高端精品高中数学二轮专题-导数与函数的极值、最值(带答案)教案
展开(1)函数的极小值:
函数y=f(x)在点x=a的函数值f(a)比它在点x=a附近其他点的函数值都小,f′(a)=0;而且在点x=a附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0,则点a叫做函数y=f(x)的极小值点,f(a)叫做函数y=f(x)的极小值.
(2)函数的极大值:
函数y=f(x)在点x=b的函数值f(b)比它在点x=b附近其他点的函数值都大,f′(b)=0;而且在点x=b附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0,则点b叫做函数y=f(x)的极大值点,f(b)叫做函数y=f(x)的极大值.
2.函数的最值
(1)在闭区间[a,b]上连续的函数f(x)在[a,b]上必有最大值与最小值.
(2)若函数f(x)在[a,b]上单调递增,则f(a)为函数的最小值,f(b)为函数的最大值;若函数f(x)在[a,b]上单调递减,则f(a)为函数的最大值,f(b)为函数的最小值.
题型一. 极值、最值的概念
1.函数y=xsinx+csx的一个极小值点为( )
A.x=−π2B.x=π2C.x=πD.x=3π2
【解答】解:y=f(x)=xsinx+csx,
∴f′(x)=sinx+xcsx﹣sinx=xcsx,
令f′(x)=0,解得x=0或x=π2+kπ,k∈Z,
易得,函数在(0,12π)单调递增,(12π,π)单调递减,故x=12π为函数的极大值点,
函数在(−12π,0)单调递减,(﹣π,−12π)单调递减增故x=−12π为函数的极大值点,
函数在(12π,32π)单调递减,在(32π,2π)单调递增,x=π不是极值点,x=32π为函数的极小值点.
故选:D.
2.若x=﹣2是函数f(x)=(x2+ax﹣1)ex﹣1的极值点,则f(x)的极小值为( )
A.﹣1B.﹣2e﹣3C.5e﹣3D.1
【解答】解:函数f(x)=(x2+ax﹣1)ex﹣1,
可得f′(x)=(2x+a)ex﹣1+(x2+ax﹣1)ex﹣1,
x=﹣2是函数f(x)=(x2+ax﹣1)ex﹣1的极值点,
可得:f′(﹣2)=(﹣4+a)e﹣3+(4﹣2a﹣1)e﹣3=0,即﹣4+a+(3﹣2a)=0.
解得a=﹣1.
可得f′(x)=(2x﹣1)ex﹣1+(x2﹣x﹣1)ex﹣1,
=(x2+x﹣2)ex﹣1,函数的极值点为:x=﹣2,x=1,
当x<﹣2或x>1时,f′(x)>0函数是增函数,x∈(﹣2,1)时,函数是减函数,
x=1时,函数取得极小值:f(1)=(12﹣1﹣1)e1﹣1=﹣1.
故选:A.
3.已知函数f(x)=x3+ax2+bx+c,下列结论中错误的是( )
A.∃x0∈R,f(x0)=0
B.函数y=f(x)的图象是中心对称图形
C.若x0是f(x)的极小值点,则f(x )在区间(﹣∞,x0)上单调递减
D.若x0是f(x)的极值点,则f′(x0 )=0
【解答】解:
A、对于三次函数f (x )=x3+ax2+bx+c,
A:由于当x→﹣∞时,y→﹣∞,当x→+∞时,y→+∞,
故∃x0∈R,f(x0)=0,故A正确;
B、∵f(−2a3−x)+f(x)=(−2a3−x)3+a(−2a3−x)2+b(−2a3−x)+c+x3+ax2+bx+c=4a327−2ab3+2c,
f(−a3)=(−a3)3+a(−a3)2+b(−a3)+c=2a327−ab3+c,
∵f(−2a3−x)+f(x)=2f(−a3),
∴点P(−a3,f(−a3))为对称中心,故B正确.
C、若取a=﹣1,b=﹣1,c=0,则f(x)=x3﹣x2﹣x,
对于f(x)=x3﹣x2﹣x,∵f′(x)=3x2﹣2x﹣1
∴由f′(x)=3x2﹣2x﹣1>0得x∈(﹣∞,−13)∪(1,+∞)
由f′(x)=3x2﹣2x﹣1<0得x∈(−13,1)
∴函数f(x)的单调增区间为:(﹣∞,−13),(1,+∞),减区间为:(−13,1),
故1是f(x)的极小值点,但f(x )在区间(﹣∞,1)不是单调递减,故C错误;
D:若x0是f(x)的极值点,根据导数的意义,则f′(x0 )=0,故D正确.
由于该题选择错误的,故选:C.
4.已知函数f(x)=x3+ax2﹣4x+5在x=﹣2处取极值(a∈R).
(1)求f(x)的解析式;
(2)求函数f(x)在[﹣3,3]上的最大值.
【解答】解:(1)由f(x)=x3+ax2﹣4x+5,得f'(x)=3x2+2ax﹣4,
∵函数f(x)在x=﹣2处取极值,∴f'(﹣2)=0,∴a=2,
经检验,a=2符合题意,∴f(x)=x3+2x2﹣4x+5.
(2)由(1)知f'(x)=3x2+4x﹣4=(3x﹣2)(x+2),
∴x∈[﹣3,﹣2)时,f'(x)>0;x∈(−2,23)时,f'(x)<0;x∈(23,3]时,f'(x)>0;
∴x∈[﹣3,﹣2)时,f(x)单调递增;x∈(−2,23)时,f(x)单调递减;x∈(23,3]时,f(x)单调递增;
∴f(x)的最大值只可能为f(﹣2)或f(3),又f(﹣2)=13,f(3)=38,
∴函数f(x)在[﹣3,3]上的最大值为f(3)=38.
题型二.已知极值、最值求参
考点1.利用二次函数根的分布
1.若函数f(x)=x3﹣3bx+b在区间(0,1)内有极小值,则b的取值范围是( )
A.(﹣∞,1)B.(0,1)C.(1,+∞)D.(﹣1,0)
【解答】解:由题意,得f′(x)=3x2﹣3b,
令f′(x)=0,则x=±b,
∵函数在(−b,b)上f′(x)<0,函数递减,在(b,+∞)上f′(x)>0,函数递增
∴x=b时,函数取得极小值
∵函数f(x)=x3﹣3bx+b在区间(0,1)内有极小值,
∴0<b<1,
∴b∈(0,1)
故选:B.
2.已知函数f(x)=13x3−12ax2+x在区间(12,3)上既有极大值又有极小值,则实数a的取值范围是( )
A.(2,+∞)B.[2,+∞)C.(2,52)D.(2,103)
【解答】解:函数f(x)=13x3−12ax2+x,求导f′(x)=x2﹣ax+1,
由f(x)在(12,3)上既有极大值又有极小值,则f′(x)=0在(12,3)内应有两个不同实数根.
f'(12)>0f'(3)>012<1a<3f'(1a)<0,解得:2<a<52,
实数a的取值范围(2,52),
故选:C.
考点2.参变分离
3.若函数f(x)=x33−a2x2+x+1在区间(12,3)上有极值点,则实数a的取值范围是( )
A.(2,52)B.[2,52)C.(2,103)D.[2,103)
【解答】解:∵函数f(x)=x33−a2x2+x+1,
∴f′(x)=x2﹣ax+1,
若函数f(x)=x33−a2x2+x+1在区间(12,3)上有极值点,
则f′(x)=x2﹣ax+1在区间(12,3)内有零点
由x2﹣ax+1=0可得a=x+1x
∵x∈(12,3),
∴2≤a<103,
当a=2时,函数f(x)的导函数等于零时值只有1,可是两边的单调性相同,所以a不能等于2.
故选:C.
4.已知函数f(x)=exx2+2klnx−kx,若x=2是函数f(x)的唯一极值点,则实数k的取值范围是( )
A.(−∞,e24]B.(−∞,e2]C.(0,2]D.[2,+∞)
【解答】解:∵函数f(x)的定义域是(0,+∞),
∴f′(x)=ex(x−2)x3+2kx−k=(ex−kx2)(x−2)x3,
∵x=2是函数f(x)的唯一一个极值点,
∴x=2是导函数f′(x)=0的唯一根,
∴ex﹣kx2=0在(0,+∞)无变号零点,
即k=exx2在x>0上无变号零点,令g(x)=exx2,
因为g'(x)=ex(x−2)x3,
所以g(x)在(0,2)上单调递减,在x>2 上单调递增,
所以g(x)的最小值为g(2)=e24,
所以必须k≤e24,
故选:A.
考点3.分类讨论
5.已知函数f(x)=ax−1x−(a+1)lnx+1在(0,1]上的最大值为3,则实数a= e .
【解答】解:f′(x)=a+1x2−a+1x=(ax−1)(x−1)x2,
令g(x)=(ax﹣1)(x﹣1),x∈(0,1),
①当a≤1时,ax﹣1≤x﹣1<0,
∴g(x)>0,f′(x)>0,
∴f(x)在(0,1]上单调递增,
∴f(x)max=f(1)=a,即a=3(舍去),
②当a>1时,x∈(0,1a),g(x)>0,f′(x)>0;x∈(1a,1)时,g(x)<0,f′(x)<0,
故f(x)在(0,1a)上单调递增,在(1a,1)上单调递减,
∴f(x)max=f(1a),2﹣a﹣(a+1)ln1a=3,即a﹣(a+1)lna+1=0,即a﹣(a+1)lna+1=0,
令h(x)=x﹣(x+1)lnx+1(x>1),h′(x)=﹣lnx−1x<0,
∴h(x)在(1,+∞)上单调递减,且h(e)=0,
∴a=e,
故答案为:e.
6.已知函数f(x)=(12x2−ax)lnx−12x2+32ax.
(1)讨论函数f(x)的极值点;
(2)若f(x)极大值大于1,求a的取值范围.
【解答】解:f'(x)=(x−a)lnx+12x−a−x+32a=(x−a)(lnx−12)
(1)①a≤0时,f(x)在(0,e)单减,(e,+∞)单增,极小值点为x=e
②0<a<e时,f(x)在(0,a)单增,(a,e)单减,(e,+∞)单增,极小值点为x=e,极大值点为x=a
③a=e时,f(x)在(0,+∞)单增,无极值点.
④a>e时,f(x)在(0,e)单增,(e,a)单减,(a,+∞)单增,极小值点为x=a,极大值点为x=e.
(2)由(1),a≤0和a=e时,无极大值,不成立.
当a>e时,极大值f(e)=ae−e4>1,解得a>e4+1e,∵e4+1e−e=1e−3e4=1e(1−3e4)<0,∴a>e.
当0<a<e时,极大值f(a)=12a2(2−lna)>1,
得2−lna>2a2,令t=a2,则g(t)=2−12lnt−2t,g'(t)=−12t+2t2=4−t2t2,g(t)在t=4取得极大值g(4)>0,且g(1)=0,
而a<e,t<e,而g(t)在(1,e)单增,∴g(t)>0解为(1,e),
则a∈(1,e),
综上a∈(1,e)∪(e,+∞).
7.已知函数f(x)=lnx−ax(a∈R)
(1)求函数f(x)的单调增区间;
(2)若函数f(x)在[1,e]上的最小值为32,求a的值.
【解答】解:(1)函数f(x)=lnx−ax的导数为f′(x)=1x+ax2=x+ax2,x>0,
当a≥0时,f′(x)>0恒成立,f(x)在(0,+∞)递增;
当a<0时,由f′(x)>0可得x>﹣a,则f(x)在(﹣a,+∞)递增;
(2)由f(x)在[1,e]上的最小值可能为端点处的函数值或极值,
若f(1)=﹣a为最小值,可得﹣a=32,即a=−32,
由(1)可得f(x)在[1,32)递减,在(32,e]递增,
故f(x)在x=32处取得最小值,故不成立;
若f(e)=1−ae为最小值,可得1−ae=32,即a=−12e,
由(1)可得f(x)在[1,12e)递减,在(12e,e]递增,
故f(x)在x=12e处取得最小值,故不成立;
若f(﹣a)=ln(﹣a)+1为最小值,可得ln(﹣a)+1=32,即a=−e,
由(1)可得f(x)在[1,e)递减,在(e,e]递增,
故f(x)在x=e处取得最小值,故成立.
则a=−e.
考点4.初探隐零点——设而不求,虚设零点
8.已知a为常数,函数f(x)=x(lnx﹣ax)有两个极值点x1,x2(x1<x2)( )
A.f(x1)>0,f(x2)>−12B.f(x1)<0,f(x2)<−12
C.f(x1)>0,f(x2)<−12D.f(x1)<0,f(x2)>−12
【解答】解:∵f′(x)=lnx+1﹣2ax,(x>0)
令f′(x)=0,由题意可得lnx=2ax﹣1有两个解x1,x2⇔函数g(x)=lnx+1﹣2ax有且只有两个零点⇔g′(x)在(0,+∞)上的唯一的极值不等于0.
g'(x)=1x−2a=1−2axx.
①当a≤0时,g′(x)>0,f′(x)单调递增,因此g(x)=f′(x)至多有一个零点,不符合题意,应舍去.
②当a>0时,令g′(x)=0,解得x=12a,
∵x∈(0,12a),g′(x)>0,函数g(x)单调递增;x∈(12a,+∞)时,g′(x)<0,函数g(x)单调递减.
∴x=12a是函数g(x)的极大值点,则g(12a)>0,即ln12a+1−1=−ln(2a)>0,
∴ln(2a)<0,∴0<2a<1,即0<a<12.
故当0<a<12时,g(x)=0有两个根x1,x2,且x1<12a<x2,又g(1)=1﹣2a>0,
∴x1<1<12a<x2,从而可知函数f(x)在区间(0,x1)上递减,在区间(x1,x2)上递增,在区间(x2,+∞)上递减.
∴f(x1)<f(1)=﹣a<0,f(x2)>f(1)=﹣a>−12.
故选:D.
9.已知f(x)=(x﹣1)2+alnx在(14,+∞)上恰有两个极值点x1,x2,且x1<x2,则f(x1)x2的取值范围为( )
A.(−3,12−ln2)B.(12−ln2,1)
C.(−∞,12−ln2)D.(12−ln2,34−ln2)
【解答】解:f(x)=(x﹣1)2+alnx,则f′(x)=2x﹣2+ax=2x2−2x+ax(x>0),
令f′(x)=0,得2x2﹣2x+a=0,
由题意知2x2﹣2x+a=0在(14,+∞)上有2个根x1,x2,
故a>02×(14)2−2×14+a>0△=4−8a>0,解得:38<a<12,
由根与系数的关系得x1+x2=1x1⋅x2=a2,
由求根公式得x1,2=1±1−2a2,
∵x1<x2,∴x2=1+1−2a2,
∵38<a<12,∴12<x2<34,
则f(x1)x2=(x1−1)2+alnx1x2=x22+2x1x2lnx1x2
=x2+2(1﹣x2)ln(1﹣x2)=x2﹣1+2(1﹣x2)ln(1﹣x2)+1(12<x2<34),
令t=1﹣x2,则14<t<12,
设g(t)=﹣t+2tlnt+1(14<t<12),则g′(t)=1+2lnt,
易知g′(t)在(14,12)上单调递增,
故g′(t)=1+2lnt<1﹣2ln2=lne4<0,
故当14<t<12时,函数g(t)为减函数,
∴g(t)<−14+2×14ln14+1=34−ln2,且g(t)>−12+2×ln12ln12+1=12−ln2,
∴f(x1)x2∈(12−ln2,34−ln2).
故选:D.
10.已知函数f(x)=ax2﹣ax﹣xlnx,且f(x)≥0.
(1)求a;
(2)证明:f(x)存在唯一的极大值点x0,且e﹣2<f(x0)<2﹣2.
【解答】解:(1)因为f(x)=ax2﹣ax﹣xlnx=x(ax﹣a﹣lnx)(x>0),
则f(x)≥0等价于h(x)=ax﹣a﹣lnx≥0,求导可知h′(x)=a−1x.
则当a≤0时h′(x)<0,即y=h(x)在(0,+∞)上单调递减,
所以当x0>1时,h(x0)<h(1)=0,矛盾,故a>0.
因为当0<x<1a时h′(x)<0、当x>1a时h′(x)>0,
所以h(x)min=h(1a),
又因为h(1)=a﹣a﹣ln1=0,
所以1a=1,解得a=1;
另解:因为f(1)=0,所以f(x)≥0等价于f(x)在x>0时的最小值为f(1),
所以等价于f(x)在x=1处是极小值,
所以解得a=1;
(2)由(1)可知f(x)=x2﹣x﹣xlnx,f′(x)=2x﹣2﹣lnx,
令f′(x)=0,可得2x﹣2﹣lnx=0,记t(x)=2x﹣2﹣lnx,则t′(x)=2−1x,
令t′(x)=0,解得x=12,
所以t(x)在区间(0,12)上单调递减,在(12,+∞)上单调递增,
所以t(x)min=t(12)=ln2﹣1<0,又t(1e2)=2e2>0,所以t(x)在(0,12)上存在唯一零点,
所以t(x)=0有解,即f′(x)=0存在两根x0,x2,
且不妨设f′(x)在(0,x0)上为正、在(x0,x2)上为负、在(x2,+∞)上为正,
所以f(x)必存在唯一极大值点x0,且2x0﹣2﹣lnx0=0,
所以f(x0)=x02−x0﹣x0lnx0=x02−x0+2x0﹣2x02=x0−x02,
由x0<12可知f(x0)<(x0−x02)max=−122+12=14;
由f′(1e)<0可知x0<1e<12,
所以f(x)在(0,x0)上单调递增,在(x0,1e)上单调递减,
所以f(x0)>f(1e)=1e2;
综上所述,f(x)存在唯一的极大值点x0,且e﹣2<f(x0)<2﹣2.
课后作业.极值、最值
1.若函数f(x)=(x2+ax+3)ex在(0,+∞)内有且仅有一个极值点,则实数a的取值范围是( )
A.(﹣∞,﹣2)B.(﹣∞,﹣2]C.(﹣∞,﹣3)D.(﹣∞,﹣3]
【解答】解:函数的导数f′(x)=(2x+a)ex+(x2+ax+3)ex=[x2+(a+2)x+a+3]ex,
若函数f(x)=(x2+ax+3)ex在(0,+∞)内有且仅有一个极值点,
等价为f′(x)=0在[0,+∞)上只要一个变号根,
即f′(0)<0,即可此时a+3<0,得a<﹣3,
当a=﹣3时,f′(x)=(x2﹣x)ex,
由f(x)=0得x=0或x=1,即x=1是函数的一个极值点,满足条件,
综上a≤﹣3,
即实数a的取值范围是(﹣∞,﹣3],
故选:D.
2.已知函数f(x)=xex−13ax3−12ax2有三个极值点,则a的取值范围是( )
A.(0,e)B.(0,1e)C.(e,+∞)D.(1e,+∞)
【解答】解:函数的导数f′(x)=ex+xex﹣ax2﹣ax,
若函数f(x)=xex−13ax3−12ax2有三个极值点,
等价为f′(x)=ex+xex﹣ax2﹣ax=0有三个不同的实根,
即(1+x)ex﹣ax(x+1)=0,
即(x+1)(ex﹣ax)=0,
则x=﹣1,则ex﹣ax=0,有两个不等于﹣1的根,
则a=exx,
设h(x)=exx,
则h′(x)=exx−exx2=ex(x−1)x2,
则由h′(x)>0得x>1,由h′(x)<0得x<1且x≠0,
则当x=1时,h(x)取得极小值h(1)=e,
当x<0时,h(x)<0,
作出函数h(x)=exx,的图象如图,
要使a=exx有两个不同的根,
则满足a>e,
即实数a的取值范围是(e,+∞),
故选:C.
3.已知f(x)=ex,g(x)=lnx,若f(t)=g(s),则当s﹣t取得最小值时,f(t)所在区间是( )
A.(ln2,1)B.(12,ln2)C.(13,1e)D.(1e,12)
【解答】解:令f(t)=g(s)=a,即et=lns=a>0,
∴t=lna,s=ea,
∴s﹣t=ea﹣lna,(a>0),
令h(a)=ea﹣lna,
h′(a)=ea−1a
∵y=ea递增,y=1a递减,
故存在唯一a=a0使得h′(a)=0,
0<a<a0时,ea<1a,h′(a)<0,
a>a0时,ea>1a,h′(a)>0,
∴h(a)min=h(a0),
即s﹣t取最小值时,f(t)=a=a0,
由零点存在定理验证ea0−1a0=0的根的范围:
a0=12时,ea0−1a0<0,
a0=ln2时,ea0−1a0>0,
故a0∈(12,ln2),
故选:B.
4.已知函数f(x)=lnx+x2﹣ax+a(a>0)有两个极值点x1、x2(x1<x2),则f(x1)+f(x2)的最大值为( )
A.﹣1﹣ln2B.1﹣ln2C.2﹣ln2D.3﹣ln2
【解答】解:函数f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=1x+2x﹣a=2x2−ax+1x,
由题意可知2x2﹣ax+1=0在(0,+∞)上有两个不同的解x1,x2,
所以x1+x2=a2,x1x2=12,且2×02−a×0+1=1>0−−a4>0△=a2−8>0,解得a>22,
所以f(x1)+f(x2)=lnx1+x12﹣ax1+a+lnx2+x22﹣ax2+a,
=ln(x1x2)+x12+x22﹣a(x1+x2)+2a=−a24+2a﹣ln2﹣1=−14(a﹣4)2+3﹣ln2≤3﹣ln2,
当a=4时,等号成立,
故f(x1)+f(x2)的最大值为3﹣ln2.
故选:D.
5.已知函数f(x)=lnx+12ax2+x,a∈R.
(1)求函数f(x)的单调区间;
(2)是否存在实数a,使得函数f(x)的极值大于0?若存在,求a的取值范围;若不存在,请说明理由.
【解答】解:(1)函数f(x)的定义域为(0,+∞),
∴f′(x)=1x+ax+1=ax2+x+1x
①当a=0时,f′(x)=1+xx,∴f′(x)>0,故f(x)在(0,+∞)上单调递增;
②当a≠0时,令f′(x)=0得ax2+x+1=0,△=1﹣4a.
(ⅰ)当△≤0,即a≥14时,f′(x)≥0,
∴f(x)在(0,+∞)上单调递增,
(ⅱ)当△>0,即a<14时,方程ax2+x+1=0的两个实根分别为 x1=−1−1−4a2a,x2=−1+1−4a2a.
若0<a<14,则x1<0,x2<0,此时,当x∈(0,+∞)时,f′(x)>0,
故f(x)在(0,+∞)上单调递增若a<0,则x1>0,x2<0,
此时,当x∈(0,x1)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈(x1,+∞)时,f′(x)<0f(x)单调递减,
综上,当a<0时,函数f(x)的单调递增区间为(0,−1−1−4a2a),单调递减区间为(−1−1−4a2a,+∞);
当a≥0时,函数f(x)的单调递增区间为(0,+∞),
(2):由(1)得当a≥0时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,
故函数f(x)无极值;
当a<0时,函数f(x)的单调递增区间为(0,−1−1−4a2a),单调递减区间为(−1−1−4a2a,+∞);
则f(x)有极大值,其值为f(x1)=lnx1+12ax12+x1,其中x1=−1−1−4a2a.
而ax12+x1+1=0,
∴f(x1)=lnx1+x1−12,
设函数h(x)=lnx+x−12,x>0,则h′(x)=1x+12>0,
则h(x)=lnx+x−12在(0,+∞)上为增函数.
又h(1)=0,故h(x)>0等价于x>1.
因而f(x1)=lnx1+x1−12>0等价于x1>1.
即在a<0时,方程ax2+x+1=0的大根大于1,
设ϕ(x)=ax2+x+1,由于ϕ(x)的图象是开口向下的抛物线,且经过点(0,1),对称轴x=−12a>0,则只需ϕ(1)>0,即a+2>0
解得a>﹣2,而a<0,
故实数a的取值范围为(﹣2,0).
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