高中数学考点11导数的应用
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1、高中数学考点11 导数的应用1了解函数单调性和导数的关系,能用导数求函数的单调区间.2理解函数极值的概念及函数在某点取到极值的条件,会用导数求函数的极大(小)值,会求闭区间上函数的最大(小)值.一、导数与函数的单调性一般地,在某个区间(a,b)内:(1)如果,函数f (x)在这个区间内单调递增;(2)如果,函数f (x)在这个区间内单调递减;(3)如果,函数f (x)在这个区间内是常数函数注意:(1)利用导数研究函数的单调性,要在函数的定义域内讨论导数的符号;(2)在某个区间内,()是函数f (x)在此区间内单调递增(减)的充分条件,而不是必要条件.例如,函数在定义域上是增函数,但.(3)函数
2、f (x)在(a,b)内单调递增(减)的充要条件是()在(a,b)内恒成立,且在(a,b)的任意子区间内都不恒等于0.这就是说,在区间内的个别点处有,不影响函数f (x)在区间内的单调性.二、利用导数研究函数的极值和最值1函数的极值一般地,对于函数y=f (x),(1)若在点x=a处有f (a)=0,且在点x=a附近的左侧,右侧,则称x=a为f (x)的极小值点,叫做函数f (x)的极小值.(2)若在点x=b处有=0,且在点x=b附近的左侧,右侧,则称x=b为f (x)的极大值点,叫做函数f (x)的极大值(3)极小值点与极大值点通称极值点,极小值与极大值通称极值.2函数的最值函数的最值,即函
3、数图象上最高点的纵坐标是最大值,图象上最低点的纵坐标是最小值,对于最值,我们有如下结论:一般地,如果在区间上函数的图象是一条连续不断的曲线,那么它必有最大值与最小值.设函数在上连续,在内可导,求在上的最大值与最小值的步骤为:(1)求在内的极值;(2)将函数的各极值与端点处的函数值,比较,其中最大的一个是最大值,最小的一个是最小值.3函数的最值与极值的关系(1)极值是对某一点附近(即局部)而言,最值是对函数的定义区间的整体而言;(2)在函数的定义区间内,极大(小)值可能有多个(或者没有),但最大(小)值只有一个(或者没有);(3)函数f (x)的极值点不能是区间的端点,而最值点可以是区间的端点;
4、(4)对于可导函数,函数的最大(小)值必在极大(小)值点或区间端点处取得.三、生活中的优化问题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.导数是求函数最值问题的有力工具.解决优化问题的基本思路是:考向一 利用导数研究函数的单调性1利用导数判断或证明一个函数在给定区间上的单调性,实质上就是判断或证明不等式()在给定区间上恒成立一般步骤为:(1)求f (x);(2)确认f (x)在(a,b)内的符号;(3)作出结论,时为增函数,时为减函数注意:研究含参数函数的单调性时,需注意依据参数取值对不等式解集的影响进行分类讨论2在利用导数求函数的单调区间时,首先要确定函数的
5、定义域,解题过程中,只能在定义域内讨论,定义域为实数集可以省略不写.在对函数划分单调区间时,除必须确定使导数等于零的点外,还要注意在定义域内的不连续点和不可导点.3由函数的单调性求参数的取值范围的方法(1)可导函数在某一区间上单调,实际上就是在该区间上(或)(在该区间的任意子区间内都不恒等于0)恒成立,然后分离参数,转化为求函数的最值问题,从而获得参数的取值范围;(2)可导函数在某一区间上存在单调区间,实际上就是(或)在该区间上存在解集,这样就把函数的单调性问题转化成了不等式问题;(3)若已知在区间I上的单调性,区间I中含有参数时,可先求出的单调区间,令I是其单调区间的子集,从而可求出参数的取
6、值范围.典例1 已知函数,其中tR.(1)函数f(x)的图象能否与x轴相切?若能,求出实数t,若不能,请说明理由;(2)讨论函数f(x)的单调性.【解析】(1)由于f(x)=xex-tx=x(ex-t),假设函数f(x)的图象与x轴相切于点(x0,0),则有,即.显然x00,将t=ex00代入方程(x0-1)ex0-t2x02=0中,得x02-2x0+2=0,显然此方程无解.故无论t取何值,函数f(x)的图象都不能与x轴相切.(2)由于f(x)=xex-tx=x(ex-t),当t0时,ex-t0,当x0时,f(x)0,f(x)单调递增,当x0时,f(x)0时,由f(x)=0得x=0或x=lnt
7、,当0t1时,lnt0时,f(x)0,f(x)单调递增,当lntx0时,f(x)0,f(x)单调递减,当x0,f(x)单调递增;当t=1时,f(x)0,f(x)单调递增;当t1时,lnt0,当xlnt时,f(x)0,f(x)单调递增,当0xlnt时,f(x)0,f(x)单调递减,当x0,f(x)单调递增.综上,当t0时,f(x)在(-,0)上是减函数,在(0,+)上是增函数;当0t1时,f(x)在(-,0),(lnt,+)上是增函数,在(0,lnt)上是减函数.典例2 已知函数.(1)当时,求在处的切线方程;(2)若函数在上单调递减,求实数的取值范围.【解析】(1),.,在处的切线方程为,即.
8、(2),在上单调递减,在上恒成立,即在上恒成立,记,恒成立,且显然不是常数函数,在上单调递减, ,实数的取值范围是.1已知函数其中(1)当时,求曲线在点处的切线方程;(2)当时,求的单调区间考向二 利用导数研究函数的极值和最值1函数极值问题的常见类型及解题策略(1)函数极值的判断:先确定导数为0的点,再判断导数为0的点的左、右两侧的导数符号(2)求函数极值的方法:确定函数的定义域求导函数求方程的根检查在方程的根的左、右两侧的符号,确定极值点如果左正右负,那么在这个根处取得极大值;如果左负右正,那么在这个根处取得极小值;如果在这个根的左、右两侧符号不变,则在这个根处没有极值(3)利用极值求参数的
9、取值范围:确定函数的定义域,求导数,求方程的根的情况,得关于参数的方程(或不等式),进而确定参数的取值或范围.2求函数f (x)在a,b上最值的方法(1)若函数f (x)在a,b上单调递增或递减,f (a)与f (b)一个为最大值,一个为最小值(2)若函数f (x)在区间(a,b)内有极值,先求出函数f (x)在区间(a,b)上的极值,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(3)函数f (x)在区间(a,b)上有唯一一个极值点时,这个极值点就是最大(或最小)值点注意:(1)若函数中含有参数时,要注意分类讨论思想的应用.(2)极值是函数的“局部概念”,最值是函数
10、的“整体概念”,函数的极值不一定是最值,函数的最值也不一定是极值.要注意利用函数的单调性及函数图象直观研究确定.典例3 已知函数(1)当时,试判断函数的单调性;(2)若,求证:函数在上的最小值小于【解析】(1)由题可得,设,则,所以当时,在上单调递增,当时,在上单调递减,所以,因为,所以,即,所以函数在上单调递增(2)由(1)知在上单调递增,因为,所以,所以存在,使得,即,即,所以函数在上单调递减,在上单调递增,所以当时,令,则恒成立,所以函数在上单调递减,所以,所以,即当时,故函数在上的最小值小于典例4 已知(1)令,求的单调区间;(2)已知在处取得极大值,求实数a的取值范围【答案】(1)见
11、解析;(2)【解析】(1)由可得,则,当时,时,函数单调递增;当时,时,函数单调递增,时,函数单调递减所以当时,的单调递增区间为;当时,的单调递增区间为,单调递减区间为(2)由(1)知,当时,单调递增所以当时,单调递减当时,单调递增所以在x=1处取得极小值,不合题意当时,由(1)知在内单调递增,可得当时,时,所以在(0,1)内单调递减,在内单调递增,所以在处取得极小值,不合题意当时,在(0,1)内单调递增,在内单调递减,所以当时,单调递减,不合题意当时,当时,单调递增,当时,单调递减,所以在处取得极大值,合题意综上可知,实数的取值范围为2已知函数(1)求的极小值;(2)对恒成立,求实数的取值范
12、围考向三 (导)函数图象与单调性、极值、最值的关系1导数与函数变化快慢的关系:如果一个函数在某一范围内导数的绝对值较大,那么函数在这个范围内变化得快,这时函数的图象就比较“陡峭”(向上或向下);反之,函数的图象就“平缓”一些.2导函数为正的区间是函数的增区间,导函数为负的区间是函数的减区间,导函数图象与x轴的交点的横坐标为函数的极值点.典例 5 设函数(,),若函数在处取得极值,则下列图象不可能为的图象是【答案】D【解析】,因为函数在处取得极值,所以是的一个根,整理可得,所以,对称轴为.对于A,由图可得,适合题意;对于B,由图可得,适合题意;对于C,由图可得,适合题意;对于D,由图可得,不适合
13、题意,故选D.3若函数,则A最大值为,最小值为B最大值为,无最小值C最小值为,无最大值D既无最大值也无最小值考向四 导数的综合应用1利用导数研究函数零点或方程根的方法(1)通过最值(极值)判断零点个数的方法.借助导数研究函数的单调性、极值后,通过极值的正负,函数单调性判断函数图象走势,从而判断零点个数或者通过零点个数求参数范围.(2)数形结合法求解零点.对于方程解的个数(或函数零点个数)问题,可利用函数的值域或最值,结合函数的单调性,画出草图,数形结合确定其中参数的范围.(3)构造函数法研究函数零点.根据条件构造某个函数,利用导数确定函数的单调区间及极值点,根据函数零点的个数寻找函数在给定区间
14、的极值以及区间端点的函数值与0的关系,从而求解.解决此类问题的关键是将函数零点、方程的根、曲线交点相互转化,突出导数的工具作用,体现转化与化归的思想方法.2不等式的证明问题可以从所证不等式的结构和特点出发,结合已有的知识,利用转化与化归思想,构造一个新的函数,再借助导数确定函数的单调性,利用单调性实现问题的转化,从而使不等式得到证明,其一般步骤是:构造可导函数研究单调性或最值得出不等关系整理得出结论.3利用导数解决不等式恒成立问题的“两种”常用方法.(1)分离参数法:将原不等式分离参数,转化为不含参数的函数的最值问题,利用导数求该函数的最值,根据要求得所求范围.一般地,恒成立,只需即可;恒成立
15、,只需即可.(2)函数思想法:将不等式转化为某含待求参数的函数的最值问题,利用导数求该函数的极值(最值),然后构建不等式求解.典例6 设函数.(1)讨论的导函数的零点的个数;(2)证明:当时,.【解析】(1)的定义域为,.当时,,没有零点;当时,因为单调递增,单调递增,所以在上单调递增.又,当b满足且时,,故当时,存在唯一零点.(2)由(1),可设在上的唯一零点为.当时,;当时,.故在上单调递减,在上单调递增,所以当时,取得最小值,最小值为.由于,所以(当且仅当,即时,等号成立).故当时,.典例7 已知函数f(x)=x3+mx,g(x)=-x2+n.(1)若曲线y=f(x)与曲线y=g(x)在
16、它们的交点处的公共切线为y=2x+c,求m,n,c的值;(2)当n=1时,若x(-,0),f(x)g(x),求m的取值范围.【解析】(1)设它们的公共交点的横坐标为x0,则x03+mx0=-x02+n=2x0+c (*).f(x)=x3+mx,则f(x)=3x2+m,2=3x02+m;g(x)=-x2+n,则g(x)=-2x,2=-2x0.由得x0=-1,由得m=-1.将x0=-1,m=-1代入(*)得n-1=-2+c=0,n=1,c=2.(2)由f(x)g(x),得x3+mx-x-x2+1x在x(-,0)上恒成立,令h(x)=-x-x2+1x (x(-,0),则h(x)=-1-2x-1x2
17、=-2x3-x2-1x2=(-x2-x3)-(x3+1)x2=(x+1)(-2x2+x-1)x2,其中-2x2+x-1-1.故m的取值范围是(-1,+).4已知函数,其中为实常数.(1)若是的极大值点,求的极小值;(2)若不等式对任意,恒成立,求b的最小值.考向五 生活中的优化问题1实际生活中利润最大,容积、面积最大,流量、速度最大等问题都需要利用导数来求解相应函数的最大值.若在定义域内只有一个极值点,且在极值点附近左增右减,则此时唯一的极大值就是最大值.2实际生活中用料最省、费用最低、损耗最小、最节省时间等问题都需要利用导数求解相应函数的最小值.用料最省、费用最低问题出现的形式多与几何体有关
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