高中数学人教A版 (2019)选择性必修 第二册5.3 导数在研究函数中的应用教学课件ppt
展开1.借助函数的图象,了解函数在某点取得极值的必要条件和充分条件.2.能利用导数求某些函数的极大值、极小值.
通过理解函数的极值及其应用导数的求解过程,发展学生的直观想象与数学运算素养.
1.极值点与极值的概念
(1)极小值点与极小值如图,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_______,右侧_________,则把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)极大值点与极大值如图,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的左侧________________,右侧_____________,则把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.__________ 、__________统称为极值点,________和________统称为极值.
极值点是函数单调性的转折点,因此若f(x)在(a,b)内有极值,则f(x)在(a,b)内不是单调函数.
2.求函数y=f(x)的极值的方法
解方程f′(x)=0,当f′(x0)=0时:(1)如果在x0附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0,那么f(x0)是________;(2)如果在x0附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0,那么f(x0)是________.
1.思考辨析,判断正误
(1)导数为0的点一定是极值点.( )提示 反例:f(x)=x3,f′(x)=3x2,f′(0)=0,但x=0不是f(x)=x3的极值点.(2)函数的极大值一定大于极小值.( )提示 反例:如图所示:
极大值f(x1)小于极小值f(x2).(3)函数y=f(x)一定有极大值和极小值.( )提示 反例:f(x)=x3既没有极大值,也没有极小值.(4)单调函数不存在极值.( )
2.函数f(x)的定义域为R,它的导函数y=f′(x)的部分图象如图所示,则下面结论错误的是( )
A.在(1,2)上函数f(x)为增函数B.在(3,4)上函数f(x)为减函数C.在(1,3)上函数f(x)有极大值D.x=3是函数f(x)在区间[1,5]上的极小值点
解析 根据导函数图象知,x∈(1,2)时,f′(x)>0,x∈(2,4)时,f′(x)<0,x∈(4,5)时,f′(x)>0.∴f(x)在(1,2),(4,5)上为增函数,在(2,4)上为减函数,x=2是f(x)在[1,5]上的极大值点,x=4是极小值点.故选D.
3.已知f(x)=x3+ax2+(a+6)x+1有极大值和极小值,则a的取值范围为( )A.(-1,2) B.(-3,6)C.(-∞,-1)∪(2,+∞) D.(-∞,-3)∪(6,+∞)
解析 f′(x)=3x2+2ax+a+6,因为f(x)既有极大值又有极小值,∴方程3x2+2ax+a+6=0有两个不相等的实数根,那么Δ=(2a)2-4×3·(a+6)>0,解得a>6或a<-3.
4.函数f(x)=x3-6x+a的极大值为________,极小值为________.
解析 f′(x)=3x2-6,
题型一 不含参数的函数求极值
【例1】 求下列函数的极值: (1)f(x)=(x3-1)2+1;
解 ∵f(x)=(x3-1)2+1=x6-2x3+2,∴f′(x)=6x5-6x2=6x2(x3-1).令f′(x)=0,得x=0或x=1.当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
∴当x=1时,f(x)有极小值,为f(1)=1,f(x)无极大值.
令f′(x)=0,得x=1.当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
从表中可以看出,当x=1时,函数f(x)有极小值,为f(1)=3,f(x)无极大值.
1.求极值的步骤:(1)确定函数的定义域,求导数f′(x);(2)求f′(x)=0在函数定义域内的所有根;(3)用方程f′(x)=0的根将定义域分成若干小区间,列表;(4)由f′(x)在各个小区间内的符号,判断f′(x)=0的根处的极值情况.2.表格给出了当x变化时,y′,y的变化情况,表格直观清楚,容易看出具体的变化情况,并且能判断出是极大值还是极小值,最后得出函数的极大值、极小值.
【训练1】 求函数f(x)=x2e-x的极值.
解 函数f(x)的定义域为R,f′(x)=2xe-x+x2·e-x·(-x)′=2xe-x-x2·e-x=x(2-x)e-x.令f′(x)=0,得x(2-x)·e-x=0,解得x=0或x=2.当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
因此当x=0时,f(x)取得极小值,且极小值为f(0)=0;
题型二 含参数的函数求极值
解 f′(x)=[x2+(a+2)x-2a2+4a]ex.令f′(x)=0,解得x=-2a或x=a-2,
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
所以f(x)在(-∞,-2a),(a-2,+∞)上是增函数,在(-2a,a-2)上是减函数,函数f(x)在x=-2a处取得极大值f(-2a),且f(-2a)=3ae-2a,函数f(x)在x=a-2处取得极小值f(a-2),且f(a-2)=(4-3a)ea-2.
所以f(x)在(-∞,a-2),(-2a,+∞)上是增函数,在(a-2,-2a)上是减函数,函数f(x)在x=a-2处取得极大值f(a-2),且f(a-2)=(4-3a)ea-2,函数f(x)在x=-2a处取得极小值f(-2a),且f(-2a)=3ae-2a.
求解析式中含有参数的函数极值时,有时需要分类才能解决问题.讨论的依据有两种:一是看参数是否对f′(x)的零点有影响,若有影响,则需要分类讨论;二是看f′(x)在其零点附近的符号的确定是否与参数有关,若有关,则需要分类讨论.
解 f(x)定义域为(0,+∞),
令f′(x)>0得x>1,令f′(x)<0得0
①m≥0时,ex+m>0,f(x)在(0,1)递减,在(1,+∞)递增,函数f(x)在x=1处取得极小值,不合题意;②当-e≤m<0时,若x∈(1,+∞),则ex+m≥ex-e>0.此时f′(x)>0,函数f(x)在x=1处不可能取得极大值.③当m<-e时,ln(-m)>1.
函数f(x)在x=1处取得极大值.综上可知,m的取值范围是(-∞,-e).
【例3】 (1)已知函数f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=1处取极值10,则a=( )A.4或-3 B.4或-11C.4 D.-3
题型三 由极值求参数的值或取值范围
解析 ∵f(x)=x3+ax2+bx+a2,∴f′(x)=3x2+2ax+b.
故函数f(x)单调递增,无极值,不符合题意.∴a=4.故选C.
令f′(x)>0,得x>1,f(x)在x=1处取极小值.
f(x)在(0,+∞)上单调递增,无极值.②若a≠-1,此正数解为x≠1,f′(x)=0必有2个不同的正数解,f(x)存在2个极值.综上,a=-1.故选A.
1.已知可导函数的极值求参数问题的解题步骤:(1)求函数的导数f′(x);(2)由极值点的导数值为0,列出方程(组),求解参数.注意:求出参数后,一定要验证是否满足题目的条件.2.对于函数无极值的问题,往往转化为f′(x)≥0或f′(x)≤0在某区间内恒成立的问题,此时需注意不等式中的等号是否成立.
【训练3】 若x=2是函数f(x)=x(x-m)2的极大值点,求函数f(x)的极大值.
解 ∵f′(x)=(x-m)(3x-m),且f′(2)=0,∴(m-2)(m-6)=0,即m=2或m=6.(1)当m=2时,f′(x)=(x-2)(3x-2),
∴x=2是f(x)的极小值点,不合题意,故m=2舍去.(2)当m=6时,f′(x)=(x-6)(3x-6),由f′(x)>0得x<2或x>6;由f′(x)<0得2
一、选择题1.(多选题)定义在R上的可导函数y=f(x)的导函数的图象如图所示,以下结论正确的是( )
A.-3是f(x)的一个极小值点B.-2和-1都是f(x)的极大值点C.f(x)的单调递增区间是(-3,+∞)D.f(x)的单调递减区间是(-∞,-3)
解析 当x<-3时,f′(x)<0,x∈(-3,+∞)时f′(x)≥0,∴-3是极小值点,无极大值点,增区间是(-3,+∞),减区间是(-∞,-3).故选ACD.
2.函数f(x)=ln x-x在区间(0,e)上的极大值为( )A.-e B.1-e C.-1 D.0
令f′(x)=0,得x=1.当x∈(0,1)时,f′(x)>0,当x∈(1,e)时,f′(x)<0,故f(x)在x=1处取得极大值f(1)=ln 1-1=0-1=-1.
3.若函数f(x)=x3-3bx+3在(-1,2)内有极值,则实数b的取值范围是( )A.(0,4) B.[0,4)C.[1,4) D.(1,4)解析 f′(x)=3x2-3b=0,即x2=b.又∵f(x)在(-1,2)内有极值,∴f′(x)在(-1,2)内有变号零点,∴0≤b<4.当b=0时,f(x)=x3+3在R上单调递增,没有极值,故选A.
4.(多选题)已知函数f(x)的定义域为R且导函数为f′(x),如图是函数y=xf′(x)的图象,则下列说法正确的是( )
A.函数f(x)的增区间是(-2,0),(2,+∞)B.函数f(x)的增区间是(-∞,-2),(2,+∞)C.x=-2是函数的极小值点D.x=2是函数的极小值点
解析 由题意,当0
5.若函数f(x)=ex-ax-b在R上有小于0的极值点,则实数a的取值范围是( )A.(-1,0) B.(0,1)C.(-∞,-1) D.(1,+∞)
解析 由题意知f′(x)=ex-a.当a≤0时,f′(x)>0恒成立,则f(x)在R上单调递增,不符合题意.当a>0时,令f′(x)=0,解得x=ln a,∴当x∈(-∞,ln a)时,f′(x)<0;当x∈(ln a,+∞)时,f′(x)>0.可知x=ln a为f(x)的极值点,∴ln a<0,∴a∈(0,1).故选B.
二、填空题6.函数f(x)=ax3+bx在x=1处有极值-2,则a,b的值分别为a=________,b=________.
解析 ∵f′(x)=3ax2+b,又当x=1时有极值-2,∵f′(1)=3a+b=0,①a+b=-2,②
7.函数f(x)=x3+3ax2+3(a+2)x+3既有极大值又有极小值,则实数a的取值范围是_______________________.
(-∞,-1)∪(2,+∞)
解析 f′(x)=3x2+6ax+3(a+2),令f′(x)=0,即x2+2ax+a+2=0,∵函数f(x)有极大值和极小值,∴方程x2+2ax+a+2=0有两个不相等的实数根,即Δ=4a2-4a-8>0,解得a>2或a<-1.
8.函数f(x)=ax-1-ln x(a≤0)在定义域内的极值点的个数为________.
所以当a≤0时,f′(x)<0在(0,+∞)上恒成立,所以函数f(x)在(0,+∞)上是单调递减,所以f(x)在(0,+∞)上没有极值点.
解 函数的定义域为R.
令f′(x)=0,得x=-1,或x=1.当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
由上表可以看出:当x=-1时,函数有极小值,且极小值为f(-1)=-3;当x=1时,函数有极大值,且极大值为f(1)=-1.
10.设x=1与x=2是函数f(x)=aln x+bx2+x的两个极值点.(1)试确定常数a和b的值;(2)判断x=1,x=2是函数f(x)的极大值点还是极小值点,并说明理由.
解 (1)∵f(x)=aln x+bx2+x,
由极值点的必要条件可知:f′(1)=f′(2)=0,
当x∈(0,1)∪(2,+∞)时,f′(x)<0;当x∈(1,2)时,f′(x)>0;所以,x=1是函数f(x)的极小值点,x=2是函数f(x)的极大值点.
12.函数f(x)=ex(x-aex)恰有两个极值点x1,x2(x1
解 易知函数f(x)的定义域为(0,+∞),
令f′(x)=0,得x=1或x=-1(舍去).当x∈(0,1)时,f′(x)<0,因此函数f(x)在(0,1)上是减函数;当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,因此函数f(x)在(1,+∞)上是增函数.
当x>1时,F′(x)<0,故F(x)在区间[1,+∞)上是减函数,
因此,当a=1时,在区间[1,+∞)上,函数f(x)的图象在函数g(x)的图象的下方.
要使f(x)无极值,只需f′(x)≥0或f′(x)≤0恒成立即可.设g(x)=-2x2+(k+4)x-2k,∵ex>0,∴f′(x)与g(x)同号.∵g(x)的二次项系数为-2,∴只能满足g(x)≤0恒成立,∴Δ=(k+4)2-16k=(k-4)2≤0,解得k=4,∴当k=4时,f(x)无极值.
(2)试确定k的值,使f(x)的极小值为0.
∴k=0,满足k<4.
由题意知f(2)=0,可得2×22-2k+k=0,∴k=8,满足k>4.综上,当k=0或k=8时,f(x)有极小值0.
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