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高中数学人教B版 (2019)必修 第一册第三章 函数3.1 函数的概念与性质3.1.2 函数的单调性第1课时学案及答案
展开学习目标 1.理解函数的单调性的定义,能运用函数图像理解和研究函数的单调性.2.会用函数单调性的定义判断(或证明)一些函数的单调性,会求一些具体函数的单调区间.3.理解函数的最大值和最小值的概念,能借助函数的图像和单调性,求一些简单函数的最值.
导语
同学们,大家有没有体验过过山车?我可是过山车的资深体验师哦,风驰电掣、疯狂刺激的上升与下落伴随着呐喊声和尖叫声,简直是一场视觉与听觉的盛宴.当然,过山车的设计可是离不开数学家的身影,我们今天的这节课就和这刺激的游戏有关哦.
一、函数单调性的判断与证明
问题1 观察下面三个函数图形,他们的图像有什么变化规律?这反映了相应函数值的哪些变化规律?
提示 函数y=x的图像从左向右看是上升的;函数y=x2的图像在y轴左侧是下降的,在y轴右侧是上升的;函数y=-x2的图像在y轴左侧是上升的,在y轴右侧是下降的.
问题2 如何理解函数图像是上升的?
提示 从左向右的方向看函数的图像,当图像上点的横坐标逐渐增大时,点的纵坐标也逐渐变大,即函数的自变量逐渐增大时,对应的函数值逐渐增大.
知识梳理
增函数与减函数的定义
注意点:
(1)区间I是定义域的子集,即应在函数的定义域内研究单调性;
(2)同区间性,即x1,x2∈I;
(3)任意性,即不可以用区间I上的特殊值代替;
(4)有序性,即要规定x1,x2的大小;
(5)“单调递增(递减)”“x1,x2的大小”“f(x1)与f(x2)的大小”知二求一,但自变量和函数值的不等方向要一致(相反),简称为“步调一致(相反)增(减)函数”;
(6)函数单调性的判断与证明:
①观察函数的图像判断;
②利用单调性的定义和不等式证明.
例1 证明函数f(x)=x+eq \f(1,x)在(1,+∞)上是增函数.
证明 任取x1,x2∈(1,+∞),且x1
=(x1-x2)+eq \f(x2-x1,x1x2)=eq \f(x1-x2x1x2-1,x1x2).
因为1
所以f(x1)-f(x2)<0,
即f(x1)
延伸探究 若本例的函数不变,试判断f(x)在(0,1)上的单调性.
解 函数f(x)=x+eq \f(1,x)在(0,1)上单调递减.
理由如下:任取x1,x2∈(0,1),且x1
=(x1-x2)+eq \f(x2-x1,x1x2)=eq \f(x1-x2x1x2-1,x1x2).
因为0
所以函数f(x)=x+eq \f(1,x)在(0,1)上单调递减.
反思感悟 利用定义证明函数单调性的4个步骤
跟踪训练1 求证:函数f(x)=eq \f(1,x2)在(0,+∞)上是减函数,在(-∞,0)上是增函数.
证明 对于任意的x1,x2∈(-∞,0),
且x1
=eq \f(x2-x1x2+x1,x\\al(2,1)x\\al(2,2)).
∵x1
∴f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)
对于任意的x1,x2∈(0,+∞),且x1
∵0
∴f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2).
∴函数f(x)=eq \f(1,x2)在(0,+∞)上是减函数.
二、求函数的单调区间
问题3 “函数y=f(x)在I上单调递增”与“函数y=f(x)的单调递增区间为I”含义相同吗?
提示 不同.“函数y=f(x)在I上单调递增”是指区间I为函数y=f(x)的一个单调递增区间,还可能存在其他单调递增区间;“函数y=f(x)的单调递增区间为I”是指除区间I外,函数y=f(x)不存在其他单调递增区间.
知识梳理
如果函数y=f(x)在I上单调递增或单调递减,那么就称函数y=f(x)在I上具有单调性(当I为区间时,称I为函数的单调区间,也可分别称为单调递增区间或单调递减区间).
注意点:
如果函数y=f(x)存在多个单调区间,应当用“,”或“和”连接.
例2 画出函数y=-x2+2|x|+3的图像,并指出函数的单调区间.
解 当x≥0时,
y=-x2+2x+3=-(x-1)2+4,
当x<0时,
y=-x2-2x+3=-(x+1)2+4,
即y=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-x-12+4,x≥0,,-x+12+4,x<0,))
作出函数的图像如图所示,
所以函数y=-x2+2|x|+3的单调递增区间为(-∞,-1)和[0,1),单调递减区间为[-1,0)和[1,+∞).
反思感悟 求函数单调区间的两种方法
(1)定义法.即先求出定义域,再利用定义法进行判断求解.
(2)图像法.即先画出图像,根据图像求单调区间.
跟踪训练2 作出函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-x-3,x≤1,,x-22+3,x>1))的图像,并指出函数f(x)的单调区间.
解 f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-x-3,x≤1,,x-22+3,x>1))的图像如图所示,由图可知,
函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-x-3,x≤1,,x-22+3,x>1))的单调递减区间为(-∞,1]和(1,2],单调递增区间为[2,+∞).
三、函数单调性的应用
问题4 如图所示是函数y=-x2-2x,y=-2x+1(x∈[-1,+∞)),y=f(x)的图像.观察并描述这三个图像的共同特征.
提示 函数y=-x2-2x的图像有最高点A,函数y=-2x+1,x∈[-1,+∞)的图像有最高点B,函数y=f(x)的图像有最高点C,也就是说,这三个函数的图像的共同特征是都有最高点.
问题5 你是怎样理解函数图像最高点的?
提示 图像最高点的纵坐标是所有函数值中的最大值,即函数的最大值.
知识梳理
函数的最值
注意点:
(1)最大(小)值的几何意义:最高(低)点的纵坐标.
(2)并不是所有的函数都有最大(小)值,比如y=x,x∈R.
(3)一个函数至多有一个最大(小)值.
(4)研究函数最值需先研究函数的定义域和单调性.
eq \x(命题角度1 利用函数的单调性比较大小)
例3 已知函数f(x)在区间(0,+∞)上是增函数,试比较f(a2-a+1)与f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))的大小.
解 ∵a2-a+1=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(a-\f(1,2)))2+eq \f(3,4)≥eq \f(3,4),
∴eq \f(3,4)与a2-a+1都是区间(0,+∞)上的值.
又f(x)在区间(0,+∞)上是增函数,
∴f(a2-a+1)≥f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4))).
反思感悟 利用函数的单调性可以比较函数值或自变量的大小.在解决比较函数值的问题时,要注意将对应的自变量转化到同一个单调区间上.
跟踪训练3 (1)定义在R上的函数f(x),对任意x1,x2∈R(x1≠x2),有eq \f(fx2-fx1,x2-x1)>0,则( )
A.f(3)
解析 对任意x1,x2∈R(x1≠x2),有eq \f(fx2-fx1,x2-x1)>0,则x2-x1与f(x2)-f(x1)同号,则f(x)在R上是增函数.又3>2>1,则f(1)
A.f(a)>f(2a) B.f(a2)
解析 当a<0时,a>2a,因为函数f(x)在(-∞,+∞)上为减函数,所以f(a)
例4 已知函数f(x)是定义在[-1,1]上的增函数,且f(x-2)
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-1≤x-2≤1,,-1≤1-x≤1,))
解得1≤x≤2,①
又∵f(x-2)
反思感悟 利用函数的单调性解不等式的注意点
利用函数的单调性解不等式的实质是单调性的逆用,如果f(x1)
跟踪训练4 (1)已知函数y=f(x)在定义域(-2,2)上是减函数,且f(2-a2)
解析 由题意知eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-2<2-a2<2,,-2<2a-1<2,,2-a2>2a-1,))解得-eq \f(1,2)(2)函数f(x)是定义在R上的减函数,其图像过点(-3,2)和(1,-2),则使|f(x)|<2的自变量x的取值范围是________.
答案 (-3,1)
解析 ∵f(x)是定义在R上的减函数,f(-3)=2,f(1)=-2,∴当x>-3时,f(x)<2;当x<1时,f(x)>-2,故当-3
例5 已知函数f(x)=eq \f(x-1,x+2),x∈[3,5].
(1)判断函数f(x)的单调性,并证明;
(2)求函数f(x)的最大值和最小值.
解 (1)f(x)在[3,5]上单调递增,证明如下:
任取x1,x2∈[3,5],且x1
=eq \f(3x1-x2,x1+2x2+2),
因为3≤x1
所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)
(2)由(1)知,f(x)在[3,5]上单调递增,
则f(x)的最大值为f(5)=eq \f(4,7),f(x)的最小值为f(3)=eq \f(2,5).
反思感悟 利用函数单调性求最值的方法
(1)若函数y=f(x)在区间[a,b]上单调递增,则f(x)的最大值为f(b),最小值为f(a).
(2)若函数y=f(x)在区间[a,b]上单调递减,则f(x)的最大值为f(a),最小值为f(b).
(3)若函数y=f(x)有多个单调区间,那就先求出各区间上的最值,再从各区间的最值中决定出最大(小)值.函数的最大(小)值是整个值域范围内的最大(小)值.
跟踪训练5 已知函数f(x)=eq \f(6,1-x)+3(x∈[2,4]),求函数f(x)的最大值和最小值.
解 设x1,x2是[2,4]上任意两个实数,且x1
=eq \f(6,1-x1)-eq \f(6,1-x2)=eq \f(61-x2-61-x1,1-x11-x2)
=eq \f(6x1-x2,1-x11-x2),
因为2≤x1
所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)
所以f(x)的最大值为f(4)=1,f(x)的最小值为f(2)=-3.
1.知识清单:
(1)函数单调性的判断与证明.
(2)函数的单调区间的求法.
(3)单调性的应用.
2.方法归纳:数形结合法.
3.常见误区:函数的单调区间误用并集.
1.如图是函数y=f(x)的图像,则此函数的单调递减区间的个数是( )
A.1 B.2 C.3 D.4
答案 B
解析 由图像,可知函数y=f(x)的单调递减区间有2个.
2.函数f(x)的定义域为(a,b),且对其内任意实数x1,x2,均有(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0,则函数f(x)在(a,b)上是( )
A.增函数 B.减函数
C.不增不减函数 D.既增又减函数
答案 B
解析 ∵(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0⇔
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1-x2<0,,fx1-fx2>0))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1-x2>0,,fx1-fx2<0.))
即当x1
f(x1)
A.(-∞,2] B.[2,+∞)
C.[3,+∞) D.(-∞,3]
答案 D
解析 y=x2-6x=(x-3)2-9,
故单调递减区间为(-∞,3].
4.函数f(x)=eq \f(1,x)在[1,+∞)上( )
A.有最大值,无最小值
B.有最小值,无最大值
C.有最大值,也有最小值
D.无最大值,也无最小值
答案 A
解析 由于f(x)=eq \f(1,x)在[1,+∞)上单调递减,所以f(x)在[1,+∞)上有最大值,无最小值.
5.函数y=f(x)的定义域为[-4,6],若函数f(x)在区间[-4,-2]上单调递减,在区间[-2,6]上单调递增,且f(-4)
解析 作出符合条件的函数的简图(图略),可知最小值为f(-2),最大值为f(6).
1.如图是定义在区间[-5,5]上的函数y=f(x),则下列关于函数f(x)的说法错误的是( )
A.函数在区间[-5,-3]上单调递增
B.函数在区间[1,4]上单调递增
C.函数在区间[-3,1]∪[4,5]上单调递减
D.函数在区间[-5,5]上没有单调性
答案 C
解析 单调区间不能用“∪”连接.
2.下列函数中,在区间(0,2)上为增函数的是( )
A.y=3-x B.y=x2+1
C.y=eq \f(1,x) D.y=-|x+1|
答案 B
解析 y=x2+1在(0,2)上是增函数.
3.函数f(x)=|x|,g(x)=x(2-x)的单调递增区间分别是( )
A.(-∞,0],(-∞,1] B.(-∞,0],(1,+∞)
C.[0,+∞),(-∞,1] D.[0,+∞),[1,+∞)
答案 C
解析 分别作出f(x) 与g(x)的图像(图略)得,f(x)在[0,+∞)上单调递增,g(x)在(-∞,1]上单调递增,选C.
4.已知函数f(x)=-x2+4x+a,x∈[0,1],若f(x)有最小值-2,则f(x)的最大值为( )
A.-1 B.0 C.1 D.2
答案 C
解析 因为f(x)=-(x2-4x+4)+a+4
=-(x-2)2+4+a,
所以函数f(x)图像的对称轴为x=2.
所以f(x)在[0,1]上单调递增.
又因为f(x)在[0,1]上的最小值为-2,
所以f(0)=-2,即a=-2.
所以f(x)的最大值为f(1)=-1+4-2=1.
5.(多选)如果函数f(x)在[a,b]上是增函数,对于任意的x1,x2∈[a,b](x1≠x2),则下列结论中正确的是( )
A.eq \f(fx1-fx2,x1-x2)>0
B.(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]>0
C.f(a)≤f(x1)
答案 AB
解析 由函数单调性的定义可知,若函数y=f(x)在给定的区间上是增函数,则x1-x2与f(x1)-f(x2)同号,由此可知,选项A,B正确;对于选项C,D,因为x1,x2的大小关系无法判断,所以f(x1)与f(x2)的大小关系也无法判断,故C,D不正确.
6.若f(x)在R上单调递减,且f(x-2)
解析 函数的定义域为R,由条件可知,x-2>3,解得x>5.
7.若二次函数f(x)=x2-2ax+m在(-∞,2]上是减函数,则a的取值范围是________.
答案 [2,+∞)
解析 题中二次函数图像的对称轴为x=a,由二次函数的图像,知函数在(-∞,a]上单调递减,
∴a≥2.
8.已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(2x+1,x≥1,,5-x,x<1,))则f(x)的单调递减区间是________,单调递增区间是________.
答案 (-∞,1) [1,+∞)
解析 因为当x≥1时,f(x)是增函数,当x<1时,f(x)是减函数,所以f(x)的单调递减区间是
(-∞,1),单调递增区间是[1,+∞).
9.已知函数f(x)=eq \f(2x+1,x+1).
(1)判断函数在区间(-1,+∞)上的单调性,并用定义证明你的结论;
(2)求该函数在区间[2,4]上的最大值和最小值.
解 (1)f(x)在(-1,+∞)上为增函数,证明如下:
任取-1
因为-1
所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)
(2)由(1)知f(x)在[2,4]上单调递增,
所以f(x)的最小值为f(2)=eq \f(2×2+1,2+1)=eq \f(5,3),
最大值为f(4)=eq \f(2×4+1,4+1)=eq \f(9,5).
10.求函数f(x)=x+eq \f(9,x)(x>0)的单调区间,并指出函数的最小值.
解 设x1,x2是(0,+∞)上的任意两个实数,且x1
=(x1-x2)-eq \f(9x1-x2,x1x2)
=eq \f(x1-x2x1x2-9,x1x2).
∵0
由于x1x2-9的符号不能确定,因此需要对x1,x2的取值进行讨论.
当x1,x2∈(0,3]时,有x1x2-9<0,
∴eq \f(x1-x2x1x2-9,x1x2)>0,即f(x1)>f(x2),
∴f(x)在区间(0,3]上是减函数;
当x1,x2∈[3,+∞)时,有x1x2-9>0,
∴eq \f(x1-x2x1x2-9,x1x2)<0,
即f(x1)
综上可知,函数f(x)=x+eq \f(9,x)(x>0)的单调递减区间是(0,3],单调递增区间是[3,+∞),
故f(x)的最小值为f(3)=6.
11.已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a-3x+5,x≤1,,\f(2a,x),x>1))是R上的减函数,则实数a的取值范围是( )
A.(0,3) B.(0,3] C.(0,2) D.(0,2]
答案 D
解析 依题意得,实数a满足eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a-3<0,,2a>0,,a-3+5≥2a,))
解得012.(多选)若函数y=ax+1在[1,2]上的最大值与最小值的差为2,则实数a的值可以是( )
A.2 B.-2 C.1 D.0
答案 AB
解析 依题意,当a>0时,y=ax+1在x=2处取得最大值,在x=1处取得最小值,所以2a+1-(a+1)=2,即a=2.
当a<0时,y=ax+1在x=1处取得最大值,在x=2处取得最小值,所以a+1-(2a+1)=2,即a=-2.
13.设f(x)是定义在R上的增函数,f(xy)=f(x)+f(y),f(3)=1,则不等式f(x)+f(-2)>1的解集为________.
答案 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(x\b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\c1(x<-\f(3,2)))))
解析 令y=-2,f(x)+f(-2)=f(-2x),
又f(3)=1,∴不等式f(x)+f(-2)>1,
即为f(-2x)>f(3).
∵f(x)是定义在R上的增函数,
∴-2x>3,
解得x<-eq \f(3,2).
故不等式f(x)+f(-2)>1的解集为eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(x\b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\c1(x<-\f(3,2))))).
14. 已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2+4x,x≥0,,4x-x2,x<0,))若f(4-a)>f(a),则实数a的取值范围是______.
答案 (-∞,2)
解析 画出f(x)的图像(图略)可判断f(x)在R上单调递增,故f(4-a)>f(a)⇔4-a>a,解得a<2.
15. (多选)已知f(x)是定义在R上的增函数,则下列结论中错误的有( )
A.y=[f(x)]2是增函数
B.y=eq \f(1,fx)(f(x)≠0)是减函数
C.y=-f(x)是减函数
D.y=|f(x)|是增函数
答案 ABD
解析 设f(x)=x,满足在R上单调递增.
对于A选项,y=x2在(-∞,0)上单调递减,
故A选项结论错误.
对于B选项,y=eq \f(1,x)在(-∞,0)和(0,+∞)上单调递减,但不能说y=eq \f(1,x)是减函数,
故B选项结论错误.
对于C选项,y=-x是减函数.
以下证明一般性:由于f(x)是定义在R上的增函数,
根据复合函数的单调性同增异减可知,
y=-f(x)是R上的减函数.故C选项结论正确.
对于D选项,y=|x|在(-∞,0)上单调递减,
故D选项结论错误.
16.若f(x)是定义在(0,+∞)上的增函数,且对一切x>0,y>0,满足f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(x,y)))=f(x)-f(y).
(1)求f(1)的值;
(2)若f(6)=1,解不等式f(x+3)-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))<2.
解 (1)在f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(x,y)))=f(x)-f(y)中,
令x=y=1,则有f(1)=f(1)-f(1),
∴f(1)=0.
(2)∵f(6)=1,
∴f(x+3)-f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))<2=f(6)+f(6),
∴f(3x+9)-f(6)
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x+3>0,,\f(x+3,2)<6,))
解得-3
减函数
条件
一般地,设函数y=f(x)的定义域为D,且I⊆D:
如果对任意x1,x2∈I,当x1
结论
y=f(x)在I上是增函数(也称在I上单调递增)
y=f(x)在I上是减函数(也称在I上单调递减)
图像
最大值
最小值
条件
一般地,设函数f(x)的定义域为D,且x0∈D:如果对任意x∈D
都有f(x)≤f(x0)
都有f(x)≥f(x0)
结论
称f(x)的最大值为f(x0),而x0称为f(x)的最大值点
称f(x)的最小值为f(x0),而x0称为f(x)的最小值点
统称
最大值和最小值统称为最值
最大值点和最小值点统称为最值点
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