2021高考数学二轮复习专题二第3讲:导数的简单应用
展开第三讲 导数的简单应用
考点一 导数的几何意义
1.导数公式
(1)(sinx)′=cosx;
(2)(cosx)′=-sinx;
(3)(ax)′=axlna(a>0);
(4)(logax)′=(a>0,且a≠1).
2.导数的几何意义
函数f(x)在x0处的导数是曲线f(x)在点P(x0,f(x0))处的切线的斜率,曲线f(x)在点P处的切线的斜率k=f ′(x0),相应的切线方程为y-f(x0)=f ′(x0)·(x-x0).
[对点训练]
1.(2018·兰州质检)曲线f(x)=x3-x+3在点P处的切线平行于直线y=2x-1,则P点的坐标为( )
A.(1,3) B.(-1,3)
C.(1,3)和(-1,3) D.(1,-3)
[解析] f ′(x)=3x2-1,令f′(x)=2,则3x2-1=2,解得x=1或x=-1,
∴P(1,3)或(-1,3).经检验,点(1,3),(-1,3)均不在直线y=2x-1上,故选C.
[答案] C
2.(2018·大同模拟)过点(1,-1)且与曲线y=x3-2x相切的切线方程为( )
A.x-y-2=0或5x+4y-1=0
B.x-y-2=0
C.x-y+2=0
D.x-y-2=0或4x+5y+1=0
[解析] 设切点坐标为(x0,y0),y0=x-2x0,则曲线在(x0,y0)处的切线斜率为y′=3x-2,当x0=1时斜率为1,切线方程为x-y-2=0,当x0≠1时,过(1,-1)点的切线的斜率为=x+x0-1=3x-2,解得x0=-,其斜率为-,切线方程为5x+4y-1=0,所以A正确,故选A.
[答案] A
3.(2018·西安质检)已知直线y=-x+m是曲线y=x2-3lnx的一条切线,则m的值为( )
A.0 B.2 C.1 D.3
[解析] 因为直线y=-x+m是曲线y=x2-3lnx的切线,所以令y′=2x-=-1,得x=1,x=-(舍),即切点为(1,1),又切点(1,1)在直线y=-x+m上,所以m=2,故选B.
[答案] B
4.若曲线y=在点(a,)处的切线与两个坐标轴围成的三角形的面积为2,则a=________.
[解析] y==x,∴y′=x,于是曲线在点(a,)处的切线方程为y-=(x-a),令x=0,得y=;令y=0,得x=-a,∴三角形的面积S=··|-a|==2,解得a=4.
[答案] 4
[快速审题] 看到求切线,想到用导数的几何意义.
求曲线y=f(x)的切线方程的3种类型及方法
(1)已知切点P(x0,y0),求切线方程
求出切线的斜率f′(x0),由点斜式写出方程;
(2)已知切线的斜率k,求切线方程
设切点P(x0,y0),通过方程k=f′(x0)解得x0,再由点斜式写出方程;
(3)已知切线上一点(非切点),求切线方程
设切点P(x0,y0),利用导数求得切线斜率f′(x0),再由斜率公式求得切线斜率,列方程(组)解得x0,再由点斜式或两点式写出方程.
考点二 利用导数研究函数的单调性
1.若求函数的单调区间(或证明单调性),只要在其定义域内解(或证明)不等式f ′(x)>0或f ′(x)<0即可.
2.若已知函数的单调性,则转化为不等式f ′(x)≥0或f ′(x)≤0在单调区间上恒成立问题来求解.
角度1:根据函数的单调性,利用导数求某些参数的取值范围
[解题指导] →→
[解析] 由题意得f′(x)=2x+a+=≥0在(1,+∞)上恒成立,
∴g(x)=2x2+ax+3≥0在(1,+∞)上恒成立,∴Δ=a2-24≤0或
∴-2≤a≤2或
即a≥-2,故选C.
[答案] C
角度2:利用函数的单调性与导数的关系,讨论含有参数的较复杂基本函数的单调性
[解] 函数f(x)的定义域是(0,+∞),f′(x)=,令h(x)=-ax2+x-a,
记Δ=1-4a2,当Δ≤0时,即a≥时,
-ax2+x-a≤0,f′(x)≤0,
此时函数f(x)在(0,+∞)上递减.
当Δ=1-4a2>0,即当0 由-ax2+x-a=0,解得:x1=,x2=,
显然x1>x2>0,
故此时函数f(x)在上递增,
在和上递减,
综上,0 函数f(x)在上递增,
在和上递减,
a≥时,函数f(x)在(0,+∞)上递减.
[探究追问1] 若把例2的条件“a>0”变为“a∈R”,其他条件不变,则f(x)的单调性如何?
[解] 由例2解的内容知:f′(x)=,x∈(0,+∞),
令h(x)=-ax2+x-a.
当a≤0时,h(x)>0恒成立,所以f′(x)>0,故f(x)在(0,+∞)上单调递增,
当a>0时,同例2解的内容.
综上:a≤0时,函数f(x)在(0,+∞)上递增.
0 在和上递减,
a≥时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递减.
[探究追问2] 若将例2中函数“f(x)”变为“f(x)=+(1-a)lnx+ax”,“a>0”变为“a∈R”试讨论f(x)的单调性.
[解] 函数f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=-++a
==.
当a=0时,f′(x)=,
令f′(x)>0,则x>1,
令f′(x)<0,则0
当a≠0时,f′(x)=,
①当a>0时,x+>0,令f′(x)>0,则x>1,令f′(x)<0,则0
②当a=-1时,1=-,f′(x)=≤0,
所以函数f(x)在定义域(0,+∞)上单调递减;
③当-10,
则1
④当a<-1时,1>-,令f′(x)>0,则-
综上,当a≥0时,函数f(x)在区间(0,1)上单调递减,在区间(1,+∞)上单调递增;
当a=-1时,函数f(x)在定义域(0,+∞)上单调递减;
当-1 当a<-1时,函数f(x)在区间,(1+∞)上单调递减,在区间上单调递增.
利用导数研究函数单调性的3个关注点
(1)利用导数研究函数的单调性,大多数情况下归结为对含有参数的不等式的解集的讨论.
(2)在能够通过因式分解求出不等式对应方程的根时,依据根的大小进行分类讨论.
(3)在不能通过因式分解求出根时,根据一元二次不等式对应方程的判别式或特殊值进行分类讨论.
[对点训练]
1.[角度1]若函数f(x)=x+-mlnx在[1,2]上为减函数,则m的最小值为( )
A. B. C. D.
[解析] 因为f(x)=x+-mlnx在[1,2]上为减函数,所以f ′(x)=1--=≤0在[1,2]上恒成立,所以x2-mx-4m≤0在[1,2]上恒成立.令g(x)=x2-mx-4m,所以所以m≥,故m的最小值为,故选C.
[答案] C
2.[角度2]已知函数f(x)=ax2-x+lnx(a∈R),求函数f(x)的单调区间.
[解] 函数f(x)的定义域为(0,+∞),f ′(x)=2ax-1+=.
①当a=0时, f ′(x)=.
显然,当x∈(0,1)时, f ′(x)>0,函数f(x)单调递增;
当x∈(1,+∞)时, f ′(x)<0,函数f(x)单调递减.
②当a≠0时,对于2ax2-x+1=0,Δ=(-1)2-4×2a×1=1-8a.
若Δ≤0,即a≥,因为a>0,所以2ax2-x+1≥0恒成立,即f ′(x)≥0恒成立,所以函数f(x)在(0,+∞)上单调递增.
若Δ>0,即0 当a<0时,x1>0,x2<0.
当x∈时,2ax2-x+1>0, f ′(x)>0,函数f(x)单调递增;
当x∈时,2ax2-x+1<0, f ′(x)<0,函数f(x)单调递减.
当0x1>0.
当x∈时,2ax2-x+1>0, f ′(x)>0,函数f(x)单调递增;
当x∈时,2ax2-x+1<0, f ′(x)<0,函数f(x)单调递减;
当x∈时,2ax2-x+1>0, f ′(x)>0,函数f(x)单调递增.
综上,当a=0时, f(x)的单调递增区间为(0,1),单调递减区间为(1,+∞);
当a≥时,函数f(x)的单调递增区间为(0,+∞),无单调递减区间;
当0 当a<0时,函数f(x)的单调递增区间为,单调递减区间为.
考点三 利用导数研究函数的极值与最值
1.若在x0附近左侧f ′(x)>0,右侧f ′(x)<0,则f(x0)为函数f(x)的极大值;若在x0附近左侧f ′(x)<0,右侧f ′(x)>0,则f(x0)为函数f(x)的极小值.
2.设函数y=f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,则f(x)在[a,b]上必有最大值和最小值且在极值点或端点处取得.
角度1:根据函数极值的存在情况,利用导数求某些参数的取值范围
[解析] f ′(x)=+x-,由f ′(x)=0得(x-m)=0,∴x=m或x=.显然m>0.当且仅当0
[答案] B
角度2:利用函数的极值与导数的关系,求某些含有参数的较复杂基本函数的极值的大小、个数或最值
[解题指导] (1)→→
(2)→→→
[解] (1)由题设知,函数f(x)的定义域为(0,+∞), f ′(x)=,且f ′(x)=0有两个不同的正根,即x2-ax+a=0有两个不同的正根,则
∴a>4.
(2)不等式f(x1)+f(x2)<λ(x1+x2)恒成立等价于λ>恒成立.
f(x1)+f(x2)=alnx1+x-ax1+alnx2+x-ax2.
由(1)可知x1+x2=a,x1x2=a,
∴f(x1)+f(x2)=a(lnx1+lnx2)+(x+x)-a(x1+x2)
=aln(x1x2)+[(x1+x2)2-2x1x2]-a(x1+x2)
=alna+(a2-2a)-a2=a,
∴=lna-a-1,
令y=lna-a-1,则y′=-.
∵a>4,∴y′<0,
∴y=lna-a-1在(4,+∞)上单调递减,
∴y
研究极值、最值问题的3个关注点
(1)求函数f(x)的极值,则先求方程f′(x)=0的根,再检查f′(x)在方程根的左右函数值的符号.
(2)若已知极值大小或存在情况,则转化为已知方程f′(x)=0根的大小或存在情况来求解.
(3)求函数f(x)在闭区间[a,b]的最值时,在得到极值的基础上,结合区间端点的函数值f(a),f(b)与f(x)的各极值进行比较得到函数的最值.
[对点训练]
1.[角度1](2018·福建泉州一模)函数f(x)=ax3+(a-1)x2-x+2(0≤x≤1)在x=1处取得最小值,则实数a的取值范围是( )
A.(-∞,0] B.
C. D.(-∞,1]
[解析] f′(x)=3ax2+2(a-1)x-1,x∈[0,1],
a=0时,f′(x)=-2x-1<0,
f(x)在[0,1]上单调递减,f(x)min=f(1)符合题意;
a≠0时,Δ=4(a2+a+1)>0,
x1=,x2=,
a>0时,若f(x)在x=1处取最小值,
只需x1≤0且x2≥1,解得0 a<0时,若f(x)在x=1处取最小值,
只需x1≥1或x2≤0,解得a<0;
综上a≤,故选C.
[答案] C
2.[角度2](2017·北京卷)已知函数f(x)=excosx-x.
(1)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)求函数f(x)在区间上的最大值和最小值.
[解] (1)∵f(x)=ex·cosx-x,
∴f(0)=1,
f′(x)=ex(cosx-sinx)-1,∴f′(0)=0,
∴y=f(x)在(0,f(0))处的切线方程为y-1=0·(x-0),即y=1.
(2)f′(x)=ex(cosx-sinx)-1,令g(x)=f′(x),
则g′(x)=-2sinx·ex≤0在上恒成立,且仅在x=0处等号成立,
∴g(x)在上单调递减,
∴g(x)≤g(0)=0,∴f′(x)≤0且仅在x=0处等号成立,
∴f(x)在上单调递减,
∴f(x)max=f(0)=1,f(x)min=f=-.
1.(2018·全国卷Ⅰ)设函数f(x)=x3+(a-1)x2+ax.若f(x)为奇函数,则曲线y=f(x)在点(0,0)处的切线方程为( )
A.y=-2x B.y=-x
C.y=2x D.y=x
[解析] ∵f(x)=x3+(a-1)x2+ax为奇函数,∴a-1=0,解得a=1,∴f(x)=x3+x,∴f′(x)=3x2+1,
∴f′(0)=1,故曲线y=f(x)在点(0,0)处的切线方程为y=x,故选D.
[答案] D
2.(2018·天津卷)已知函数f(x)=exlnx,f′(x)为f(x)的导函数,则f′(1)的值为________.
[解析] ∵f(x)=exlnx,∴f′(x)=ex,
∴f′(1)=e1×(ln1+1)=e.
[答案] e
3.(2018·全国卷Ⅲ)曲线y=(ax+1)ex在点(0,1)处的切线的斜率为-2,则a=________.
[解析] 设f(x)=(ax+1)ex,则f′(x)=(ax+a+1)ex,所以曲线在点(0,1)处的切线的斜率k=f′(0)=a+1=-2,解得a=-3.
[答案] -3
4.(2018·北京卷)设函数f(x)=[ax2-(3a+1)x+3a+2]ex.
(1)若曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线斜率为0,求a;
(2)若f(x)在x=1处取得极小值,求a的取值范围.
[解] (1)因为f(x)=[ax2-(3a+1)x+3a+2]ex,所以f′(x)=[ax2-(a+1)x+1]ex.
f′(2)=(2a-1)e2.
由题设知f′(2)=0,即(2a-1)e2=0,解得a=.
(2)由(1)得f′(x)=[ax2-(a+1)x+1]ex=(ax-1)(x-1)ex.
若a>1,则当x∈时,f′(x)<0;
当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0.
所以f(x)在x=1处取得极小值.
若a≤1,则当x∈(0,1)时,ax-1≤x-1<0,
所以f′(x)>0.
所以1不是f(x)的极小值点.
综上可知,a的取值范围是(1,+∞).
1.高考对导数的几何意义的考查,多在选择、填空题中出现,难度较小,有时出现在解答题第一问.
2.高考重点考查导数的应用,即利用导数研究函数的单调性、极值、最值问题,多在选择、填空的后几题中出现,难度中等.有时出现在解答题第一问.
热点课题6 导数与函数的单调性与最值
[感悟体验]
已知函数f(x)=ax2-(a+2)x+lnx,其中a∈R.
(1)当a=1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)当a>0时,若f(x)在区间[1,e]上的最小值为-2,求a的取值范围.
[解] (1)当a=1时,f(x)=x2-3x+lnx(x>0),
所以f′(x)=2x-3+=,
所以f(1)=-2,f′(1)=0.
所以切线方程为y=-2.
(2)函数f(x)=ax2-(a+2)x+lnx的定义域为(0,+∞),
当a>0时,f′(x)=2ax-(a+2)+==,
令f′(x)=0,解得x=或x=.
①当0<≤1,即a≥1时,f(x)在[1,e]上单调递增.
所以f(x)在[1,e]上的最小值为f(1)=-2,符合题意;
②当1<
专题跟踪训练(十二)
一、选择题
1.(2018·福建福州八校联考)已知函数f(x)的导函数是f′(x),且满足f(x)=2xf′(1)+ln,则f(1)=( )
A.-e B.2 C.-2 D.e
[解析] 由已知得f′(x)=2f′(1)-,令x=1得f′(1)=2f′(1)-1,解得f′(1)=1,则f(1)=2f′(1)=2,故选B.
[答案] B
2.函数f(x)=x+的极值情况是( )
A.当x=1时,取极小值2,但无极大值
B.当x=-1时,取极大值-2,但无极小值
C.当x=-1时,取极小值-2;当x=1时,取极大值2
D.当x=-1时,取极大值-2;当x=1时,取极小值2
[解析] 求导得f′(x)=1-,令f′(x)=0,得x=±1,函数f(x)在区间(-∞,-1)和(1,+∞)上单调递增,在(-1,0)和(0,1)上单调递减,所以当x=-1时,取极大值-2,当x=1时,取极小值2,故选D.
[答案] D
3.(2018·聊城模拟)已知函数y=xf′(x)的图象如图所示(其中f′(x)是函数f(x)的导函数),则下面四个图象中,y=f(x)的图象大致是( )
[解析] 由题图知当0
所以当x=1时,函数f(x)取得极小值.
当x<-1时,xf′(x)<0,此时f′(x)>0,函数f(x)递增,当-1
[答案] C
4.(2018·南昌一模)若函数f(x)=x+alnx不是单调函数,则实数a的取值范围是( )
A.[0,+∞) B.(-∞,0]
C.(-∞,0) D.(0,+∞)
[解析] 由题意知x>0,f′(x)=1+,要使函数f(x)=x+alnx不是单调函数,则方程1+=0在x>0上有解,则x=-a,所以a<0,故选C.
[答案] C
5.(2018·海南八校联考)已知函数f(x)=3lnx-x2+x在区间(1,3)上有最大值,则实数a的取值范围是( )
A. B.
C. D.
[解析] 因为f′(x)=-2x+a-,所以结合题意可得f′(x)=-2x+a-在(1,3)上只有一个零点且单调递减,则问题转化为即解得- [答案] B
6.(2018·石家庄二中一模)已知对∀x∈(0,+∞),不等式lnx+1≥m-(n>0)恒成立,则的最大值是( )
A.1 B.-1 C.e D.-e
[解析] 不等式lnx+1≥m-可化为lnx+1-m+≥0,令F(x)=lnx+1-m+(x>0),则F′(x)=-=,所以当x=n时,F(x)min=lnn+2-m,则lnn+2-m≥0⇒m≤2+lnn(n>0).所以≤.令G(n)=,则令G′(n)==0,可得n=,故G(n)max==e,即≤≤e,故选C.
[答案] C
二、填空题
7.(2018·武汉模拟)设曲线y=在点(3,2)处的切线与直线ax+y+1=0垂直,则a=________.
[解析] 因为y=,所以y′=-,则曲线y=在点(3,2)处的切线的斜率为y′=-.又因为切线与直线ax+y+1=0垂直,所以-·(-a)=-1,解得a=-2.
[答案] -2
8.(2018·南宁二模)曲线f(x)=xlnx在点(1,f(1))处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积是________.
[解析] 因为f′(x)=1+lnx,且f(1)=0,f′(1)=1,所以切线l的斜率k=1,切线方程为y=x-1.令x=0,得y=-1,令y=0,得x=1,∴切线l与两坐标轴的交点坐标分别为A(0,-1),B(1,0),则|OA|=1,|OB|=1,∴S△ABO=×1×1=.
[答案]
9.(2018·河南安阳调研)已知函数f(x)=lnx+ax2-2x存在单调递减区间,则实数a的取值范围为________.
[解析] f′(x)=+ax-2=(x>0),函数f(x)存在单调递减区间,即定义域(0,+∞)内存在区间使ax2-2x+1≤0,等价于a小于在x∈(0,+∞)上的最大值,设g(x)=,则g′(x)=,可知,函数g(x)在区间(0,1)为增函数,在区间(1,+∞)为减函数,所以当x=1时,函数g(x)取得最大值,此时g(x)=1,所以a<1,故填(-∞,1).
[答案] (-∞,1)
三、解答题
10.(2018·贵阳模拟)已知函数f(x)=-lnx.
(1)求f(x)的单调区间;
(2)求函数f(x)在上的最大值和最小值(其中e是自然对数的底数).
[解] (1)f(x)=-lnx=1--lnx,
f(x)的定义域为(0,+∞).
∵f′(x)=-=,由f′(x)>0⇒0
∴f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减.
(2)由(1)得f(x)在上单调递增,在[1,e]上单调递减,
∴f(x)在上的最大值为f(1)=1--ln1=0.
又f=1-e-ln=2-e,f(e)=1--lne=-,且f
综上,f(x)在上的最大值为0,最小值为2-e.
11.已知a∈R,函数f(x)=(-x2+ax)ex(x∈R,e为自然对数的底数).
(1)当a=2时,求函数f(x)的单调递增区间;
(2)若函数f(x)在(-1,1)上单调递增,求a的取值范围;
(3)函数f(x)是否为R上的单调减函数?若是,求出a的取值范围?若不是,请说明理由.
[解] (1)当a=2时,f(x)=(-x2+2x)ex,
所以f′(x)=(-2x+2)ex+(-x2+2x)ex=(-x2+2)ex.
令f′(x)>0,即(-x2+2)ex>0,
因为ex>0,所以-x2+2>0,
解得-
(2)因为函数f(x)在(-1,1)上单调递增,
所以f′(x)≥0对x∈(-1,1)都成立.
因为f′(x)=(-2x+a)ex+(-x2+ax)ex=[-x2+(a-2)x+a]ex,
所以[-x2+(a-2)x+a]ex≥0对x∈(-1,1)都成立.
因为ex>0,所以-x2+(a-2)x+a≥0,
则a≥==(x+1)-对x∈(-1,1)都成立.
令g(x)=(x+1)-,
则g′(x)=1+>0.
所以g(x)=(x+1)-在(-1,1)上单调递增.
所以g(x)
(3)若函数f(x)在R上单调递减,则f′(x)≤0对x∈R都成立,即[-x2+(a-2)x+a]ex≤0对x∈R都成立,
因为ex>0,所以x2-(a-2)x-a≥0对x∈R都成立.
所以Δ=(a-2)2+4a≤0,即a2+4≤0,这是不可能的.
故函数f(x)不可能在R上单调递减.
12.(2018·辽宁五校模拟)已知函数f(x)=2lnx+x2-2ax(a>0).
(1)讨论函数f(x)的单调性;
(2)若函数f(x)有两个极值点x1,x2(x1
f′(x)=,令x2-ax+1=0,则Δ=a2-4,
①当0 函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;
②当a>2时,Δ>0,方程x2-ax+1=0有两个不同的实根,分别设为x3,x4,不妨令x3
f′(x)<0,当x∈(x4,+∞)时,f′(x)>0,
所以函数f(x)在上单调递增,在上单调递减,在上单调递增.
综上:当02时,f(x)在上单调递增,在上单调递减,在上单调递增.
(2)由(1)得f(x)在(x1,x2)上单调递减,x1+x2=a,x1·x2=1,
则f(x1)-f(x2)=2ln+(x1-x2)(x1+x2-2a)=2ln+=2ln+-,
令t=,则0
故g(t)=f(x1)-f(x2)≥-2ln2=g,即0
所以h′(t)=1-<0在t∈上恒成立,
故h(t)=t++2在上单调递减,
从而a2≥,
故a的取值范围是.
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