>0,右侧
f
'(
x
)<0,那么
f
(
x
0
)是⑤
极大值
;
(2)如果在
x
0
附近的左侧
f
'(
x
)<0,右侧
f
'(
x
)>0,那么
f
(
x
0
)是极小值;
(3)如果在
x
0
附近的左、右两侧导数值同号,那么
f
(
x
0
)不是极值
利用导数求函数极值的步骤
(1)求
f
(
x
)的定义域;
(2)求
f
'(
x
);
(3)求方程⑥
f
'(
x
)=0
的根;
(4)判断
f
'(
x
)在方程的根的⑦
左、右两侧
值的符号;
(5)利用结论求出极值
注:(1)在函数的整个定义域内,函数的极值不一定唯一,在整个定义域
内可能有多个极大值和极小值;
(2)极大值与极小值没有必然的大小关系,极大值可能比极小值还小;
(3)导数等于零的点不一定是极值点(例如:
f
(
x
)=
x
3
,
f
'(
x
)=3
x
2
,当
x
=0时,
f
'(0)=
0,但
x
=0不是函数的极值点);
(4)对于处处可导的函数,极值点的导数必为零.
2.函数的最大值与最小值
(1)函数的最大值与最小值:在闭区间[
a
,
b
]上连续的函数
f
(
x
),在[
a
,
b
]上必有
⑧
最大值与最小值
;但在开区间(
a
,
b
)内连续的函数
f
(
x
)不一定有最大
值与最小值.
(2)设函数
f
(
x
)在[
a
,
b
]上连续,在(
a
,
b
)内可导,求
f
(
x
)在[
a
,
b
]上的最大值与最小
值的步骤如下:
(i)求
f
(
x
)在(
a
,
b
)内的⑨
极值
;
(ii)将
f
(
x
)的各极值与
f
(
a
)、
f
(
b
)比较,其中最大的一个是最大值,最小的一个
是最小值.
考点三 导数的综合应用
1.不等式恒成立(有解)问题的处理方法
(1)形如
f
(
x
)
≥
g
(
x
)(
x
∈
D
)恒成立,主要方法如下:
法1:构造函数:
F
(
x
)=
f
(
x
)-
g
(
x
)(
x
∈
D
),使
F
(
x
)
≥
0(
x
∈
D
)恒成立,即
F
(
x
)
min
≥
0(
x
∈
D
)恒成立.求
F
(
x
)的最小值即可.
法2:参变量分离:
a
≥
φ
(
x
)或
a
≤
φ
(
x
)恒成立,即
a
≥
φ
(
x
)
max
或
a
≤
φ
(
x
)
min
(
x
∈
D
),
求
φ
(
x
)的最大值或最小值即可.
(2)形如
f
(
x
)
≥
g
(
x
)(
x
∈
D
)有解问题的求解方法:
法1:构造函数:
F
(
x
)=
f
(
x
)-
g
(
x
)(
x
∈
D
),
F
(
x
)在
x
∈
D
时有解,即
F
(
x
)
max
≥
0(
x
∈
D
)
有解,即求
F
(
x
)的最大值即可.
法2:参变量分离:
a
≥
φ
(
x
)或
a
≤
φ
(
x
)(
x
∈
D
)有解,即
a
≥
φ
(
x
)
min
或
a
≤
φ
(
x
)
max
(
x
∈
D
),即求
φ
(
x
)的最值问题.
2.证明形如
f
(
x
)
≥
g
(
x
)的不等式成立的方法
法1:构造函数:
F
(
x
)=
f
(
x
)-
g
(
x
),即
F
(
x
)
min
≥
0恒成立,转化为求
F
(
x
)的最小值问题.
法2:若
f
(
x
)
min
≥
g
(
x
)
max
,则
f
(
x
)
≥
g
(
x
)恒成立,证明
f
(
x
)的最小值大于或等于
g
(
x
)
的最大值.
法3:中间变量法:
f
(
x
)
≥
h
(
x
)且
h
(
x
)
≥
g
(
x
),则
f
(
x
)
≥
g
(
x
)(
h
(
x
)为中间函数,且为
一次函数较多).
3.函数零点问题的处理
f
(
x
)=0的根等价于
f
(
x
)的图象与
x
轴交点的横坐标或转化为
g
(
x
)与
h
(
x
)图象交
点的横坐标或转化为
y
=
a
与
y
=
φ
(
x
)图象的交点问题处理.
4.生活中的优化问题
(1)生活中经常遇到求利润最大、用料最省、效率最高等问题,这些问题通
常称为优化问题,导数在这一类问题中有着重要的作用,它是求函数最大
(小)值的有力工具.
(2)解决优化问题的基本思路:
考法一
利用导数解决函数单调性问题
知能拓展
例1
(2019湖南郴州二模,21)已知函数
f
(
x
)=e
x
(
ax
2
+
x
+
a
).
(1)求函数
f
(
x
)的单调区间;
(2)若函数
f
(
x
)
≤
e
x
(
ax
2
+2
x
)+1恒成立,求实数
a
的取值范围.
解题导引
解析
(1)函数
f
(
x
)的定义域为R,且
f
'(
x
)=(
ax
+
a
+1)·(
x
+1)e
x
,
当
a
=0时,
f
'(
x
)=e
x
(
x
+1),当
x
>-1时,
f
'(
x
)>0,当
x
<-1时,
f
'(
x
)<0,
所以函数
f
(
x
)的单调增区间为(-1,+
∞
),单调减区间为(-
∞
,-1).
当
a
≠
0时,
f
'(
x
)=
a
(
x
+1)
e
x
,则方程
f
'(
x
)=0有两根-1,-
.
①当
a
>0时,-1>-
,所以函数
f
(
x
)的单调增区间为
和(-1,+
∞
),单
调减区间为
.
②当
a
<0时,-1<-
,所以函数
f
(
x
)的单调增区间为
,单调减区间为
(-
∞
,-1),
.
综上可知,当
a
>0时,函数
f
(
x
)的单调增区间为
和(-1,+
∞
),单调减区
间为
;
当
a
=0时,函数
f
(
x
)的单调增区间为(-1,+
∞
),单调减区间为(-
∞
,-1);当
a
<0时,函数
f
(
x
)的单调增区间为
,单调减区间为(-
∞
,-1),
.
(2)函数
f
(
x
)
≤
e
x
(
ax
2
+2
x
)+1恒成立转化为
a
≤
x
+
在R上恒成立.
令
h
(
x
)=
x
+
,则
h
'(
x
)=
,易知
h
(
x
)在(0,+
∞
)上为增函数,在(-
∞
,0)上为减函
数.
∴
h
(
x
)
min
=
h
(0)=1.故实数
a
的取值范围为(-
∞
,1].
方法总结
用导数法求可导函数单调区间的一般步骤:
例2
已知函数
f
(
x
)=e
x
-1
-
x
ln
x
.求证:
f
(
x
)在(0,+
∞
)上单调递增.
解题导引
要证
f
(
x
)在(0,+
∞
)上为增函数,可转化为证其导函数
f
'(
x
)
≥
0在
(0,+
∞
)上恒成立.
证明
∵
f
(
x
)=e
x
-1
-
x
ln
x
,∴
f
'(
x
)=e
x
-1
-ln
x
-1.
要证
f
(
x
)在(0,+
∞
)上单调递增,只要证
f
'(
x
)
≥
0对
x
>0恒成立,
令
i
(
x
)=e
x
-1
-
x
,则
i
'(
x
)=e
x
-1
-1,当
x
>1时,
i
'(
x
)>0,
当
x
<1时,
i
'(
x
)<0,故
i
(
x
)在(-
∞
,1)上单调递减,在(1,+
∞
)上单调递增,所以
i
(
x
)
≥
i
(1)=0,即e
x
-1
≥
x
(当且仅当
x
=1时等号成立),令
j
(
x
)=
x
-1-ln
x
(
x
>0),则
j
'(
x
)=
,
当0<
x
<1时,
j
'(
x
)<0,当
x
>1时,
j
'(
x
)>0,故
j
(
x
)在(0,1)上单调递减,在(1,+
∞
)上单
调递增,所以
j
(
x
)
≥
j
(1)=0,即
x
≥
ln
x
+1(当且仅当
x
=1时取等号),∴
f
'(
x
)=e
x
-1
-ln
x
-1
≥
x
-(ln
x
+1)
≥
0(当且仅当
x
=1时等号成立),∴
f
(
x
)在(0,+
∞
)上单调递增.
方法总结
用导数法证明可导函数
f
(
x
)在(
a
,
b
)内的单调性的步骤
(1)求
f
'(
x
).
(2)确定
f
'(
x
)在(
a
,
b
)内的符号.
(3)得出结论.
f
'(
x
)
≥
0(或>0)时为增函数,
f
'(
x
)
≤
0(或<0)时为减函数.
考法二
与函数极值或最值有关的导数问题
例3
(2019吉林第一次调研(改编))已知函数
f
(
x
)=
x
3
-6
ax
2
+9
a
2
x
(
a
∈R).
(1)当
a
=2时,求函数
f
(
x
)的极值;
(2)当
a
≥
1时,若
f
(
x
)在
x
∈[0,3]上的最大值为27,求实数
a
的值.
解题导引
(1)求
f
'(
x
)→求方程
f
'(
x
)=0的根→判断根左、右两侧导函数值
的正负→确定极值.
(2)先判断
f
(
x
)在[0,3]上的单调性,此处
a
与3的大小关系不定,分两种情况讨
论,再分别求解.
解析
(1)当
a
=2时,
f
(
x
)=
x
3
-12
x
2
+36
x
,
则
f
'(
x
)=3
x
2
-24
x
+36=3(
x
-2)(
x
-6),
令
f
'(
x
)=0,得
x
=2或
x
=6.
所以当
x
∈(-
∞
,2)时,
f
'(
x
)>0,
f
(
x
)为增函数,
当
x
∈(2,6)时,
f
'(
x
)<0,
f
(
x
)为减函数,
当
x
∈(6,+
∞
)时,
f
'(
x
)>0,
f
(
x
)为增函数,
所以
f
(
x
)
极大值
=
f
(2)=32,
f
(
x
)
极小值
=
f
(6)=0,
(2)
f
'(
x
)=3
x
2
-12
ax
+9
a
2
=3(
x
-
a
)(
x
-3
a
)(
a
≥
1),
所以
f
(
x
)在(0,
a
)上单调递增;在(
a
,3
a
)上单调递减;
在(3
a
,+
∞
)上单调递增.
当
a
≥
3时,函数
f
(
x
)在[0,3]上单调递增,
所以函数
f
(
x
)在[0,3]上的最大值是
f
(3)=27-54
a
+27
a
2
,
由题意得27-54
a
+27
a
2
=27,解得
a
=2或
a
=0,
因为
a
≥
3,所以此时
a
的值不存在,
当1
≤
a
<3时,
a
<3
≤
3
a
,此时
f
(
x
)在(0,
a
)上递增,在(
a
,3)上递减,所以函数
f
(
x
)在
[0,3]上的最大值是
f
(
a
)=
a
3
-6
a
3
+9
a
3
=4
a
3
,由题意得4
a
3
=27,解得
a
=
.
综上,
a
=
.
方法总结
解决函数极值问题的一般思路
考法三
利用导数研究函数的零点问题
例4
(2018课标Ⅱ,21,12分)已知函数
f
(
x
)=e
x
-
ax
2
.
(1)若
a
=1,证明:当
x
≥
0时,
f
(
x
)
≥
1;
(2)若
f
(
x
)在(0,+
∞
)只有一个零点,求
a
.
解题导引
(1)要证
f
(
x
)
≥
1,只要证e
x
-
x
2
-1
≥
0,即(
x
2
+1)e
-
x
-1
≤
0,设
g
(
x
)=(
x
2
+1)e
-
x
-1,证明
g
(
x
)
max
≤
0即可.
(2)若使
f
(
x
)在(0,+
∞
)上有一个零点,可以考虑使函数
y
=
f
(
x
)的图象在(0,+
∞
)
上与
x
轴有一个交点,由于
a
为参数,其取值变化影响着
y
=
f
(
x
)的单调性,因此,
首先对
a
分类讨论,由于
f
(
x
)=e
x
-
ax
2
的导数
f
'(
x
)=e
x
-2
ax
不易判断函数值符号,
所以将其转化为
f
(
x
)=e
x
,即讨论
h
(
x
)=1-
a
·
的零点问题,结合单调性
分类讨论.
解析
(1)证明:当
a
=1时,
f
(
x
)
≥
1等价于(
x
2
+1)e
-
x
-1
≤
0.
设
g
(
x
)=(
x
2
+1)e
-
x
-1,
则
g
'(
x
)=-(
x
2
-2
x
+1)e
-
x
=-(
x
-1)
2
e
-
x
.
当
x
≠
1时,
g
'(
x
)<0,所以
g
(
x
)在(0,+
∞
)单调递减.
而
g
(0)=0,故当
x
≥
0时,
g
(
x
)
≤
0,即
f
(
x
)
≥
1.
(2)设
h
(
x
)=1-
ax
2
e
-
x
.
f
(
x
)在(0,+
∞
)只有一个零点当且仅当
h
(
x
)在(0,+
∞
)只有一个零点.
(i)当
a
≤
0时,
h
(
x
)>0,
h
(
x
)没有零点.
(ii)当
a
>0时,
h
'(
x
)=
ax
(
x
-2)e
-
x
.
当
x
∈(0,2)时,
h
'(
x
)<0;当
x
∈(2,+
∞
)时,
h
'(
x
)>0.
所以
h
(
x
)在(0,2)单调递减,在(2,+
∞
)单调递增.
故
h
(2)=1-
是
h
(
x
)在[0,+
∞
)的最小值.
①若
h
(2)>0,即
a
<
,
h
(
x
)在(0,+
∞
)没有零点;
②若
h
(2)=0,即
a
=
,
h
(
x
)在(0,+
∞
)只有一个零点;
③若
h
(2)<0,即
a
>
,由于
h
(0)=1,所以
h
(
x
)在(0,2)有一个零点.
由(1)知,当
x
>0时,e
x
>
x
2
,
所以
h
(4
a
)=1-
=1-
>1-
=1-
>0.
故
h
(
x
)在(2,4
a
)有一个零点.
因此
h
(
x
)在(0,+
∞
)有两个零点.
综上,
f
(
x
)在(0,+
∞
)只有一个零点时,
a
=
.
方法总结
利用导数研究不等式恒成立问题,可以先构造函数,然后对构造
的新函数求导,利用导数研究函数的单调性,求出最值,进而得出相应的含
参不等式,从而求出参数的取值范围;也可以先分离变量,再构造函数,直接
把问题转化为函数的最值问题.研究函数的零点个数问题,可以通过导数研
究函数的单调性、最值等.具体地,可画出函数图象,根据函数图象的走势
规律,标出函数极值点、最值点的位置求解.这种用数形结合思想分析问题
的方法,可以使问题有一个清晰、直观的整体展现.
考法四
利用导数证明不等式问题
例5
(2019陕西第二次质量检测,21)函数
f
(
x
)=ln
x
+
,
k
∈R.
(1)若
k
=1,求函数
f
(
x
)的单调区间;
(2)若
f
(
x
)
≥
2+
恒成立,求实数
k
的取值范围;
(3)设
g
(
x
)=
f
(
x
)-
+1,
A
(
x
1
,
y
1
),
B
(
x
2
,
y
2
)为曲线
y
=
g
(
x
)上两点,且0<
x
1
<
x
2
,设直线
AB
斜率为
k
,
x
0
=
,证明:
k
>
g
'(
x
0
).
解题导引
(1)求
f
'(
x
),判断
f
'(
x
)在(0,+
∞
)上的正负,从而得单调区间,找出
使
f
'(
x
)=0的
x
是确定单调区的关键.
(2)将恒成立问题等价变形,转化为求确定函数的最值问题,分离常数
k
时注
意变量
x
∈(0,+
∞
)的限定.
(3)将要证不等式明确为证明不等式
>
成立(
x
2
>
x
1
>0),再考虑
如何变两元
x
1
,
x
2
为一元,此处是证明的关键,由对数运算性质ln
x
2
-ln
x
1
=ln
不妨设
=
t
,再构造函数证明即可.
解析
(1)当
k
=1时,函数
f
(
x
)=ln
x
+
,
x
>0.
f
'(
x
)=
-
=
.当
f
'(
x
)>0时,
x
>1,当
f
'(
x
)<0时,0<
x
<1,则函数
f
(
x
)的单调递减区间为(0,1),单调递增区间为(1,+
∞
).
(2)
f
(
x
)
≥
2+
恒成立,即ln
x
+
≥
2+
恒成立,
整理得
k
≥
2
x
-
x
ln
x
+1-e恒成立,
令
h
(
x
)=2
x
-
x
ln
x
+1-e,
x
>0,
则
h
'(
x
)=1-ln
x
,令
h
'(
x
)=0,得
x
=e,
所以
h
(
x
)在(0,e)上单调递增,在(e,+
∞
)上单调递减.
所以当
x
=e时,函数
h
(
x
)取得最大值
h
(e)=1,因此
k
≥
1.
(3)
k
=
=
,
因为
x
0
=
,所以
g
'(
x
0
)=(ln
x
+1)'
=
=
.
要证
k
>
g
'(
x
0
),即证
>
,因为0<
x
1
<
x
2
,
即证ln
x
2
-ln
x
1
>
,
设
t
=
>1,即证ln
t
>
=2-
,
也就是要证ln
t
+
-2>0,其中
t
∈(1,+
∞
),
设
k
(
t
)=ln
t
+
-2(
t
∈(1,+
∞
)),
则
k
'(
t
)=
-
=
=
>0,
所以
k
(
t
)在(1,+
∞
)上单调递增,
因此
k
(
t
)>
k
(1)=0.即
k
>
g
'(
x
0
).
方法总结
解决不等式恒成立问题的常见方法:①分离参数,化为
a
≥
f
(
x
)恒
成立(
a
≥
f
(
x
)
max
即可)或
a
≤
f
(
x
)恒成立(
a
≤
f
(
x
)
min
即可);②数形结合(
y
=
f
(
x
)图
象在
y
=
g
(
x
)图象上方(或下方)即可);③讨论最值
f
(
x
)
min
≥
0或
f
(
x
)
max
≤
0恒成
立;④讨论参数,排除不合题意的参数范围,筛选出符合题意的参数范围.
例
为了满足广大人民群众日益增长的体育需求,为了纪念北京奥运会成
功举办,国务院批准从2009年起,将每年8月8日设置为“全民健身日”,为
响应国家号召,各地利用已有土地资源建设健身场所.如图,有一个长方形
地块
ABCD
,边
AB
为2 km,
AD
为4 km.地块的一角是草坪(图中阴影部分),其
边缘线
AC
是以直线
AD
为对称轴,以
A
为顶点的抛物线的一部分.
现要铺设一条过边缘线
AC
上一点
P
的直线型隔离带
EF
,
E
,
F
分别在
边
AB
,
BC
上(隔离带不能穿越草坪,且占地面积忽略不计),将隔离出
的△
BEF
作为健身场所.则△
BEF
面积
S
的最大值为
(单位:km
2
).
实践探究
解析
以
A
为坐标原点,
AB
所在的直线为
x
轴,建立平面直角坐标系,可得
C
(2,4).设边缘线
AC
所在的抛物线为
y
=
ax
2
,把
C
(2,4)代入得
a
=1,所以抛物线的
方程为
y
=
x
2
.
设点
P
(
t
,
t
2
),因为
y
'=2
x
,
所以过点
P
的切线
EF
的方程为
y
=2
tx
-
t
2
,
令
y
=0,得
E
;令
x
=2,得
F
(2,4
t
-
t
2
),
所以△
BEF
的面积为
S
=
(4
t
-
t
2
),
即
S
=
(
t
3
-8
t
2
+16
t
),
t
∈(0,2],
故
S
'=
(3
t
2
-16
t
+16)=
(
t
-4)
.
由
S
'>0,得
t
∈
,由
S
'<0,得
t
∈
,
所以
S
在
t
∈
上是增函数,在
t
∈
上是减函数,
所以
S
在
t
∈(0,2]上的最大值在
t
=
处取到,为
.
答案
相关文档
- 【数学】2019届高考一轮复习北师大2021-06-1011页
- 【数学】2021届新高考一轮复习北师2021-06-106页
- 【数学】2019届高考一轮复习北师大2021-06-1017页
- 【数学】2021届新高考一轮复习北师2021-06-106页
- 【数学】2019届高考一轮复习北师大2021-06-1015页
- 高考一轮复习文数通用版:第三单元 2021-06-1025页
- 【数学】2019届高考一轮复习北师大2021-06-1014页
- 【数学】2021届新高考一轮复习北师2021-06-109页
- 【数学】2019届高考一轮复习北师大2021-06-107页
- 【数学】2021届新高考一轮复习北师2021-06-1011页