高考数学一轮复习讲义第2章第2节函数的单调性与最值
展开1.函数的单调性
(1)单调函数的定义
(2)单调区间的定义
如果函数y=f(x)在区间D上是增函数或减函数,那么就说函数y=f(x)在这一区间具有(严格的)单调性,区间D叫做y=f(x)的单调区间.
2.函数的最值
【知识拓展】
函数单调性的常用结论
(1)对∀x1,x2∈D(x1≠x2),eq \f(fx1-fx2,x1-x2)>0⇔f(x)在D上是增函数,eq \f(fx1-fx2,x1-x2)<0⇔f(x)在D上是减函数.
(2)对勾函数y=x+eq \f(a,x)(a>0)的增区间为(-∞,-eq \r(a)]和[eq \r(a),+∞),减区间为[-eq \r(a),0)和(0,eq \r(a)].
(3)在区间D上,两个增函数的和仍是增函数,两个减函数的和仍是减函数.
(4)函数f(g(x))的单调性与函数y=f(u)和u=g(x)的单调性的关系是“同增异减”.
【思考辨析】
判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)若定义在R上的函数f(x),有f(-1)
(3)函数y=eq \f(1,x)的单调递减区间是(-∞,0)∪(0,+∞).( × )
(4)所有的单调函数都有最值.( × )
(5)如果一个函数在定义域内的某几个子区间上都是增函数,则这个函数在定义域上是增函数.( × )
(6)闭区间上的单调函数,其最值一定在区间端点取到.( √ )
1.(2016·北京)下列函数中,在区间(-1,1)上为减函数的是( )
A.y=eq \f(1,1-x)B.y=cs x
C.y=ln(x+1) D.y=2-x
答案 D
解析 y=eq \f(1,1-x)与y=ln(x+1)在区间(-1,1)上为增函数;
y=cs x在区间(-1,1)上不是单调函数;y=2-x=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))x在(-1,1)上单调递减.
2.若函数f(x)=|2x+a|的单调递增区间是[3,+∞),则a的值为( )
A.-2 B.2 C.-6 D.6
答案 C
解析 由图象易知函数f(x)=|2x+a|的单调增区间是[-eq \f(a,2),+∞),令-eq \f(a,2)=3,得a=-6.
3.(2016·广州模拟)函数y=x2+2x-3(x>0)的单调增区间为________.
答案 (0,+∞)
解析 函数的对称轴为x=-1,又x>0,
所以函数f(x)的单调增区间为(0,+∞).
4.(教材改编)已知函数f(x)=x2-2ax-3在区间[1,2]上是增函数,则实数a的取值范围为________________________________________________________________________.
答案 (-∞,1]
解析 函数f(x)=x2-2ax-3的图象开口向上,对称轴为直线x=a,画出草图如图所示.
由图象可知函数f(x)的单调递增区间是[a,+∞),由[1,2]⊆[a,+∞),可得a≤1.
5.(教材改编)已知函数f(x)=eq \f(2,x-1),x∈[2,6],则f(x)的最大值为________,最小值为________.
答案 2 eq \f(2,5)
解析 可判断函数f(x)=eq \f(2,x-1)在[2,6]上为减函数,所以f(x)max=f(2)=2,f(x)min=f(6)=eq \f(2,5).
题型一 确定函数的单调性(区间)
命题点1 给出具体解析式的函数的单调性
例1 (1)函数的单调递增区间是( )
A.(0,+∞) B.(-∞,0)
C.(2,+∞) D.(-∞,-2)
(2)y=-x2+2|x|+3的单调递增区间为________.
答案 (1)D (2)(-∞,-1],[0,1]
解析 (1)因为t>0在定义域上是减函数,所以求原函数的单调递增区间,即求函数t=x2-4的单调递减区间,结合函数的定义域,可知所求区间为(-∞,-2).
(2)由题意知,当x≥0时,y=-x2+2x+3=-(x-1)2+4;当x<0时,y=-x2-2x+3=-(x+1)2+4,
二次函数的图象如图.
由图象可知,函数y=-x2+2|x|+3在(-∞,-1],[0,1]上是增函数.
命题点2 解析式含参数的函数的单调性
例2 已知函数f(x)=eq \f(ax,x2-1)(a>0),用定义法判断函数f(x)在(-1,1)上的单调性.
解 设-1
=eq \f(ax1x\\al(2,2)-ax1-ax2x\\al(2,1)+ax2,x\\al(2,1)-1x\\al(2,2)-1)=eq \f(ax2-x1x1x2+1,x\\al(2,1)-1x\\al(2,2)-1)
∵-1
又∵a>0,∴f(x1)-f(x2)>0,
∴函数f(x)在(-1,1)上为减函数.
引申探究
如何用导数法求解例2?
解 f′(x)=eq \f(a·x2-1-ax·2x,x2-12)=eq \f(-ax2+1,x2-12),
∵a>0,∴f′(x)<0在(-1,1)上恒成立,
故函数f(x)在(-1,1)上为减函数.
思维升华 确定函数单调性的方法:(1)定义法和导数法,证明函数单调性只能用定义法和导数法;(2)复合函数法,复合函数单调性的规律是“同增异减”;(3)图象法,图象不连续的单调区间不能用“∪”连接.
(1)已知函数f(x)=eq \r(x2-2x-3),则该函数的单调递增区间为( )
A.(-∞,1] B.[3,+∞)
C.(-∞,-1] D.[1,+∞)
答案 B
解析 设t=x2-2x-3,则t≥0,即x2-2x-3≥0,
解得x≤-1或x≥3.所以函数的定义域为(-∞,-1]∪[3,+∞).
因为函数t=x2-2x-3的图象的对称轴为x=1,
所以函数t在(-∞,-1]上单调递减,
在[3,+∞)上单调递增.
所以函数f(x)的单调递增区间为[3,+∞).
(2)已知函数f(x)=ln x+mx2(m∈R),求函数f(x)的单调区间.
解 (导数法)依题意知f(x)的定义域为(0,+∞).
对f(x)求导,得f′(x)=eq \f(1,x)+2mx=eq \f(1+2mx2,x).
当m≥0时,f′(x)>0,f(x)在(0,+∞)上单调递增.
当m<0时,令f′(x)=0,得x=eq \r(-\f(1,2m)).
当x∈(0, eq \r(-\f(1,2m)))时,f′(x)>0,
所以f(x)在(0, eq \r(-\f(1,2m)))上单调递增;
当x∈( eq \r(-\f(1,2m)),+∞)时,f′(x)<0,
所以f(x)在( eq \r(-\f(1,2m)),+∞)上单调递减.
题型二 函数的最值
例3 (1)函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(1,x),x≥1,,-x2+2,x<1))的最大值为________.
答案 2
解析 当x≥1时,函数f(x)=eq \f(1,x)为减函数,所以f(x)在x=1处取得最大值,为f(1)=1;当x<1时,易知函数f(x)=-x2+2在x=0处取得最大值,为f(0)=2.
故函数f(x)的最大值为2.
(2)已知f(x)=eq \f(x2+2x+a,x),x∈[1,+∞),且a≤1.
①当a=eq \f(1,2)时,求函数f(x)的最小值;
②若对任意x∈[1,+∞),f(x)>0恒成立,试求实数a的取值范围.
解 ①当a=eq \f(1,2)时,f(x)=x+eq \f(1,2x)+2,
又x∈[1,+∞),所以f′(x)=1-eq \f(1,2x2)>0,即f(x)在[1,+∞)上是增函数,
所以f(x)min=f(1)=1+eq \f(1,2×1)+2=eq \f(7,2).
②f(x)=x+eq \f(a,x)+2,x∈[1,+∞).
(ⅰ)当a≤0时,f(x)在[1,+∞)内为增函数.
最小值为f(1)=a+3.
要使f(x)>0在x∈[1,+∞)上恒成立,只需a+3>0,
所以-3(ⅱ)当0因为x∈[1,+∞),所以f′(x)≥0,即f(x)在[1,+∞)上为增函数,
所以f(x)min=f(1)=a+3,
即a+3>0,a>-3,所以0综上所述,f(x)在[1,+∞)上恒大于零时,
a的取值范围是(-3,1].
思维升华 求函数最值的五种常用方法及其思路
(1)单调性法:先确定函数的单调性,再由单调性求最值.
(2)图象法:先作出函数的图象,再观察其最高点、最低点,求出最值.
(3)基本不等式法:先对解析式变形,使之具备“一正二定三相等”的条件后用基本不等式求出最值.
(4)导数法:先求导,然后求出在给定区间上的极值,最后结合端点值,求出最值.
(5)换元法:对比较复杂的函数可通过换元转化为熟悉的函数,再用相应的方法求最值.
(1)函数y=x+eq \r(x-1)的最小值为________.
(2)函数f(x)=eq \f(x2+8,x-1)(x>1)的最小值为________.
答案 (1)1 (2)8
解析 (1)易知函数y=x+eq \r(x-1)在[1,+∞)上为增函数,∴x=1时,ymin=1.(本题也可用换元法求解)
(2)方法一 (基本不等式法)f(x)=eq \f(x2+8,x-1)=eq \f(x-12+2x-1+9,x-1)
=(x-1)+eq \f(9,x-1)+2≥2 eq \r(x-1·\f(9,x-1))+2=8,
当且仅当x-1=eq \f(9,x-1),即x=4时,f(x)min=8.
方法二 (导数法)f′(x)=eq \f(x-4x+2,x-12),
令f′(x)=0,得x=4或x=-2(舍去).
当1
当x>4时,f′(x)>0,
f(x)在(4,+∞)上是递增的,
所以f(x)在x=4处取到极小值也是最小值,
即f(x)min=f(4)=8.
题型三 函数单调性的应用
命题点1 比较大小
例4 已知函数f(x)的图象向左平移1个单位后关于y轴对称,当x2>x1>1时,[f(x2)-f(x1)]·(x2-x1)<0恒成立,设a=f(-eq \f(1,2)),b=f(2),c=f(3),则a,b,c的大小关系为( )
A.c>a>b B.c>b>a C.a>c>b D.b>a>c
答案 D
解析 根据已知可得函数f(x)的图象关于直线x=1对称,且在(1,+∞)上是减函数,因为a=f(-eq \f(1,2))=f(eq \f(5,2)),且2
命题点2 解函数不等式
例5 (2017·珠海月考)定义在R上的奇函数y=f(x)在(0,+∞)上递增,且f(eq \f(1,2))=0,则满足的x的集合为________________.
答案 {x|0
由得或解得0
例6 (1)如果函数f(x)=ax2+2x-3在区间(-∞,4)上是单调递增的,则实数a的取值范围是( )
A.a>-eq \f(1,4)B.a≥-eq \f(1,4)
C.-eq \f(1,4)≤a<0 D.-eq \f(1,4)≤a≤0
(2)已知f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(2-ax+1,x<1,,ax,x≥1))满足对任意x1≠x2,都有eq \f(fx1-fx2,x1-x2)>0成立,那么a的取值范围是________.
答案 (1)D (2)[eq \f(3,2),2)
解析 (1)当a=0时,f(x)=2x-3,在定义域R上是单调递增的,故在(-∞,4)上单调递增;
当a≠0时,二次函数f(x)的对称轴为x=-eq \f(1,a),
因为f(x)在(-∞,4)上单调递增,
所以a<0,且-eq \f(1,a)≥4,解得-eq \f(1,4)≤a<0.
综合上述得-eq \f(1,4)≤a≤0.
(2)由已知条件得f(x)为增函数,
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(2-a>0,,a>1,,2-a×1+1≤a,))
解得eq \f(3,2)≤a<2,所以a的取值范围是[eq \f(3,2),2).
思维升华 函数单调性应用问题的常见类型及解题策略
(1)比较大小.比较函数值的大小,应将自变量转化到同一个单调区间内,然后利用函数的单调性解决.
(2)解不等式.在求解与抽象函数有关的不等式时,往往是利用函数的单调性将“f”符号脱掉,使其转化为具体的不等式求解.此时应特别注意函数的定义域.
(3)利用单调性求参数.
①视参数为已知数,依据函数的图象或单调性定义,确定函数的单调区间,与已知单调区间比较求参数;
②需注意若函数在区间[a,b]上是单调的,则该函数在此区间的任意子集上也是单调的;
③分段函数的单调性,除注意各段的单调性外,还要注意衔接点的取值.
(1)(2016·太原模拟)已知函数f(x)=x(ex-eq \f(1,ex)),若f(x1)
C.x1
答案 (1)D (2)(-∞,-4)
解析 (1)f(-x)=-x(eq \f(1,ex)-ex)=f(x),
∴f(x)在R上为偶函数,
f′(x)=ex-eq \f(1,ex)+x(ex+eq \f(1,ex)),
∴x>0时,f′(x)>0,∴f(x)在[0,+∞)上为增函数,
由f(x1)
故函数y=lg3(x-2)在(3,+∞)上是增函数.
又函数y=eq \f(2x+k,x-2)=eq \f(2x-2+4+k,x-2)=2+eq \f(4+k,x-2),
因其在(3,+∞)上是增函数,故4+k<0,得k<-4.
1.解抽象函数不等式
典例 (12分)函数f(x)对任意的m、n∈R,都有f(m+n)=f(m)+f(n)-1,并且x>0时,恒有f(x)>1.
(1)求证:f(x)在R上是增函数;
(2)若f(3)=4,解不等式f(a2+a-5)<2.
思维点拨 (1)对于抽象函数的单调性的证明,只能用定义.应该构造出f(x2)-f(x1)并与0比较大小.(2)将函数不等式中的抽象函数符号“f”运用单调性“去掉”是本题的切入点.要构造出f(M)
(1)证明 设x1,x2∈R且x1
∵当x>0时,f(x)>1,∴f(x2-x1)>1.[2分]
f(x2)=f[(x2-x1)+x1]=f(x2-x1)+f(x1)-1,[4分]
∴f(x2)-f(x1)=f(x2-x1)-1>0⇒f(x1)
(2)解 ∵m,n∈R,不妨设m=n=1,
∴f(1+1)=f(1)+f(1)-1⇒f(2)=2f(1)-1,[8分]
f(3)=4⇒f(2+1)=4⇒f(2)+f(1)-1=4⇒3f(1)-2=4,
∴f(1)=2,∴f(a2+a-5)<2=f(1),[10分]
∵f(x)在R上为增函数,
∴a2+a-5<1⇒-3即a∈(-3,2).[12分]
解函数不等式问题的一般步骤:
第一步:(定性)确定函数f(x)在给定区间上的单调性;
第二步:(转化)将函数不等式转化为f(M)
第四步:(求解)解不等式或不等式组确定解集;
第五步:(反思)反思回顾.查看关键点,易错点及解题规范.
1.(2016·北京东城区模拟)下列函数中,在区间(1,+∞)上是增函数的是( )
A.y=-x+1B.y=eq \f(1,1-x)
C.y=-(x-1)2D.y=31-x
答案 B
解析 A中,函数在(1,+∞)上为减函数,C中,函数在(1,+∞)上为减函数,D中,函数在(1,+∞)上为减函数.
2.函数f(x)=|x-2|x的单调减区间是( )
A.[1,2]B.[-1,0]
C.(0,2] D.[2,+∞)
答案 A
解析 f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2-2x,x≥2,,-x2+2x,x<2,))
当x≥2时,f(x)为增函数,
当x<2时,(-∞,1]是函数f(x)的增区间;
[1,2]是函数f(x)的减区间.
3.已知函数y=lg2(ax-1)在(1,2)上单调递增,则实数a的取值范围是( )
A.(0,1] B.[1,2]
C.[1,+∞) D.[2,+∞)
答案 C
解析 要使y=lg2(ax-1)在(1,2)上单调递增,则a>0且a-1≥0,即a≥1.
4.已知f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(ax,x>1,,4-\f(a,2)x+2,x≤1))是R上的单调递增函数,则实数a的取值范围是( )
A.(1,+∞) B.[4,8)
C.(4,8) D.(1,8)
答案 B
解析 由已知可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a>1,,4-\f(a,2)>0,,a≥4-\f(a,2)+2,))解得4≤a<8.
*5.函数f(x)的定义域为D,若对于任意x1,x2∈D,当x1
A.eq \f(1,2) B.eq \f(3,4) C.1 D.eq \f(2,3)
答案 B
解析 由③,令x=0,可得f(1)=1.由②,令x=1,可得f(eq \f(1,3))=eq \f(1,2)f(1)=eq \f(1,2).
令x=eq \f(1,3),可得f(eq \f(1,9))=eq \f(1,2)f(eq \f(1,3))=eq \f(1,4).
由③结合f(eq \f(1,3))=eq \f(1,2),可知f(eq \f(2,3))=eq \f(1,2),令x=eq \f(2,3),
可得f(eq \f(2,9))=eq \f(1,2)f(eq \f(2,3))=eq \f(1,4),因为eq \f(1,9)
6.定义新运算:当a≥b时,ab=a;当aA.-1 B.1 C.6 D.12
答案 C
解析 由已知得,当-2≤x≤1时,f(x)=x-2,
当1
∴f(x)的最大值为f(2)=23-2=6.
7.函数f(x)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))x-lg2(x+2)在区间[-1,1]上的最大值为________.
答案 3
解析 由于y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))x在R上递减,y=lg2(x+2)在[-1,1]上递增,所以f(x)在[-1,1]上单调递减,故f(x)在[-1,1]上的最大值为f(-1)=3.
8.设函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(1,x>0,,0,x=0,,-1,x<0,))g(x)=x2f(x-1),则函数g(x)的递减区间是________.
答案 [0,1)
解析 由题意知g(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2,x>1,,0,x=1,,-x2,x<1,))
函数的图象如图所示,其递减区间为[0,1).
9.若函数f(x)=|2x+a|的单调递增区间是[3,+∞),则a=________.
答案 -6
解析 f(x)=|2x+a|=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(2x+a,x≥-\f(a,2),,-2x-a,x<-\f(a,2).))
∵函数的单调递增区间为[-eq \f(a,2),+∞),
∴-eq \f(a,2)=3,∴a=-6.
*10.(2016·北京顺义区模拟)已知f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2-4x+3,x≤0,,-x2-2x+3,x>0,))不等式f(x+a)>f(2a-x)在[a,a+1]上恒成立,则实数a的取值范围是________.
答案 (-∞,-2)
解析 二次函数y1=x2-4x+3的对称轴是x=2,
∴该函数在(-∞,0]上单调递减,
∴x2-4x+3≥3,同样可知函数y2=-x2-2x+3在(0,+∞)上单调递减,
∴-x2-2x+3<3,∴f(x)在R上单调递减,
∴由f(x+a)>f(2a-x)得到x+a<2a-x,
即2x∴2(a+1)∴实数a的取值范围是(-∞,-2).
11.已知函数f(x)=eq \f(1,a)-eq \f(1,x)(a>0,x>0).
(1)求证:f(x)在(0,+∞)上是增函数;
(2)若f(x)在[eq \f(1,2),2]上的值域是[eq \f(1,2),2],求a的值.
(1)证明 任取x1>x2>0,
则f(x1)-f(x2)=eq \f(1,a)-eq \f(1,x1)-eq \f(1,a)+eq \f(1,x2)=eq \f(x1-x2,x1x2),
∵x1>x2>0,
∴x1-x2>0,x1x2>0,
∴f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2),
∴f(x)在(0,+∞)上是增函数.
(2)解 由(1)可知,f(x)在[eq \f(1,2),2]上为增函数,
∴f(eq \f(1,2))=eq \f(1,a)-2=eq \f(1,2),f(2)=eq \f(1,a)-eq \f(1,2)=2,
解得a=eq \f(2,5).
12.函数f(x)=4x2-4ax+a2-2a+2在区间[0,2]上有最小值3,求a的值.
解 f(x)=4(x-eq \f(a,2))2-2a+2,
①当eq \f(a,2)≤0,即a≤0时,函数f(x)在[0,2]上是增函数.
∴f(x)min=f(0)=a2-2a+2.
由a2-2a+2=3,得a=1±eq \r(2).
∵a≤0,∴a=1-eq \r(2).
②当0
由-2a+2=3,得a=-eq \f(1,2)∉(0,4),舍去.
③当eq \f(a,2)≥2,即a≥4时,函数f(x)在[0,2]上是减函数,
f(x)min=f(2)=a2-10a+18.
由a2-10a+18=3,得a=5±eq \r(10).
∵a≥4,∴a=5+eq \r(10).
综上所述,a=1-eq \r(2)或a=5+eq \r(10).
*13.已知函数f(x)=lg(x+eq \f(a,x)-2),其中a是大于0的常数.
(1)求函数f(x)的定义域;
(2)当a∈(1,4)时,求函数f(x)在[2,+∞)上的最小值;
(3)若对任意x∈[2,+∞)恒有f(x)>0,试确定a的取值范围.
解 (1)由x+eq \f(a,x)-2>0,得eq \f(x2-2x+a,x)>0,
当a>1时,x2-2x+a>0恒成立,
定义域为(0,+∞);
当a=1时,定义域为{x|x>0且x≠1};
当01+eq \r(1-a)}.
(2)设g(x)=x+eq \f(a,x)-2,
当a∈(1,4),x∈[2,+∞)时,
g′(x)=1-eq \f(a,x2)=eq \f(x2-a,x2)>0恒成立,
所以g(x)=x+eq \f(a,x)-2在[2,+∞)上是增函数.
所以f(x)=lgeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x+\f(a,x)-2))在[2,+∞)上是增函数.
所以f(x)=lgeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x+\f(a,x)-2))在[2,+∞)上的最小值为f(2)=lgeq \f(a,2).
(3)对任意x∈[2,+∞)恒有f(x)>0,即x+eq \f(a,x)-2>1对x∈[2,+∞)恒成立.
所以a>3x-x2,
令h(x)=3x-x2,
而h(x)=3x-x2=-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(3,2)))2+eq \f(9,4)在[2,+∞)上是减函数,
所以h(x)max=h(2)=2,
所以a>2.增函数
减函数
定义
一般地,设函数f(x)的定义域为I,如果对于定义域I内某个区间D上的任意两个自变量的值x1,x2
当x1
图象描述
自左向右看图象是上升的
自左向右看图象是下降的
前提
设函数y=f(x)的定义域为I,如果存在实数M满足
条件
(1)对于任意的x∈I,都有f(x)≤M;
(2)存在x0∈I,使得f(x0)=M
(3)对于任意的x∈I,都有f(x)≥M;
(4)存在x0∈I,使得f(x0)=M
结论
M为最大值
M为最小值
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