(全國通用版)2018-2019版高中數(shù)學(xué) 第一章 導(dǎo)數(shù)及其應(yīng)用 1.3 導(dǎo)數(shù)在研究函數(shù)中的應(yīng)用 1.3.1 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)(一)學(xué)案 新人教A版選修2-2
1.3.1 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)(一)
學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.理解導(dǎo)數(shù)與函數(shù)的單調(diào)性的關(guān)系.2.掌握利用導(dǎo)數(shù)判斷函數(shù)單調(diào)性的方法.3.能利用導(dǎo)數(shù)求不超過三次多項式函數(shù)的單調(diào)區(qū)間.
知識點一 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)函數(shù)的關(guān)系
思考 觀察圖中函數(shù)f(x),填寫下表.
導(dǎo)數(shù)值
切線的斜率
傾斜角
曲線的變化趨勢
函數(shù)的單調(diào)性
f′(x)>0
k>0
銳角
上升
遞增
f′(x)<0
k<0
鈍角
下降
遞減
梳理 一般地,設(shè)函數(shù)y=f(x)在區(qū)間(a,b)內(nèi)可導(dǎo),則在區(qū)間(a,b)內(nèi),
(1)如果f′(x)>0,則f(x)在這個區(qū)間內(nèi)單調(diào)遞增;
(2)如果f′(x)<0,則f(x)在這個區(qū)間內(nèi)單調(diào)遞減.
知識點二 利用導(dǎo)數(shù)判斷函數(shù)的單調(diào)性的一般步驟
(1)確定函數(shù)y=f(x)的定義域;
(2)求導(dǎo)數(shù)y′=f′(x);
(3)解不等式f′(x)>0,解集在定義域內(nèi)的部分為增區(qū)間;
(4)解不等式f′(x)<0,解集在定義域內(nèi)的部分為減區(qū)間.
1.函數(shù)f(x)在定義域上都有f′(x)<0,則函數(shù)f(x)在定義域上單調(diào)遞減.( × )
2.函數(shù)f(x)在某區(qū)間內(nèi)單調(diào)遞增,則一定有f′(x)>0.( × )
類型一 函數(shù)圖象與導(dǎo)數(shù)圖象的應(yīng)用
例1 已知函數(shù)y=f(x)的定義域為[-1,5],部分對應(yīng)值如下表.f(x)的導(dǎo)函數(shù)y=f′(x)的圖象如圖所示.
x
-1
0
4
5
f(x)
1
2
2
1
給出下列關(guān)于函數(shù)f(x)的說法:
①函數(shù)y=f(x)是周期函數(shù);
②函數(shù)f(x)在[0,2]上是減函數(shù);
③如果當(dāng)x∈[-1,t]時,f(x)的最大值是2,那么t的最大值為4;
④當(dāng)1<a<2時,函數(shù)y=f(x)-a有4個零點.
其中正確說法的個數(shù)是( )
A.4 B.3
C.2 D.1
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 根據(jù)導(dǎo)函數(shù)的圖象確定原函數(shù)圖象
答案 D
解析 依題意得,函數(shù)f(x)不可能是周期函數(shù),因此①不正確;當(dāng)x∈(0,2)時,f′(x)<0,因此函數(shù)f(x)在[0,2]上是減函數(shù),②正確;當(dāng)x∈[-1,t]時,若f(x)的最大值是2,則結(jié)合函數(shù)f(x)的可能圖象分析可知,此時t的最大值是5,因此③不正確;注意到f(2)的值不明確,結(jié)合函數(shù)f(x)的可能圖象分析可知,將函數(shù)f(x)的圖象向下平移a(1<a<2)個單位長度后相應(yīng)曲線與x軸的交點個數(shù)不確定,因此④不正確.故選D.
反思與感悟 (1)函數(shù)的單調(diào)性與其導(dǎo)函數(shù)的正負的關(guān)系:在某個區(qū)間(a,b)內(nèi),若f′(x)>0,則y=f(x)在(a,b)上單調(diào)遞增;如果f′(x)<0,則y=f(x)在這個區(qū)間上單調(diào)遞減;若恒有f′(x)=0,則y=f(x)是常數(shù)函數(shù),不具有單調(diào)性.
(2)函數(shù)圖象變化得越快,f′(x)的絕對值越大,不是f′(x)的值越大.
跟蹤訓(xùn)練1 已知y=xf′(x)的圖象如圖所示(其中f′(x)是函數(shù)f(x)的導(dǎo)函數(shù)),則所給四個圖象中,y=f(x)的圖象大致是( )
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 根據(jù)導(dǎo)函數(shù)圖象確定原函數(shù)圖象
答案 C
解析 當(dāng)0<x<1時,xf′(x)<0,
∴f′(x)<0,故f(x)在(0,1)上為減函數(shù);
當(dāng)x>1時,xf′(x)>0,∴f′(x)>0,
故y=f(x)在(1,+∞)上為增函數(shù).
故選C.
類型二 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
例2 求下列函數(shù)的單調(diào)區(qū)間.
(1)y=x2-ln x;
(2)y=x+(b>0).
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求不含參數(shù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
解 (1)函數(shù)y=x2-ln x的定義域為(0,+∞),
又y′=.
若y′>0,即解得x>1;
若y′<0,即解得0<x<1.
故函數(shù)y=x2-ln x的單調(diào)遞增區(qū)間為(1,+∞);單調(diào)遞減區(qū)間為(0,1).
(2)函數(shù)f(x)的定義域為(-∞,0)∪(0,+∞),
f′(x)=′=1-,
令f′(x)>0,則(x+)(x-)>0,
所以x>或x<-.
所以函數(shù)的單調(diào)遞增區(qū)間為(-∞,-),(,+∞).
令f′(x)<0,則(x+)(x-)<0,
所以-<x<且x≠0.
所以函數(shù)的單調(diào)遞減區(qū)間為(-,0),(0,).
反思與感悟 求函數(shù)y=f(x)的單調(diào)區(qū)間的步驟
(1)確定函數(shù)y=f(x)的定義域.
(2)求導(dǎo)數(shù)y′=f′(x).
(3)解不等式f′(x)>0,函數(shù)在解集所表示的定義域內(nèi)為增函數(shù).
(4)解不等式f′(x)<0,函數(shù)在解集所表示的定義域內(nèi)為減函數(shù).
跟蹤訓(xùn)練2 函數(shù)f(x)=(x2+2x)ex(x∈R)的單調(diào)遞減區(qū)間為____________.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求不含參數(shù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
答案 (-2-,-2+)
解析 由f′(x)=(x2+4x+2)ex<0,
即x2+4x+2<0,
解得-2-<x<-2+.
所以f(x)=(x2+2x)ex的單調(diào)遞減區(qū)間為(-2-,-2+).
例3 討論函數(shù)f(x)=ax2+x-(a+1)ln x(a≥0)的單調(diào)性.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求含參數(shù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
解 函數(shù)f(x)的定義域為(0,+∞),
f′(x)=ax+1-=.
(1)當(dāng)a=0時,f′(x)=,
由f′(x)>0,得x>1,由f′(x)<0,得0<x<1.
∴f(x)在(0,1)內(nèi)為減函數(shù),在(1,+∞)內(nèi)為增函數(shù).
(2)當(dāng)a>0時,f′(x)=,
∵a>0,∴>0.
由f′(x)>0,得x>1,由f′(x)<0,得0<x<1.
∴f(x)在(0,1)內(nèi)為減函數(shù),在(1,+∞)內(nèi)為增函數(shù).
綜上所述,當(dāng)a≥0時,f(x)在(0,1)內(nèi)為減函數(shù),在(1,+∞)內(nèi)為增函數(shù).
反思與感悟 (1)討論參數(shù)要全面,做到不重不漏.
(2)解不等式時若涉及分式不等式要注意結(jié)合定義域化簡,也可轉(zhuǎn)化為二次不等式求解.
跟蹤訓(xùn)練3 設(shè)函數(shù)f(x)=ex-ax-2,求f(x)的單調(diào)區(qū)間.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求含參數(shù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
解 f(x)的定義域為(-∞,+∞),f′(x)=ex-a.
若a≤0,則f′(x)>0,
所以f(x)在(-∞,+∞)上單調(diào)遞增.
若a>0,則當(dāng)x∈(-∞,ln a)時,f′(x)<0;
當(dāng)x∈(ln a,+∞)時,f′(x)>0.
所以f(x)在(-∞,ln a)上單調(diào)遞減,在(ln a,+∞)上單調(diào)遞增.
綜上所述,當(dāng)a≤0時,函數(shù)f(x)在(-∞,+∞)上單調(diào)遞增;
當(dāng)a>0時,f(x)在(-∞,ln a)上單調(diào)遞減,在(ln a,+∞)上單調(diào)遞增.
1.函數(shù)f(x)=x+ln x( )
A.在(0,6)上是增函數(shù)
B.在(0,6)上是減函數(shù)
C.在上是減函數(shù),在上是增函數(shù)
D.在上是增函數(shù),在上是減函數(shù)
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 利用導(dǎo)數(shù)值的正負號判定函數(shù)的單調(diào)性
答案 A
2.若函數(shù)f(x)的圖象如圖所示,則導(dǎo)函數(shù)f′(x)的圖象可能為( )
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 根據(jù)原函數(shù)圖象確定導(dǎo)函數(shù)圖象
答案 C
解析 由f(x)的圖象可知,函數(shù)f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間為(1,4),單調(diào)遞減區(qū)間為(-∞,1)和(4,+∞),因此,當(dāng)x∈(1,4)時,f′(x)>0,當(dāng)x∈(-∞,1)或x∈(4,+∞)時,f′(x)<0,結(jié)合選項知選C.
3.函數(shù)f(x)=3+x·ln x的單調(diào)遞增區(qū)間是( )
A. B.(e,+∞)
C. D.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求不含參數(shù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
答案 C
解析 f′(x)=ln x+1,令f′(x)>0,
即ln x+1>0,得x>.
故函數(shù)f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間為.
4.若函數(shù)f(x)=x3+bx2+cx+d的單調(diào)遞減區(qū)間為[-1,2],則b=________,c=________.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 已知單調(diào)區(qū)間求參數(shù)值
答案 - -6
解析 f′(x)=3x2+2bx+c,
由題意知,f′(x)=0即3x2+2bx+c=0的兩根為-1和2.
由得
5.試求函數(shù)f(x)=kx-ln x的單調(diào)區(qū)間.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求含參數(shù)函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
解 函數(shù)f(x)=kx-ln x的定義域為(0,+∞),
f′(x)=k-=.
當(dāng)k≤0時,kx-1<0,∴f′(x)<0,
則f(x)在(0,+∞)上單調(diào)遞減.
當(dāng)k>0時,由f′(x)<0,即<0,
解得0<x<;
由f′(x)>0,即>0,解得x>.
∴當(dāng)k>0時,f(x)的單調(diào)遞減區(qū)間為,
單調(diào)遞增區(qū)間為.
綜上所述,當(dāng)k≤0時,f(x)的單調(diào)遞減區(qū)間為(0,+∞);
當(dāng)k>0時,f(x)的單調(diào)遞減區(qū)間為,單調(diào)遞增區(qū)間為.
1.導(dǎo)數(shù)的符號反映了函數(shù)在某個區(qū)間上的單調(diào)性,導(dǎo)數(shù)絕對值的大小反映了函數(shù)在某個區(qū)間或某點附近變化的快慢程度.
2.利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)f(x)的單調(diào)區(qū)間的一般步驟:
(1)確定函數(shù)f(x)的定義域;
(2)求導(dǎo)數(shù)f′(x);
(3)在函數(shù)f(x)的定義域內(nèi)解不等式f′(x)>0和f′(x)<0;
(4)根據(jù)(3)的結(jié)果確定函數(shù)f(x)的單調(diào)區(qū)間.
一、選擇題
1.如圖是函數(shù)y=f(x)的導(dǎo)函數(shù)f′(x)的圖象,則下列判斷正確的是( )
A.在區(qū)間(-2,1)上,f(x)是增函數(shù)
B.在(1,3)上,f(x)是減函數(shù)
C.在(4,5)上,f(x)是增函數(shù)
D.在(-3,-2)上,f(x)是增函數(shù)
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 利用導(dǎo)數(shù)值的正負號判定函數(shù)的單調(diào)性
答案 C
解析 由圖知當(dāng)x∈(4,5)時,f′(x)>0,所以在(4,5)上,f(x)是增函數(shù).
2.函數(shù)y=f(x)的圖象如圖所示,則導(dǎo)函數(shù)y=f′(x)的圖象可能是( )
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 根據(jù)原函數(shù)圖象確定導(dǎo)函數(shù)圖象
答案 D
解析 ∵函數(shù)f(x)在(0,+∞),(-∞,0)上都是減函數(shù),∴當(dāng)x>0時,f′(x)<0,當(dāng)x<0時,f′(x)<0,故選D.
3.已知函數(shù)f(x)的導(dǎo)函數(shù)f′(x)的圖象如圖所示,則函數(shù)f(x)的圖象只可能是所給選項中的( )
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 根據(jù)導(dǎo)函數(shù)的圖象確定原函數(shù)的圖象
答案 C
解析 ∵導(dǎo)數(shù)的正負確定了函數(shù)的單調(diào)性,
∴從函數(shù)f′(x)的圖象可知,令f′(x)=0,
得x=0或x=a(a>0),
∴函數(shù)在(-∞,0)上單調(diào)遞減,在(0,a)上單調(diào)遞增,在(a,+∞)上單調(diào)遞減,故選C.
4.函數(shù)f(x)=xe-x的一個單調(diào)遞增區(qū)間是( )
A.[-1,0] B.[2,8]
C.[1,2] D.[0,2]
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求不含參數(shù)的函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
答案 A
解析 因為f′(x)==(1-x)·e-x>0,
又因為e-x>0,所以x<1.
5.下列函數(shù)中,在(0,+∞)內(nèi)為增函數(shù)的是( )
A.y=sin x B.y=xex
C.y=x3-x D.y=ln x-x
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 利用導(dǎo)數(shù)值的正負號判定函數(shù)的單調(diào)性
答案 B
解析 B項中,y=xex,y′=ex+xex=ex(1+x),
當(dāng)x∈(0,+∞)時,y′>0,
∴y=xex在(0,+∞)內(nèi)為增函數(shù).
6.函數(shù)f(x)的導(dǎo)函數(shù)f′(x)的圖象如圖所示,若△ABC為銳角三角形,則下列不等式一定成立的是( )
A.f(cos A)<f(cos B)
B.f(sin A)<f(cos B)
C.f(sin A)>f(sin B)
D.f(sin A)>f(cos B)
考點 利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的單調(diào)性
題點 比較函數(shù)值的大小
答案 D
解析 根據(jù)圖象知,當(dāng)0<x<1時,f′(x)>0,
∴f(x)在區(qū)間(0,1)上是增函數(shù).
∵△ABC為銳角三角形,∴A,B都是銳角且A+B>,
則0<-B<A<,
則sin<sin A,
∴0<cos B<sin A<1,∴f(sin A)>f(cos B).
7.定義在R上的函數(shù)f(x),若(x-1)·f′(x)<0,則下列各項正確的是( )
A.f(0)+f(2)>2f(1)
B.f(0)+f(2)=2f(1)
C.f(0)+f(2)<2f(1)
D.f(0)+f(2)與2f(1)大小不定
考點 利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的單調(diào)性
題點 比較函數(shù)值的大小
答案 C
解析 ∵(x-1)f′(x)<0,
∴當(dāng)x>1時,f′(x)<0,x<1時,f′(x)>0,
則f(x)在(1,+∞)上單調(diào)遞減,在(-∞,1)上單調(diào)遞增,
∴f(0)<f(1),f(2)<f(1),
則f(0)+f(2)<2f(1).
二、填空題
8.若函數(shù)f(x)的導(dǎo)函數(shù)為f′(x)=x2-4x+3,則函數(shù)f(x+1)的單調(diào)遞減區(qū)間是________.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求不含參數(shù)的函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
答案 (0,2)
解析 由f′(x)=x2-4x+3,
f′(x+1)=(x+1)2-4(x+1)+3=x2-2x,
令f′(x+1)<0,解得0<x<2,
所以f(x+1)的單調(diào)遞減區(qū)間是(0,2).
9.在R上可導(dǎo)的函數(shù)f(x)的圖象如圖所示,則關(guān)于x的不等式xf′(x)<0的解集為________.
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 利用單調(diào)性確定導(dǎo)數(shù)值的正負號
答案 (-∞,-1)∪(0,1)
解析 由xf′(x)<0可得,
或
由題圖可知當(dāng)-1<x<1時,f′(x)<0,
當(dāng)x<-1或x>1時,f′(x)>0,
則或
解得0<x<1或x<-1,
∴xf′(x)<0的解集為(0,1)∪(-∞,-1).
10.已知函數(shù)f(x)=kex-1-x+x2(k為常數(shù)),曲線y=f(x)在點(0,f(0))處的切線與x軸平行,則f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間為____________.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求含參數(shù)的函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
答案 (0,+∞)
解析 f′(x)=kex-1-1+x,
∵曲線y=f(x)在點(0,f(0))處的切線與x軸平行,
∴f′(0)=k·e-1-1=0,解得k=e,
故f′(x)=ex+x-1.
令f′(x)>0,解得x>0,
故f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間為(0,+∞).
11.已知函數(shù)f(x)=2x3+ax2+1(a為常數(shù))在區(qū)間(-∞,0),(2,+∞)上單調(diào)遞增,且在區(qū)間(0,2)上單調(diào)遞減,則a的值為________.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 已知單調(diào)區(qū)間求參數(shù)值
答案?。?
解析 由題意得f′(x)=6x2+2ax=0的兩根為0和2,可得a=-6.
12.定義在R上的函數(shù)f(x)滿足f(1)=1,f′(x)<2,則滿足f(x)>2x-1的x的取值范圍是________.
考點 利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的單調(diào)性
題點 構(gòu)造法的應(yīng)用
答案 (-∞,1)
解析 令g(x)=f(x)-2x+1,
則g′(x)=f′(x)-2<0,
又g(1)=f(1)-2×1+1=0,
當(dāng)g(x)>g(1)=0時,x<1,∴f(x)-2x+1>0,
即f(x)>2x-1的解集為(-∞,1).
三、解答題
13.已知函數(shù)f(x)=x3+bx2+cx+d的圖象經(jīng)過點P(0,2),且在點M(-1,f(-1))處的切線方程為6x-y+7=0.
(1)求函數(shù)y=f(x)的解析式;
(2)求函數(shù)y=f(x)的單調(diào)區(qū)間.
考點 利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求不含參數(shù)的函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
解 (1)由y=f(x)的圖象經(jīng)過點P(0,2),知d=2,
∴f(x)=x3+bx2+cx+2,f′(x)=3x2+2bx+c.
由在點M(-1,f(-1))處的切線方程為6x-y+7=0,
知-6-f(-1)+7=0,即f(-1)=1.
又f′(-1)=6,∴即
解得b=c=-3,
故所求函數(shù)解析式是f(x)=x3-3x2-3x+2.
(2)f′(x)=3x2-6x-3.
令f′(x)>0,得x<1-或x>1+;
令f′(x)<0,得1-<x<1+.
故f(x)=x3-3x2-3x+2的單調(diào)遞增區(qū)間為(-∞,1-),(1+,+∞),單調(diào)遞減區(qū)間為(1-,1+).
四、探究與拓展
14.已知函數(shù)f(x)=x2+2cos x,若f′(x)是f(x)的導(dǎo)函數(shù),則函數(shù)f′(x)的大致圖象是( )
考點 函數(shù)的單調(diào)性與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系
題點 根據(jù)導(dǎo)數(shù)確定函數(shù)的圖象
答案 A
解析 設(shè)g(x)=f′(x)=2x-2sin x,
則g′(x)=2-2cos x≥0,
所以函數(shù)g(x)=f′(x)在R上單調(diào)遞增,故選A.
15.已知函數(shù)f(x)=x-+a(2-ln x),a>0,試討論f(x)的單調(diào)性.
考點 利用導(dǎo)函數(shù)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
題點 利用導(dǎo)數(shù)求含參數(shù)的函數(shù)的單調(diào)區(qū)間
解 f(x)的定義域為(0,+∞),
f′(x)=1+-=.
令g(x)=x2-ax+2,其判別式Δ=a2-8.
(1)當(dāng)Δ<0,即0<a<2時,對一切x>0,都有f′(x)>0,此時f(x)是(0,+∞)上的單調(diào)遞增函數(shù);
(2)當(dāng)Δ=0,即a=2時,當(dāng)且僅當(dāng)x=時,有f′(x)=0,對定義域內(nèi)其余的x都有f′(x)>0,此時f(x)也是(0,+∞)上的單調(diào)遞增函數(shù);
(3)當(dāng)Δ>0,即a>2時,方程g(x)=0有兩個不同的實根:x1=,x2=,0<x1<x2.
當(dāng)x變化時,f′(x),f(x)的變化情況如下表:
x
(0,x1)
x1
(x1,x2)
x2
(x2,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
↗
↘
↗
即f(x)在和上單調(diào)遞增;在上單調(diào)遞減.
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