2019年高中數(shù)學(xué) 第4章 導(dǎo)數(shù)及其應(yīng)用 4.3 導(dǎo)數(shù)在研究函數(shù)中的應(yīng)用 4.3.2 函數(shù)的極大值和極小值講義(含解析)湘教版選修2-2.doc
4.3.2 函數(shù)的極大值和極小值
[讀教材填要點(diǎn)]
1.極值與極值點(diǎn)
(1)極大值點(diǎn)與極大值:
設(shè)函數(shù)y=f(x)在區(qū)間(a,b)內(nèi)有定義,x0是(a,b)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn),若點(diǎn)x0附近的函數(shù)值都小于f(x0)(即f(x)<f(x0),x∈(a,b)),就說(shuō)f(x0)是函數(shù)y=f(x)的一個(gè)極大值,x0稱為f(x)的一個(gè)極大值點(diǎn).
(2)極小值點(diǎn)與極小值:
設(shè)函數(shù)y=f(x)在區(qū)間(a,b)內(nèi)有定義,x0是(a,b)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn),若點(diǎn)x0附近的函數(shù)值都大于f(x0)(即f(x)>f(x0),x∈(a,b)),就說(shuō)f(x0)是函數(shù)y=f(x)的一個(gè)極小值,x0稱為f(x)的一個(gè)極小值點(diǎn).
極大值和極小值統(tǒng)稱極值,極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)統(tǒng)稱為極值點(diǎn).
2.極大值與極小值的判斷
(1)如果f(x)在(a,x0]上遞增,在[x0,b)上遞減,則f(x)在x=x0處取到極大值;
(2)如果f(x)在(a,x0]上遞減,在[x0,b)上遞增,則f(x)在x=x0處取到極小值.
3.極值的求法
(1)求導(dǎo)數(shù)f′(x);
(2)求f(x)的駐點(diǎn),即求f′(x)=0的根;
(3)檢查f′(x)在駐點(diǎn)左右的符號(hào),得到極大值或極小值.
[小問(wèn)題大思維]
1.導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)都是極值點(diǎn)嗎?
提示:不一定.y=f(x)在x=x0及附近有定義,且f′(x0)=0,y=f(x)是否在x=x0處取得極值,還要看f′(x)在x0兩側(cè)的符號(hào)是否異號(hào).例如f(x)=x3,由f′(x)=3x2知f′(0)=0,但x=0不是f(x)=x3的極值點(diǎn).
2.函數(shù)f(x)的定義域?yàn)殚_(kāi)區(qū)間(a,b),導(dǎo)函數(shù)f′(x)在(a,b)內(nèi)的圖象如圖所示,則函數(shù)f(x)在開(kāi)區(qū)間(a,b)內(nèi)有幾個(gè)極小值點(diǎn)?
提示:由圖可知,在區(qū)間(a,x1),(x2,0),(0,x3)內(nèi)f′(x)>0;在區(qū)間(x1,x2),(x3,b)內(nèi)f′(x)<0.即f(x)在(a,x1)內(nèi)單調(diào)遞增,在(x1,x2)內(nèi)單調(diào)遞減,在(x2,x3)內(nèi)單調(diào)遞增,在(x3,b)內(nèi)單調(diào)遞減.
所以函數(shù)f(x)在開(kāi)區(qū)間(a,b)內(nèi)只有一個(gè)極小值點(diǎn),極小值點(diǎn)為x=x2.
3.函數(shù)y=f(x)在給定區(qū)間上一定有極值點(diǎn)嗎?極大值是否一定比極小值大?
提示:(1)在一個(gè)給定的區(qū)間上,函數(shù)可能有若干個(gè)極值點(diǎn),也可能不存在極值點(diǎn);函數(shù)可以只有極大值,沒(méi)有極小值,或者只有極小值沒(méi)有極大值,也可能即有極大值,又有極小值.
(2)極大值不一定比極小值大,極小值也不一定比極大值?。?
求函數(shù)的極值
求下列函數(shù)的極值:
(1)f(x)=x4-2x2;(2)f(x)=x2e-x.
[自主解答] (1)函數(shù)f(x)的定義域?yàn)镽.
f′(x)=4x3-4x=4x(x+1)(x-1).
令f′(x)=0,得x=0或x=-1或x=1.
列表:
x
(-∞,-1)
-1
(-1,0)
0
(0,1)
1
(1,+∞)
f′(x)
-
0
+
0
-
0
+
f(x)
極小值
極大值
極小值
從表中可以看出:
當(dāng)x=0時(shí),函數(shù)有極大值,且f(0)=0;
當(dāng)x=-1或x=1時(shí),函數(shù)有極小值,
且f(-1)=f(1)=-1.
(2)函數(shù)的定義域?yàn)镽.
f′(x)=′=
=2xe-x-x2e-x=x(2-x)e-x=-e-xx(x-2).
令f′(x)=0,得x=0或x=2.
列表:
x
(-∞,0)
0
(0,2)
2
(2,+∞)
f′(x)
-
0
+
0
-
f(x)
極小值
極大值
由上表可以看出:當(dāng)x=0時(shí),函數(shù)有極小值,且f(0)=0;
當(dāng)x=2時(shí),函數(shù)有極大值,且f(2)=.
求可導(dǎo)函數(shù)f(x)極值的步驟
(1)求函數(shù)的導(dǎo)數(shù)f′(x);
(2)令f′(x)=0,求出全部的根x0;
(3)列表,方程的根x0將整個(gè)定義域分成若干個(gè)區(qū)間,把x,f′(x),f(x)在每個(gè)區(qū)間內(nèi)的變化情況列在這個(gè)表格內(nèi);
(4)判斷得結(jié)論,若導(dǎo)數(shù)在x0附近左正右負(fù),則在x0處取得極大值;若左負(fù)右正,則取得極小值.
要注意函數(shù)的定義域.
1.求函數(shù)f(x)=-2的極值.
解:函數(shù)f(x)的定義域?yàn)镽.
f′(x)==-.
令f′(x)=0,得x=-1或x=1.
當(dāng)x變化時(shí),f′(x),f(x)的變化情況如下表:
x
(-∞,-1)
-1
(-1,1)
1
(1,+∞)
f′(x)
-
0
+
0
-
f(x)
-3
-1
所以當(dāng)x=-1時(shí),函數(shù)有極小值,且f(x)極小值=-3;
當(dāng)x=1時(shí),函數(shù)有極大值,且f(x)極大值=-1.
極值的逆運(yùn)用
已知f(x)=x3+3ax2+bx+a2在x=-1時(shí)有極值0.求a,b的值.
[自主解答] ∵f(x)在x=-1時(shí)有極值0且
f′(x)=3x2+6ax+b.
∴即
解得或
當(dāng)a=1,b=3時(shí),f′(x)=3x2+6x+3=3(x+1)2≥0,
所以f(x)在R上為增函數(shù),無(wú)極值,故舍去.
當(dāng)a=2,b=9時(shí),
f′(x)=3x2+12x+9=3(x+1)(x+3).
當(dāng)x∈(-∞,-3)時(shí),f(x)為增函數(shù);
當(dāng)x∈(-3,-1)時(shí),f(x)為減函數(shù);
當(dāng)x∈(-1,+∞)時(shí),f(x)為增函數(shù).
所以f(x)在x=-1時(shí)取得極小值,因此a=2,b=9.
若將“在x=-1時(shí)有極值0”改為“在x=-1和x=3處有極值”,如何求解?
解:f′(x)=3x2+6ax+b,
∵-1,3是f(x)的極值點(diǎn),
∴-1,3是f′(x)=0的兩個(gè)根.
即-1,3是3x2+6ax+b=0的兩根.
由根與系數(shù)的關(guān)系知
解得a=-1,b=-9.
解決此類問(wèn)題通常是利用函數(shù)的導(dǎo)數(shù)在極值點(diǎn)處的取值等于零來(lái)建立關(guān)于參數(shù)的方程,從而求出參數(shù)的值.需注意的是,可導(dǎo)函數(shù)在某點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)值等于零只是函數(shù)在該點(diǎn)處取得極值的必要條件,所以必須對(duì)求出的參數(shù)值進(jìn)行檢驗(yàn),看是否符合函數(shù)取得極值的條件.
2.已知f(x)=ax3+bx2+cx(a≠0)在x=1時(shí)取得極值,且f(1)=-1.
(1)求常數(shù)a,b,c的值;
(2)判斷x=1是函數(shù)的極小值還是極大值,并說(shuō)明理由.
解:(1)f′(x)=3ax2+2bx+c,
由f′(-1)=f′(1)=0,得3a+2b+c=0,3a-2b+c=0.
又f(1)=-1,∴a+b+c=-1.
∴a=,b=0,c=-.
(2)由(1)可得f(x)=x3-x,
∴f′(x)=x2-=(x-1)(x+1).
當(dāng)x<-1或x>1時(shí),f′(x)>0;
當(dāng)-1<x<1時(shí),f′(x)<0,
∴函數(shù)f(x)在(-∞,-1)和(1,+∞)上是增函數(shù),
在(-1,1)上為減函數(shù).
∴當(dāng)x=-1時(shí),
函數(shù)取得極大值f(-1)=1;
當(dāng)x=1時(shí),函數(shù)取得極小值f(1)=-1.
含參數(shù)的函數(shù)的極值問(wèn)題
設(shè)a為實(shí)數(shù),函數(shù)f(x)=x3-x2-x+a.
(1)求f(x)的極值;
(2)當(dāng)a在什么范圍內(nèi)取值時(shí),曲線y=f(x)與x軸僅有一個(gè)交點(diǎn).
[自主解答] (1)f′(x)=3x2-2x-1=(x-1)(3x+1).
令f′(x)=0,則x=-或x=1.
當(dāng)x變化時(shí),f′(x),f(x)變化情況如下表:
x
-
1
(1,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
極大值
極小值
所以f(x)的極大值是f=+a,極小值是f(1)=a-1.
(2)函數(shù)f(x)=x3-x2-x+a
=(x-1)2(x+1)+a-1.
由此可知x取足夠大的正數(shù)時(shí)有f(x)>0,x取足夠小的負(fù)數(shù)時(shí)有f(x)<0,
所以曲線y=f(x)與x軸至少有一個(gè)交點(diǎn).
結(jié)合f(x)的單調(diào)性可知,
當(dāng)f(x)的極大值+a<0,
即a∈時(shí)它的極小值也小于0,
因此曲線y=f(x)與x軸僅有一個(gè)交點(diǎn),它在(1,+∞)上;
當(dāng)f(x)的極小值a-1>0,即a∈(1,+∞)時(shí)它的極大值也大于0,
因此曲線y=f(x)與x軸僅有一個(gè)交點(diǎn),它在上.
所以當(dāng)a∈∪(1,+∞)時(shí),
曲線y=f(x)與x軸僅有一個(gè)交點(diǎn).
在本例(2)中,若將“曲線y=f(x)與x軸僅有一個(gè)交點(diǎn)”改為“曲線y=f(x)與x軸有三個(gè)交點(diǎn)”呢?
解:由于曲線y=f(x)與x軸有三個(gè)交點(diǎn),
∴f(x)極大值>0且f(x)極小值<0.
即解得-<a<1.
即a的取值范圍為.
利用導(dǎo)數(shù)求極值,要先討論函數(shù)的單調(diào)性,涉及參數(shù)時(shí),必須對(duì)參數(shù)的取值情況進(jìn)行討論,在存在極值的情況下,求出極值.
3.已知函數(shù)f(x)=x3-3ax+b(a≠0),求函數(shù)f(x)的單調(diào)區(qū)間與極值點(diǎn).
解:f′(x)=3(x2-a)(a≠0),
當(dāng)a<0時(shí),f′(x)>0恒成立,
即函數(shù)在(-∞,+∞)上單調(diào)遞增,
此時(shí)函數(shù)沒(méi)有極值點(diǎn).
當(dāng)a>0時(shí),令f′(x)=0,得x1=,x2=-,
當(dāng)x變化時(shí),f′(x)與f(x)的變化如下表:
x
(-∞,-)
-
(-,)
(,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
極大值
極小值
因此,函數(shù)f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間為(-∞,-)和(,+∞),單調(diào)遞減區(qū)間為(-,),
此時(shí)x=-是f(x)的極大值點(diǎn),x=是f(x)的極小值點(diǎn).
a為何值時(shí),方程x3-3x2-a=0恰有一個(gè)實(shí)根、兩個(gè)不等實(shí)根、三個(gè)不等實(shí)根,有沒(méi)有可能無(wú)實(shí)根?
[巧思] 方程x3-3x2-a=0根的個(gè)數(shù),即為直線y=a和函數(shù)f(x)=x3-3x2圖象交點(diǎn)的個(gè)數(shù),因此可借助函數(shù)的單調(diào)性和極值畫(huà)出函數(shù)f(x)=x3-3x2的圖象,然后借助圖象判斷根的個(gè)數(shù).
[妙解] 令f(x)=x3-3x2,則f(x)的定義域?yàn)镽,
由f′(x)=3x2-6x=0,得x=0或x=2.
所以當(dāng)x<0或x>2時(shí),f′(x)>0;
當(dāng)0<x<2時(shí),f′(x)<0.
函數(shù)f(x)在x=0處有極大值0,在x=2處有極小值-4,
如圖所示,故當(dāng)a>0或a<-4時(shí),原方程有一個(gè)根;
當(dāng)a=0或a=-4時(shí),原方程有兩個(gè)不等實(shí)根;
當(dāng)-4<a<0時(shí),原方程有三個(gè)不等實(shí)根;
由圖象可知,原方程不可能無(wú)實(shí)根.
1.若函數(shù)f(x)=x3+ax2+3x-9在x=-3時(shí)取得極值,則a等于( )
A.2 B.3
C.4 D.5
解析:f′(x)=3x2+2ax+3,由題意知f′(-3)=0,
即3(-3)2+2(-3)a+3=0,解得a=5.
答案:D
2.設(shè)函數(shù)f(x)在R上可導(dǎo),其導(dǎo)函數(shù)為f′(x),且函數(shù)y= (1-x)f′(x)的圖象如圖所示,則下列結(jié)論中一定成立的是( )
A.函數(shù)f(x)有極大值f(2)和極小值f(1)
B.函數(shù)f(x)有極大值f(-2)和極小值f(1)
C.函數(shù)f(x)有極大值f(2)和極小值f(-2)
D.函數(shù)f(x)有極大值f(-2)和極小值f(2)
解析:由題圖可知,當(dāng)x<-2時(shí),f′(x)>0;當(dāng)-2<x<1時(shí),f′(x)<0;當(dāng)1<x<2時(shí),f′(x)<0;當(dāng)x>2時(shí),f′(x)>0.由此可以得到函數(shù)f(x)在x=-2處取得極大值,在x=2處取得極小值.
答案:D
3.若a>0,b>0,且函數(shù)?(x)=4x3-ax2-2bx+2在x=1處有極值,則ab的最大值等于( )
A.2 B.3
C.6 D.9
解析:函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為?′(x)=12x2-2ax-2b,由函數(shù)?(x)在x=1處有極值,
可知函數(shù)?(x)在x=1處的導(dǎo)數(shù)值為零,
即12-2a-2b=0,所以a+b=6.
由題意知a,b都是正實(shí)數(shù),所以ab≤2=2=9,
當(dāng)且僅當(dāng)a=b=3時(shí)取到等號(hào).
答案:D
4.若函數(shù)f(x)=-x3+6x2+m的極大值為13,則實(shí)數(shù)m等于______.
解析:f′(x)=-3x2+12x=-3x(x-4).由f′(x)=0,得x=0或x=4.
當(dāng)x∈(-∞,0)∪(4,+∞)時(shí),f′(x)<0;x∈(0,4)時(shí),f′(x)>0,
∴x=4時(shí)f(x)取到極大值.故-64+96+m=13,解得m=-19.
答案:-19
5.若函數(shù)f(x)=x3+x2-ax-4在區(qū)間(-1,1)上恰有一個(gè)極值點(diǎn),則實(shí)數(shù)a的取值范圍為_(kāi)_________.
解析:由題意,f′(x)=3x2+2x-a,
則f′(-1)f′(1)<0,即(1-a)(5-a)<0,解得1<a<5,
另外,當(dāng)a=1時(shí),函數(shù)f(x)=x3+x2-x-4在區(qū)間(-1,1)上恰有一個(gè)極值點(diǎn),
當(dāng)a=5時(shí),函數(shù)f(x)=x3+x2-5x-4在區(qū)間(-1,1)沒(méi)有極值點(diǎn).
故實(shí)數(shù)a的范圍為[1,5).
答案:[1,5)
6.已知函數(shù)f(x)=ex(ax+b)-x2-4x,曲線y=f(x)在點(diǎn)(0,f(0))處的切線方程為y= 4x+4.
(1)求a,b的值;
(2)討論f(x)的單調(diào)性,并求f(x)的極大值.
解:(1)f′(x)=ex(ax+a+b)-2x-4.
由已知得f(0)=4,f′(0)=4,故b=4,a+b=8.
從而a=4,b=4.
(2)由(1)知,f(x)=4ex(x+1)-x2-4x,
f′(x)=4ex(x+2)-2x-4=4(x+2).
令f′(x)=0,得x=-ln 2或x=-2.
從而當(dāng)x∈(-∞,-2)∪(-ln 2,+∞)時(shí),f′(x)>0;當(dāng)x∈(-2,-ln 2)時(shí),f′(x)<0.
故f(x)在(-∞,-2),(-ln 2,+∞)上單調(diào)遞增,在(-2,-ln 2)上單調(diào)遞減.
當(dāng)x=-2時(shí),函數(shù)f(x)取得極大值,
極大值為f(-2)=4(1-e-2).
一、選擇題
1.當(dāng)函數(shù)y=x2x取極小值時(shí),x=( )
A. B.-
C.-ln 2 D.ln 2
解析:令y′=2x+x2xln 2=0,∴x=-.
答案:B
2.已知函數(shù)y=f(x),其導(dǎo)函數(shù)y=f′(x)的圖象如圖所示,則y=f(x)( )
A.在(-∞,0)上為減函數(shù) B.在x=0處取極小值
C.在(4,+∞)上為減函數(shù) D.在x=2處取極大值
解析:由導(dǎo)函數(shù)的圖象可知:x∈(-∞,0)∪(2,4)時(shí),f′(x)>0,即x∈(0,2)∪(4,+∞)時(shí),f′(x)<0,因此f(x)在(-∞,0),(2,4)上為增函數(shù),在(0,2),(4,+∞)上為減函數(shù),所以x=0取得極大值,x=2取得極小值,x=4取得極大值,因此選C.
答案:C
3.已知函數(shù)f(x)=x3+ax2+bx-a2-7a在x=1處取得極大值10,則的值為( )
A.- B.-2
C.-2或- D.2或-
解析:由題意知,f′(x)=3x2+2ax+b,f′(1)=0,f(1)=10,
即解得或
經(jīng)檢驗(yàn)滿足題意,故=-.
答案:A
4.設(shè)函數(shù)f(x)=exsin x,x∈[0,π],則( )
A.x=為f(x)的極小值點(diǎn)
B.x=為f(x)的極大值點(diǎn)
C.x=為f(x)的極小值點(diǎn)
D.x=為f(x)的極大值點(diǎn)
解析:∵f(x)=exsin x,
∴f′(x)=ex(sin x+cos x)
=exsin,
由f′(x)≤0,得sin≤0,
∴2kπ+π≤x+≤2kπ+2π(k∈Z),
即2kπ+≤x≤2kπ+(k∈Z),∵x∈[0,π],
∴f(x)在上單調(diào)遞增,f(x)在上單調(diào)遞減,
∴x=為f(x)的極大值點(diǎn).
答案:D
二、填空題
5.已知函數(shù)y=f(x)=x3+3ax2+3bx+c在x=2處有極值,其圖象在x=1處的切線平行于直線6x+2y+5=0,則f(x)的極大值與極小值之差為_(kāi)_______.
解析:∵f′(x)=3x2+6ax+3b,
∴?
∴f′(x)=3x2-6x,令3x2-6x=0,得x=0或x=2,
∴f(x)極大值-f(x)極小值=f(0)-f(2)=4.
答案:4
6.設(shè)a∈R,若函數(shù)y=ex+ax,x∈R有大于零的極值點(diǎn),則a的取值范圍為_(kāi)_______.
解析:y′=ex+a,由y′=0,得x=ln(-a),
由題意知ln(-a)>0,∴a<-1.
答案:(-∞,-1)
7.函數(shù)f(x)=ax2+bx在x=處有極值,則b的值為_(kāi)_______.
解析:f′(x)=2ax+b,∵函數(shù)f(x)在x=處有極值,
∴f′=2a+b=0,即b=-2.
答案:-2
8.若函數(shù)f(x)=x3-6bx+3b在(0,1)內(nèi)有極小值,則實(shí)數(shù)b的取值范圍是________.
解析:f′(x)=3x2-6b,若f(x)在(0,1)內(nèi)有極小值,
只需f′(0)f′(1)<0,
即-6b(3-6b)<0,解得0<b<.
答案:
三、解答題
9.設(shè)函數(shù)f(x)=x2ex-1+ax3+bx2,已知x=-2和x=1為f(x)的極值點(diǎn).
(1)求a和b的值;
(2)討論f(x)的單調(diào)性.
解:(1)f′(x)=ex-1(2x+x2)+3ax2+2bx
=xex-1(x+2)+x(3ax+2b),
因?yàn)閤=-2和x=1是f(x)的極值點(diǎn),
所以f′(-2)=f′(1)=0,
即解方程組得
(2)因?yàn)閍=-,b=-1,
所以f′(x)=x(x+2)(ex-1-1).
令f′(x)=0,解得x1=-2,x2=0,x3=1.
因?yàn)楫?dāng)x∈(-∞,-2)∪(0,1)時(shí),f′(x)<0;
當(dāng)x∈(-2,0)∪(1,+∞)時(shí),f′(x)>0,
所以f(x)在(-2,0),(1,+∞)上單調(diào)遞增;在(-∞,-2),(0,1)上單調(diào)遞減.
10.設(shè)函數(shù)f(x)=x3+bx2+cx+d(a>0),且方程f′(x)-9x=0的兩個(gè)根分別為1,4.
(1)當(dāng)a=3且曲線y=f(x)過(guò)原點(diǎn)時(shí),求f(x)的解析式;
(2)若f(x)在(-∞,+∞)內(nèi)無(wú)極值點(diǎn),求a的取值范圍.
解:由f(x)=x3+bx2+cx+d,
得f′(x)=ax2+2bx+c.
因?yàn)閒′(x)-9x=ax2+2bx+c-9x=0的兩個(gè)根分別為1,4,
所以(*)
(1)當(dāng)a=3時(shí),由(*)式得
解得b=-3,c=12.
又因?yàn)榍€y=f(x)過(guò)原點(diǎn),所以d=0,
故f(x)=x3-3x2+12x.
(2)由于a>0,所以“f(x)=x3+bx2+cx+d在(-∞,+∞)內(nèi)無(wú)極值點(diǎn)
”等價(jià)于“f′(x)=ax2+2bx+c≥0在(-∞,+∞)內(nèi)恒成立”.
由(*)式得2b=9-5a,c=4a.
又Δ=(2b)2-4ac=9(a-1)(a-9).
解得a∈[1,9].
即a的取值范圍是[1,9].