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2020届二轮复习(理)第2部分专题6第2讲 导数的简单应用学案
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第2讲 导数的简单应用
[做小题——激活思维]
1.(2019·全国卷Ⅰ)曲线y=3(x2+x)ex在点(0,0)处的切线方程为________.
y=3x [因为y′=3(2x+1)ex+3(x2+x)ex=3(x2+3x+1)ex,所以曲线在点(0,0)处的切线的斜率k=y′|x=0=3,所以所求的切线方程为y=3x.]
2.设f′(x)是函数f(x)的导函数,y=f′(x)的图象如图所示,则y=f(x)的图象最有可能是以下选项中的( )
C [由题图知,当x<0时,f′(x)>0,所以y=f(x)在(-∞,0)上单调递增.因为当0<x<2时,f′(x)<0,所以y=f(x)在(0,2)上单调递减.又当x>2时,f′(x)>0,所以y=f(x)在(2,+∞)上单调递增.]
3.函数y=x2-ln x的单调递减区间为( )
A.(-1,1] B.(0,1]
C.[1,+∞) D.(0,+∞)
B [函数定义域为(0,+∞),由y′=x-=≤0得,0<x≤1,故选B.]
4.若函数f(x)=kx-ln x在区间(1,+∞)上单调递增,则k的取值范围是( )
A.(-∞,-2] B.(-∞,-1]
C.[2,+∞) D.[1,+∞)
D [f′(x)=k-,由题意知k-≥0,即k≥在(1,+∞)上恒成立,又当x∈(1,+∞)时,0<<1,所以k≥1,故选D.]
5.函数f(x)=x3-4x+m在[0,3]上的最大值为4,则m的值为( )
A.7 B.
C.3 D.4
D [f′(x)=x2-4,x∈[0,3],
f′(x)=0时,x=2,
f′(x)<0时,0≤x<2,f′(x)>0时,2<x≤3.
所以f(x)在[0,2)上是减函数,
在(2,3]上是增函数.
又f(0)=m,f(3)=-3+m.
所以在[0,3]上,f(x)max=f(0)=4,
所以m=4,故选D.]
6.已知f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=1处的极值为10,则a+b等于( )
A.0或-7 B.-7
C.0 D.7
B [因为f′(x)=3x2+2ax+b,所以f′(1)=3+2a+b=0,①
f(1)=1+a+b+a2=10,②
由①②得或
而要在x=1处取到极值,则Δ=4a2-12b>0,
故舍去所以只有
所以a+b=-7,故选B.]
[扣要点——查缺补漏]
1.导数的几何意义
(1)f′(x0)的几何意义是曲线y=f(x)在点P(x0,y0)处切线的斜率.
(2)函数y=f(x)在点x=x0处的切线方程为y-f(x0)=f′(x0)(x-x0),如T1.
2.导数与函数的单调性
(1)函数单调性的判定方法:在某个区间(a,b)内,如果f′(x)>0,那么函数y=f(x)在此区间内单调递增;如果f′(x)<0,那么函数y=f(x)在此区间内单调递减.如T2.
(2)若求单调区间(或证明单调性),只要在函数定义域内解(或证明)不等式f′(x)>0或f′(x)<0.如T3.
(3)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.如T4.
3.导数与函数的极值、最值
(1)可导函数极值点的导数为0,但导数为0的点不一定是极值点,如函数f(x)=x3,f′(0)=0,但x=0不是极值点.如T5.
(2)极值点不是一个点,而是一个数x0,当x=x0时,函数取得极值,在x0处,f′(x0)=0是函数f(x)在x0处取得极值的必要不充分条件.
(3)一般地,在闭区间[a,b]上函数y=f(x)的图象是一条连续不断的曲线,那么函数y=f(x)在[a,b]上必有最大值与最小值,函数的最值必在极值点或区间的端点处取得.如T6.
导数的运算及其几何意义(5年11考)
[高考解读] 以导数的几何意义为载体,考查曲线切线方程的求法,注意方程思想的应用及复合函数的求导问题.
1.[一题多解](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
D [法一:(直接法)因为函数f(x)=x3+(a-1)x2+ax为奇函数,所以f(-x)=-f(x),
所以(-x)3+(a-1)(-x)2+a(-x)=-[x3+(a-1)x2+ax],所以2(a-1)x2=0,因为x∈R,所以a=1,所以f(x)=x3+x,所以f′(x)=3x2+1,所以f′(0)=1,所以曲线y=f(x)在点(0,0)处的切线方程为y=x.故选D.
法二:(特值法)因为函数f(x)=x3+(a-1)x2+ax为奇函数,所以f(-1)+f(1)=0,所以-1+a-1-a+(1+a-1+a)=0,解得a=1,所以f(x)=x3+x,所以f′(x)=3x2+1,所以f′(0)=1,所以曲线y=f(x)在点(0,0)处的切线方程为y=x.故选D.]
2.(2011·大纲版高考)曲线y=e-2x+1在点(0,2)处的切线与直线y=0和y=x围成的三角形的面积为( )
A. B.
C. D.1
A [由题意,得:y′=(e-2x+1)′=e-2x(-2x)′=-2e-2x,
则在点(0,2)处的切线斜率为k=-2e0=-2,
∴切线方程为y=-2x+2.
联立得C.
∴与y=0和y=x围成三角形的面积为
S△OBC=OB×=×1×=.]
3.(2016·全国卷Ⅱ)若直线y=kx+b是曲线y=ln x+2的切线,也是曲线y=ln(x+1)的切线,则b=________.
1-ln 2 [求得(ln x+2)′=,[ln(x+1)]′=.
设曲线y=ln x+2上的切点为(x1,y1),曲线y=ln(x+1)上的切点为(x2,y2),
则k==,所以x2+1=x1.
又y1=ln x1+2,y2=ln(x2+1)=ln x1,
所以k==2,
所以x1==,y1=ln+2=2-ln 2,
所以b=y1-kx1=2-ln 2-1=1-ln 2.]
与切线有关问题的处理策略
(1)已知切点A(x0,y0)求斜率k,即求该点处的导数值,k=f′(x0).
(2)已知斜率k,求切点A(x1,f(x1)),即解方程f′(x1)=k.
(3)求过某点M(x1,y1)的切线方程时,需设出切点A(x0,f(x0)),则切线方程为y-f(x0)=f′(x0)(x-x0),再把点M(x1,y1)代入切线方程,求x0.
1.(考查导数的运算)设函数f(x)=f′x2-2x+f(1)ln x,曲线f(x)在(1,f(1))处的切线方程是( )
A.5x-y-4=0 B.3x-y-2=0
C.x-y=0 D.x=1
A [∵f(x)=f′x2-2x+f(1)ln x,
∴f′(x)=2f′x-2+.
令x=得f′=2f′×-2+2f(1),
即f(1)=1.
又f(1)=f′-2,∴f′=3,
∴f′(1)=2f′-2+f(1)=6-2+1=5.
∴曲线在点(1,f(1))处的切线方程为y-1=5(x-1),
即5x-y-4=0,故选A.]
2.(与不等式交汇)若曲线y=x3-2x2+2在点A处的切线方程为y=4x-6,且点A在直线mx+ny-1=0(其中m>0,n>0)上,则+的最小值为( )
A.4 B.3+2
C.6+4 D.8
C [设A(s,t),y=x3-2x2+2的导数为y′=3x2-4x,可得切线的斜率为3s2-4s,切线方程为y=4x-6,可得3s2-4s=4,t=4s-6,解得s=2,t=2或s=-,t=-.由点A在直线mx+ny-1=0(其中m>0,n>0),可得2m+2n=1,则+=(2m+2n)=2≥2=6+4,
当且仅当n=m时,取得最小值6+4,故选C.]
3.(求切点的坐标)设曲线y=ex在点(0,1)处的切线与曲线y=(x>0)上点P处的切线垂直,则点P的坐标为________.
(1,1) [∵函数y=ex的导函数为y′=ex,
∴曲线y=ex在点(0,1)处的切线的斜率k1=e0=1.
设P(x0,y0)(x0>0),
∵函数y=的导函数为y′=-,
∴曲线y=(x>0)在点P处的切线的斜率k2=-,
由题意知k1k2=-1,
即1·=-1,
解得x=1,又x0>0,∴x0=1.
又∵点P在曲线y=(x>0)上,
∴y0=1,故点P的坐标为(1,1).]
4.(与圆锥曲线交汇)已知P,Q为抛物线x2=2y上两点,点P,Q的横坐标分别为4,-2,过P,Q分别作抛物线的切线,两切线交于点A,则点A的纵坐标为________.
-4 [由已知可设P(4,y1),Q(-2,y2),
∵点P,Q在抛物线x2=2y上,
∴∴
∴P(4,8),Q(-2,2).
又∵抛物线可化为y=x2,∴y′=x.
∴过点P的切线斜率为y′|x=4=4.
∴过点P的切线为y-8=4(x-4),即y=4x-8.
又∵过点Q的切线斜率为y′|x=-2=-2,
∴过点Q的切线为y-2=-2(x+2),
即y=-2x-2.
联立得
∴点A的纵坐标为-4.]
利用导数研究函数的单调性(5年4考)
[高考解读] 以函数的单调性为载体,融一元二次不等式的解法、分类讨论思想、函数、方程、不等式的关系于一体,考查学生对知识的灵活应用能力,有一定的难度.
(2018·全国卷Ⅰ节选)已知函数f(x)=-x+aln x.
讨论f(x)的单调性.
[解] ∵f(x)的定义域为(0,+∞),且f′(x)=--1+=-.
(ⅰ)若a≤2,则f′(x)≤0,当且仅当a=2,x=1时f′(x)=0,所以f(x)在(0,+∞)单调递减.
(ⅱ)若a>2,令f′(x)=0,得x=或x=.
当x∈∪时,f′(x)<0;
当x∈时,f′(x)>0.
所以f(x)在,单调递减,在单调递增.
利用导数研究函数单调性的一般步骤
(1)确定函数的定义域.
(2)求导函数f′(x).
(3)①若求单调区间(或证明单调性),只要在函数定义域内解(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.
(4)含参数讨论单调性常见的四个方面讨论.
如f′(x)=.
①二次系数的讨论.
②根的有关讨论,“Δ”讨论.
③根大小讨论.
④根在不在定义域内讨论.
1.(借助单调性比较大小)定义在R上的函数f(x)满足f′(x)>f(x)恒成立,若x1<x2,则ex1f(x2)与ex2f(x1)的大小关系为( )
A.ex1f(x2)>ex2f(x1)
B.ex1f(x2)<ex2f(x1)
C.ex1f(x2)=ex2f(x1)
D.ex1f(x2)与ex2f(x1)的大小关系不确定
A [设g(x)=,则g′(x)==,
由题意知g′(x)>0,所以g(x)单调递增,
当x1<x2时,g(x1)<g(x2),
即<,
所以ex1f(x2)>ex2f(x1).]
2.(借助单调性解不等式)已知偶函数f(x)(x≠0)的导函数为f′(x),且满足f(1)=0.当x>0时,xf′(x)<2f(x),则使得f(x)>0成立的x的取值范围是( )
A.(-∞,-1)∪(0,1) B.(-∞,-1)∪(1,+∞)
C.(-1,0)∪(0,1) D.(-1,0)∪(1,+∞)
C [令g(x)=,
∴g′(x)==,
又g(1)=0,
当x>0时,xf′(x)<2f(x),即g′(x)<0,
因为f(x)为偶函数,所以当x<0时,g′(x)>0,
f(x)>0等价于g(x)>0,所以或所以0<x<1或-1<x<0,选C.]
3.(已知单调性求参数的范围)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.
[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-<x<.
所以函数f(x)的单调递增区间是(-,).
(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)<g(1)=(1+1)-=.
所以a的取值范围是.
4.(含参数的复合函数的单调性)已知函数f(x)=aln(x+1)-ax-x2,讨论f(x)在定义域上的单调性.
[解] f′(x)=-a-2x=,
令f′(x)=0,得x=0或x=-,
又f(x)的定义域为(-1,+∞),
①当-≤-1,即当a≥0时,
若x∈(-1,0),f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈(0,+∞),f′(x)<0,则f(x)单调递减.
②当-1<-<0,即-2<a<0时,
若x∈,f′(x)<0,
则f(x)单调递减;
若x∈,f′(x)>0,
则f(x)单调递增;
若x∈(0,+∞),f′(x)<0,
则f(x)单调递减.
③当-=0,即a=-2时,
f′(x)≤0,f(x)在(-1,+∞)上单调递减.
④当->0,即a<-2时,
若x∈(-1,0),f′(x)<0,则f(x)单调递减;
若x∈,f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈,f′(x)<0,则f(x)单调递减.
综上,当a≥0时,f(x)在(-1,0)上单调递增,在(0,+∞)上单调递减;
当-2<a<0时,f(x)在上单调递减,在上单调递增,在(0,+∞)上单调递减;
当a=-2时,f(x)在(-1,+∞)上单调递减;
当a<-2时,f(x)在(-1,0)上单调递减,在上单调递增,在上单调递减.
利用导数研究函数的极值(最值)问题(5年5考)
[高考解读] 试题常以线性函数与指数函数或对数函数的组合形式出现,考查导数的运算法则、极(最)值的求法,考查分类讨论及数形结合思想,考查等价转化能力及逻辑推理能力,难度较大.
1.(2017·全国卷Ⅱ)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.-1 B.-2e-3
C.5e-3 D.1
A [函数f(x)=(x2+ax-1)ex-1,
则f′(x)=(2x+a)ex-1+(x2+ax-1)·ex-1
=ex-1·[x2+(a+2)x+a-1].
由x=-2是函数f(x)的极值点得
f′(-2)=e-3·(4-2a-4+a-1)=(-a-1)·e-3=0,
所以a=-1.
所以f(x)=(x2-x-1)ex-1,f′(x)=ex-1·(x2+x-2).
由ex-1>0恒成立,得x=-2或x=1时,f′(x)=0,且x<-2时,f′(x)>0;
-2
x>1时,f′(x)>0.
所以x=1是函数f(x)的极小值点.
所以函数f(x)的极小值为f(1)=-1.
故选A.]
2.(2019·全国卷Ⅲ)已知函数f(x)=2x3-ax2+b.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)是否存在a,b,使得f(x)在区间[0,1]的最小值为-1且最大值为1?若存在,求出a,b的所有值;若不存在,说明理由.
切入点:(1)分a>0,a=0,a<0三类讨论f(x)的单调性;(2)分析f(x)在[0,1]上的单调性,分情况求a,b的值.
[解](1)f′(x)=6x2-2ax=2x(3x-a).
令f′(x)=0,得x=0或x=.
若a>0,则当x∈(-∞,0)∪时,f′(x)>0;当x∈时,f′(x)<0.故f(x)在(-∞,0),单调递增,在单调递减;
若a=0,f(x)在(-∞,+∞)单调递增;
若a<0,则当x∈∪(0,+∞)时,f′(x)>0;当x∈时,f′(x)<0.故f(x)在,(0,+∞)单调递增,在单调递减.
(2)满足题设条件的a,b存在.
①当a≤0时,由(1)知,f(x)在[0,1]单调递增,所以f(x)在区间[0,1]的最小值为f(0)=b,最大值为f(1)=2-a+b.此时a,b满足题设条件当且仅当b=-1,2-a+b=1,即a=0,b=-1.
②当a≥3时,由(1)知,f(x)在[0,1]单调递减,所以f(x)在区间[0,1]的最大值为f(0)=b,最小值为f(1)=2-a+b.此时a,b满足题设条件当且仅当2-a+b=-1,b=1,即a=4,b=1.
③当0<a<3时,由(1)知,f(x)在[0,1]的最小值为f=-+b,最大值为b或2-a+b.
若-+b=-1,b=1,则a=3,与0<a<3矛盾.
若-+b=-1,2-a+b=1,则a=3或a=-3或a=0,与0<a<3矛盾.
综上,当且仅当a=0,b=-1或a=4,b=1时,f(x)在[0,1]的最小值为-1,最大值为1.
[教师备选题]
1.(2016·全国卷Ⅱ)(1)讨论函数f(x)=ex的单调性,并证明当x>0时,(x-2)ex+x+2>0.
(2)证明:当a∈[0,1)时,函数g(x)=(x>0)有最小值.设g(x)的最小值为h(a),求函数h(a)的值域.
[解](1)f(x)的定义域为(-∞,-2)∪(-2,+∞).
f′(x)==≥0,
当且仅当x=0时,f′(x)=0,所以f(x)在(-∞,-2),(-2,+∞)上单调递增.
因此当x∈(0,+∞)时,f(x)>f(0)=-1.
所以(x-2)ex>-(x+2),即(x-2)ex+x+2>0.
(2)g′(x)==(f(x)+a).
由(1)知,f(x)+a单调递增.
对任意a∈[0,1),f(0)+a=a-1<0,f(2)+a=a≥0.
因此,存在唯一xa∈(0,2],使得f(xa)+a=0,
即g′(xa)=0.
当0
当x>xa时,f(x)+a>0,g′(x)>0,g(x)单调递增.
因此g(x)在x=xa处取得最小值,最小值为
g(xa)===.
于是h(a)=.
由=>0,得y=单调递增,
所以,由xa∈(0,2],得
=<h(a)=≤=.
因为y=单调递增,对任意λ∈,存在唯一的xa∈(0,2],a=-f(xa)∈[0,1),使得h(a)=λ.
所以h(a)的值域是.
综上,当a∈[0,1)时,g(x)有最小值h(a),h(a)的值域是.
2.(2018·全国卷Ⅲ节选)已知函数f(x)=(2+x+ax2)ln(1+x)-2x.
(1)若a=0,证明:当-1<x<0时,f(x)<0;当x>0时,f(x)>0;
(2)若x=0是f(x)的极大值点,求a.
[解](1)当a=0时,f(x)=(2+x)ln(1+x)-2x,f′(x)=ln(1+x)-.
设函数g(x)=f′(x)=ln(1+x)-,则g′(x)=.
当-1<x<0时,g′(x)<0;当x>0时,g′(x)>0.故当x>-1时,g(x)≥g(0)=0,
且仅当x=0时,g(x)=0,从而f′(x)≥0,且仅当x=0时,f′(x)=0.
所以f(x)在(-1,+∞)单调递增.
又f(0)=0,故当-1<x<0时,f(x)<0;当x>0时,f(x)>0.
(2)①若a≥0,由(1)知,当x>0时,f(x)≥(2+x)ln(1+x)-2x>0=f(0),
这与x=0是f(x)的极大值点矛盾.
②若a<0,设函数h(x)==ln(1+x)-.
由于当|x|<min时,2+x+ax2>0,故h(x)与f(x)符号相同.
又h(0)=f(0)=0,故x=0是f(x)的极大值点,当且仅当x=0是h(x)的极大值点.
h′(x)=-
=.
如果6a+1>0,则当0<x<-,且|x|<min时,h′(x)>0,故x=0不是h(x)的极大值点.
如果6a+1<0,则a2x2+4ax+6a+1=0存在根x1<0,故当x∈(x1,0),且|x|<min时,h′(x)<0,所以x=0不是h(x)的极大值点.
如果6a+1=0,则h′(x)=,则当x∈(-1,0)时,h′(x)>0;当x∈(0,1)时,h′(x)<0.所以x=0是h(x)的极大值点,从而x=0是f(x)的极大值点.
综上,a=-.
函数极值问题的常见类型及解题策略
(1)知图判断函数极值的情况.先找导数为0的点,再判断导数为0的点的左、右两侧的导数符号.
(2)已知函数求极值.求f′(x)→求方程f′(x)=0的根→列表检验f′(x)在f′(x)=0的根的附近两侧的符号→下结论.
(3)已知极值求参数.若函数f(x)在点(x0,y0)处取得极值,则f′(x0)=0,且在该点左、右两侧的导数值符号相反.
1.(知图判断函数极值)设函数f(x)在R上可导,其导函数为f′(x),且函数y=(1-x)f′(x)的图象如图所示,则下列结论一定成立的是( )
A.x=1为f(x)的极大值点
B.x=1为f(x)的极小值点
C.x=-1为f(x)的极大值点
D.x=-1为f(x)的极小值点
D [绘制表格考查函数的性质如下:
区间
(-∞,-1)
(-1,1)
(1,+∞)
1-x符号
+
+
-
y=(1-x)f′(x)的符号
-
+
-
f′(x)符号
-
+
+
f(x)的单调性
单调递减
单调递增
单调递增
据此可得,函数f(x)在x=-1处取得极小值,在x=1处无极值.故选D.]
2.(已知最值求参数)已知函数f(x)=ln x-,若函数f(x)在[1,e]上的最小值为,则a的值为( )
A.- B.-
C.- D.e
A [由题意,f′(x)=+,若a≥0,则f′(x)>0,函数单调递增,所以f(x)min=f(1)=-a=,矛盾;若-e<a<-1,函数f(x)在[1,-a]上递减,在[-a,e]上递增,所以f(-a)=,解得a=-;若-1≤a<0,函数f(x)是递增函数,所以f(1)=-a=,矛盾;若a≤-e,函数f(x)单调递减,所以f(e)=,解得a=-,矛盾.综上a=-.故选A.]
3.(已知极值点个数求参数范围)已知n>0,若函数f(x)=恰有三个极值点,则实数m的取值范围是________.
[由题意知f(x)的导函数f′(x)=在定义域上有三个零点,且在这三个零点附近的左、右两侧的函数值异号.当x≤0时,令2x+n=0,得x=-,因为n>0,所以x=-是f′(x)的一个零点,且f′(x)在其附近的左、右两侧的函数值异号,故需f′(x)=2mx-ln x在(0,+∞)上有两个零点,且在这两个零点附近的左、右两侧的函数值均异号,即y=2mx与y=ln x的图象在(0,+∞)上有两个交点,故m的取值范围是.]
4.(极值点个数的判断)已知函数f(x)=ax-1-ln x(a∈R) .
(1)讨论函数f(x)的定义域内的极值点的个数;
(2)若函数f(x)在x=1处取得极值,x∈(0,+∞),f(x)≥bx-2恒成立,求实数b的最大值.
[解](1)f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=a-=.
①当a≤0时,f′(x)≤0在(0,+∞)上恒成立,所以函数f(x)在(0,+∞)上单调递减,
∴f(x)在(0,+∞)上没有极值点.
②当a>0时,
由f′(x)>0得x>.
∴f(x)在上递减,在上递增,即f(x)在x=处有极小值.
综上,当a≤0时,f(x)在(0,+∞)上没有极值点;
当a>0时,f(x)在(0,+∞)上有一个极值点.
(2)∵函数f(x)在x=1处取得极值,
∴f′(1)=a-1=0,则a=1,从而f(x)=x-1-ln x.
∵x∈(0,+∞),f(x)≥bx-2恒成立,
∴x∈(0,+∞),1+-≥b恒成立.
令g(x)=1+-,则g′(x)=,由g′(x)≥0得x≥e2,则g(x)在(0,e2)上递减,在(e2,+∞)上递增.
∴g(x)min=g(e2)=1-,
故实数b的最大值是1-.
[做小题——激活思维]
1.(2019·全国卷Ⅰ)曲线y=3(x2+x)ex在点(0,0)处的切线方程为________.
y=3x [因为y′=3(2x+1)ex+3(x2+x)ex=3(x2+3x+1)ex,所以曲线在点(0,0)处的切线的斜率k=y′|x=0=3,所以所求的切线方程为y=3x.]
2.设f′(x)是函数f(x)的导函数,y=f′(x)的图象如图所示,则y=f(x)的图象最有可能是以下选项中的( )
C [由题图知,当x<0时,f′(x)>0,所以y=f(x)在(-∞,0)上单调递增.因为当0<x<2时,f′(x)<0,所以y=f(x)在(0,2)上单调递减.又当x>2时,f′(x)>0,所以y=f(x)在(2,+∞)上单调递增.]
3.函数y=x2-ln x的单调递减区间为( )
A.(-1,1] B.(0,1]
C.[1,+∞) D.(0,+∞)
B [函数定义域为(0,+∞),由y′=x-=≤0得,0<x≤1,故选B.]
4.若函数f(x)=kx-ln x在区间(1,+∞)上单调递增,则k的取值范围是( )
A.(-∞,-2] B.(-∞,-1]
C.[2,+∞) D.[1,+∞)
D [f′(x)=k-,由题意知k-≥0,即k≥在(1,+∞)上恒成立,又当x∈(1,+∞)时,0<<1,所以k≥1,故选D.]
5.函数f(x)=x3-4x+m在[0,3]上的最大值为4,则m的值为( )
A.7 B.
C.3 D.4
D [f′(x)=x2-4,x∈[0,3],
f′(x)=0时,x=2,
f′(x)<0时,0≤x<2,f′(x)>0时,2<x≤3.
所以f(x)在[0,2)上是减函数,
在(2,3]上是增函数.
又f(0)=m,f(3)=-3+m.
所以在[0,3]上,f(x)max=f(0)=4,
所以m=4,故选D.]
6.已知f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=1处的极值为10,则a+b等于( )
A.0或-7 B.-7
C.0 D.7
B [因为f′(x)=3x2+2ax+b,所以f′(1)=3+2a+b=0,①
f(1)=1+a+b+a2=10,②
由①②得或
而要在x=1处取到极值,则Δ=4a2-12b>0,
故舍去所以只有
所以a+b=-7,故选B.]
[扣要点——查缺补漏]
1.导数的几何意义
(1)f′(x0)的几何意义是曲线y=f(x)在点P(x0,y0)处切线的斜率.
(2)函数y=f(x)在点x=x0处的切线方程为y-f(x0)=f′(x0)(x-x0),如T1.
2.导数与函数的单调性
(1)函数单调性的判定方法:在某个区间(a,b)内,如果f′(x)>0,那么函数y=f(x)在此区间内单调递增;如果f′(x)<0,那么函数y=f(x)在此区间内单调递减.如T2.
(2)若求单调区间(或证明单调性),只要在函数定义域内解(或证明)不等式f′(x)>0或f′(x)<0.如T3.
(3)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.如T4.
3.导数与函数的极值、最值
(1)可导函数极值点的导数为0,但导数为0的点不一定是极值点,如函数f(x)=x3,f′(0)=0,但x=0不是极值点.如T5.
(2)极值点不是一个点,而是一个数x0,当x=x0时,函数取得极值,在x0处,f′(x0)=0是函数f(x)在x0处取得极值的必要不充分条件.
(3)一般地,在闭区间[a,b]上函数y=f(x)的图象是一条连续不断的曲线,那么函数y=f(x)在[a,b]上必有最大值与最小值,函数的最值必在极值点或区间的端点处取得.如T6.
导数的运算及其几何意义(5年11考)
[高考解读] 以导数的几何意义为载体,考查曲线切线方程的求法,注意方程思想的应用及复合函数的求导问题.
1.[一题多解](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
D [法一:(直接法)因为函数f(x)=x3+(a-1)x2+ax为奇函数,所以f(-x)=-f(x),
所以(-x)3+(a-1)(-x)2+a(-x)=-[x3+(a-1)x2+ax],所以2(a-1)x2=0,因为x∈R,所以a=1,所以f(x)=x3+x,所以f′(x)=3x2+1,所以f′(0)=1,所以曲线y=f(x)在点(0,0)处的切线方程为y=x.故选D.
法二:(特值法)因为函数f(x)=x3+(a-1)x2+ax为奇函数,所以f(-1)+f(1)=0,所以-1+a-1-a+(1+a-1+a)=0,解得a=1,所以f(x)=x3+x,所以f′(x)=3x2+1,所以f′(0)=1,所以曲线y=f(x)在点(0,0)处的切线方程为y=x.故选D.]
2.(2011·大纲版高考)曲线y=e-2x+1在点(0,2)处的切线与直线y=0和y=x围成的三角形的面积为( )
A. B.
C. D.1
A [由题意,得:y′=(e-2x+1)′=e-2x(-2x)′=-2e-2x,
则在点(0,2)处的切线斜率为k=-2e0=-2,
∴切线方程为y=-2x+2.
联立得C.
∴与y=0和y=x围成三角形的面积为
S△OBC=OB×=×1×=.]
3.(2016·全国卷Ⅱ)若直线y=kx+b是曲线y=ln x+2的切线,也是曲线y=ln(x+1)的切线,则b=________.
1-ln 2 [求得(ln x+2)′=,[ln(x+1)]′=.
设曲线y=ln x+2上的切点为(x1,y1),曲线y=ln(x+1)上的切点为(x2,y2),
则k==,所以x2+1=x1.
又y1=ln x1+2,y2=ln(x2+1)=ln x1,
所以k==2,
所以x1==,y1=ln+2=2-ln 2,
所以b=y1-kx1=2-ln 2-1=1-ln 2.]
与切线有关问题的处理策略
(1)已知切点A(x0,y0)求斜率k,即求该点处的导数值,k=f′(x0).
(2)已知斜率k,求切点A(x1,f(x1)),即解方程f′(x1)=k.
(3)求过某点M(x1,y1)的切线方程时,需设出切点A(x0,f(x0)),则切线方程为y-f(x0)=f′(x0)(x-x0),再把点M(x1,y1)代入切线方程,求x0.
1.(考查导数的运算)设函数f(x)=f′x2-2x+f(1)ln x,曲线f(x)在(1,f(1))处的切线方程是( )
A.5x-y-4=0 B.3x-y-2=0
C.x-y=0 D.x=1
A [∵f(x)=f′x2-2x+f(1)ln x,
∴f′(x)=2f′x-2+.
令x=得f′=2f′×-2+2f(1),
即f(1)=1.
又f(1)=f′-2,∴f′=3,
∴f′(1)=2f′-2+f(1)=6-2+1=5.
∴曲线在点(1,f(1))处的切线方程为y-1=5(x-1),
即5x-y-4=0,故选A.]
2.(与不等式交汇)若曲线y=x3-2x2+2在点A处的切线方程为y=4x-6,且点A在直线mx+ny-1=0(其中m>0,n>0)上,则+的最小值为( )
A.4 B.3+2
C.6+4 D.8
C [设A(s,t),y=x3-2x2+2的导数为y′=3x2-4x,可得切线的斜率为3s2-4s,切线方程为y=4x-6,可得3s2-4s=4,t=4s-6,解得s=2,t=2或s=-,t=-.由点A在直线mx+ny-1=0(其中m>0,n>0),可得2m+2n=1,则+=(2m+2n)=2≥2=6+4,
当且仅当n=m时,取得最小值6+4,故选C.]
3.(求切点的坐标)设曲线y=ex在点(0,1)处的切线与曲线y=(x>0)上点P处的切线垂直,则点P的坐标为________.
(1,1) [∵函数y=ex的导函数为y′=ex,
∴曲线y=ex在点(0,1)处的切线的斜率k1=e0=1.
设P(x0,y0)(x0>0),
∵函数y=的导函数为y′=-,
∴曲线y=(x>0)在点P处的切线的斜率k2=-,
由题意知k1k2=-1,
即1·=-1,
解得x=1,又x0>0,∴x0=1.
又∵点P在曲线y=(x>0)上,
∴y0=1,故点P的坐标为(1,1).]
4.(与圆锥曲线交汇)已知P,Q为抛物线x2=2y上两点,点P,Q的横坐标分别为4,-2,过P,Q分别作抛物线的切线,两切线交于点A,则点A的纵坐标为________.
-4 [由已知可设P(4,y1),Q(-2,y2),
∵点P,Q在抛物线x2=2y上,
∴∴
∴P(4,8),Q(-2,2).
又∵抛物线可化为y=x2,∴y′=x.
∴过点P的切线斜率为y′|x=4=4.
∴过点P的切线为y-8=4(x-4),即y=4x-8.
又∵过点Q的切线斜率为y′|x=-2=-2,
∴过点Q的切线为y-2=-2(x+2),
即y=-2x-2.
联立得
∴点A的纵坐标为-4.]
利用导数研究函数的单调性(5年4考)
[高考解读] 以函数的单调性为载体,融一元二次不等式的解法、分类讨论思想、函数、方程、不等式的关系于一体,考查学生对知识的灵活应用能力,有一定的难度.
(2018·全国卷Ⅰ节选)已知函数f(x)=-x+aln x.
讨论f(x)的单调性.
[解] ∵f(x)的定义域为(0,+∞),且f′(x)=--1+=-.
(ⅰ)若a≤2,则f′(x)≤0,当且仅当a=2,x=1时f′(x)=0,所以f(x)在(0,+∞)单调递减.
(ⅱ)若a>2,令f′(x)=0,得x=或x=.
当x∈∪时,f′(x)<0;
当x∈时,f′(x)>0.
所以f(x)在,单调递减,在单调递增.
利用导数研究函数单调性的一般步骤
(1)确定函数的定义域.
(2)求导函数f′(x).
(3)①若求单调区间(或证明单调性),只要在函数定义域内解(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.
(4)含参数讨论单调性常见的四个方面讨论.
如f′(x)=.
①二次系数的讨论.
②根的有关讨论,“Δ”讨论.
③根大小讨论.
④根在不在定义域内讨论.
1.(借助单调性比较大小)定义在R上的函数f(x)满足f′(x)>f(x)恒成立,若x1<x2,则ex1f(x2)与ex2f(x1)的大小关系为( )
A.ex1f(x2)>ex2f(x1)
B.ex1f(x2)<ex2f(x1)
C.ex1f(x2)=ex2f(x1)
D.ex1f(x2)与ex2f(x1)的大小关系不确定
A [设g(x)=,则g′(x)==,
由题意知g′(x)>0,所以g(x)单调递增,
当x1<x2时,g(x1)<g(x2),
即<,
所以ex1f(x2)>ex2f(x1).]
2.(借助单调性解不等式)已知偶函数f(x)(x≠0)的导函数为f′(x),且满足f(1)=0.当x>0时,xf′(x)<2f(x),则使得f(x)>0成立的x的取值范围是( )
A.(-∞,-1)∪(0,1) B.(-∞,-1)∪(1,+∞)
C.(-1,0)∪(0,1) D.(-1,0)∪(1,+∞)
C [令g(x)=,
∴g′(x)==,
又g(1)=0,
当x>0时,xf′(x)<2f(x),即g′(x)<0,
因为f(x)为偶函数,所以当x<0时,g′(x)>0,
f(x)>0等价于g(x)>0,所以或所以0<x<1或-1<x<0,选C.]
3.(已知单调性求参数的范围)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.
[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-<x<.
所以函数f(x)的单调递增区间是(-,).
(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)<g(1)=(1+1)-=.
所以a的取值范围是.
4.(含参数的复合函数的单调性)已知函数f(x)=aln(x+1)-ax-x2,讨论f(x)在定义域上的单调性.
[解] f′(x)=-a-2x=,
令f′(x)=0,得x=0或x=-,
又f(x)的定义域为(-1,+∞),
①当-≤-1,即当a≥0时,
若x∈(-1,0),f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈(0,+∞),f′(x)<0,则f(x)单调递减.
②当-1<-<0,即-2<a<0时,
若x∈,f′(x)<0,
则f(x)单调递减;
若x∈,f′(x)>0,
则f(x)单调递增;
若x∈(0,+∞),f′(x)<0,
则f(x)单调递减.
③当-=0,即a=-2时,
f′(x)≤0,f(x)在(-1,+∞)上单调递减.
④当->0,即a<-2时,
若x∈(-1,0),f′(x)<0,则f(x)单调递减;
若x∈,f′(x)>0,则f(x)单调递增;
若x∈,f′(x)<0,则f(x)单调递减.
综上,当a≥0时,f(x)在(-1,0)上单调递增,在(0,+∞)上单调递减;
当-2<a<0时,f(x)在上单调递减,在上单调递增,在(0,+∞)上单调递减;
当a=-2时,f(x)在(-1,+∞)上单调递减;
当a<-2时,f(x)在(-1,0)上单调递减,在上单调递增,在上单调递减.
利用导数研究函数的极值(最值)问题(5年5考)
[高考解读] 试题常以线性函数与指数函数或对数函数的组合形式出现,考查导数的运算法则、极(最)值的求法,考查分类讨论及数形结合思想,考查等价转化能力及逻辑推理能力,难度较大.
1.(2017·全国卷Ⅱ)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.-1 B.-2e-3
C.5e-3 D.1
A [函数f(x)=(x2+ax-1)ex-1,
则f′(x)=(2x+a)ex-1+(x2+ax-1)·ex-1
=ex-1·[x2+(a+2)x+a-1].
由x=-2是函数f(x)的极值点得
f′(-2)=e-3·(4-2a-4+a-1)=(-a-1)·e-3=0,
所以a=-1.
所以f(x)=(x2-x-1)ex-1,f′(x)=ex-1·(x2+x-2).
由ex-1>0恒成立,得x=-2或x=1时,f′(x)=0,且x<-2时,f′(x)>0;
-2
所以x=1是函数f(x)的极小值点.
所以函数f(x)的极小值为f(1)=-1.
故选A.]
2.(2019·全国卷Ⅲ)已知函数f(x)=2x3-ax2+b.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)是否存在a,b,使得f(x)在区间[0,1]的最小值为-1且最大值为1?若存在,求出a,b的所有值;若不存在,说明理由.
切入点:(1)分a>0,a=0,a<0三类讨论f(x)的单调性;(2)分析f(x)在[0,1]上的单调性,分情况求a,b的值.
[解](1)f′(x)=6x2-2ax=2x(3x-a).
令f′(x)=0,得x=0或x=.
若a>0,则当x∈(-∞,0)∪时,f′(x)>0;当x∈时,f′(x)<0.故f(x)在(-∞,0),单调递增,在单调递减;
若a=0,f(x)在(-∞,+∞)单调递增;
若a<0,则当x∈∪(0,+∞)时,f′(x)>0;当x∈时,f′(x)<0.故f(x)在,(0,+∞)单调递增,在单调递减.
(2)满足题设条件的a,b存在.
①当a≤0时,由(1)知,f(x)在[0,1]单调递增,所以f(x)在区间[0,1]的最小值为f(0)=b,最大值为f(1)=2-a+b.此时a,b满足题设条件当且仅当b=-1,2-a+b=1,即a=0,b=-1.
②当a≥3时,由(1)知,f(x)在[0,1]单调递减,所以f(x)在区间[0,1]的最大值为f(0)=b,最小值为f(1)=2-a+b.此时a,b满足题设条件当且仅当2-a+b=-1,b=1,即a=4,b=1.
③当0<a<3时,由(1)知,f(x)在[0,1]的最小值为f=-+b,最大值为b或2-a+b.
若-+b=-1,b=1,则a=3,与0<a<3矛盾.
若-+b=-1,2-a+b=1,则a=3或a=-3或a=0,与0<a<3矛盾.
综上,当且仅当a=0,b=-1或a=4,b=1时,f(x)在[0,1]的最小值为-1,最大值为1.
[教师备选题]
1.(2016·全国卷Ⅱ)(1)讨论函数f(x)=ex的单调性,并证明当x>0时,(x-2)ex+x+2>0.
(2)证明:当a∈[0,1)时,函数g(x)=(x>0)有最小值.设g(x)的最小值为h(a),求函数h(a)的值域.
[解](1)f(x)的定义域为(-∞,-2)∪(-2,+∞).
f′(x)==≥0,
当且仅当x=0时,f′(x)=0,所以f(x)在(-∞,-2),(-2,+∞)上单调递增.
因此当x∈(0,+∞)时,f(x)>f(0)=-1.
所以(x-2)ex>-(x+2),即(x-2)ex+x+2>0.
(2)g′(x)==(f(x)+a).
由(1)知,f(x)+a单调递增.
对任意a∈[0,1),f(0)+a=a-1<0,f(2)+a=a≥0.
因此,存在唯一xa∈(0,2],使得f(xa)+a=0,
即g′(xa)=0.
当0
因此g(x)在x=xa处取得最小值,最小值为
g(xa)===.
于是h(a)=.
由=>0,得y=单调递增,
所以,由xa∈(0,2],得
=<h(a)=≤=.
因为y=单调递增,对任意λ∈,存在唯一的xa∈(0,2],a=-f(xa)∈[0,1),使得h(a)=λ.
所以h(a)的值域是.
综上,当a∈[0,1)时,g(x)有最小值h(a),h(a)的值域是.
2.(2018·全国卷Ⅲ节选)已知函数f(x)=(2+x+ax2)ln(1+x)-2x.
(1)若a=0,证明:当-1<x<0时,f(x)<0;当x>0时,f(x)>0;
(2)若x=0是f(x)的极大值点,求a.
[解](1)当a=0时,f(x)=(2+x)ln(1+x)-2x,f′(x)=ln(1+x)-.
设函数g(x)=f′(x)=ln(1+x)-,则g′(x)=.
当-1<x<0时,g′(x)<0;当x>0时,g′(x)>0.故当x>-1时,g(x)≥g(0)=0,
且仅当x=0时,g(x)=0,从而f′(x)≥0,且仅当x=0时,f′(x)=0.
所以f(x)在(-1,+∞)单调递增.
又f(0)=0,故当-1<x<0时,f(x)<0;当x>0时,f(x)>0.
(2)①若a≥0,由(1)知,当x>0时,f(x)≥(2+x)ln(1+x)-2x>0=f(0),
这与x=0是f(x)的极大值点矛盾.
②若a<0,设函数h(x)==ln(1+x)-.
由于当|x|<min时,2+x+ax2>0,故h(x)与f(x)符号相同.
又h(0)=f(0)=0,故x=0是f(x)的极大值点,当且仅当x=0是h(x)的极大值点.
h′(x)=-
=.
如果6a+1>0,则当0<x<-,且|x|<min时,h′(x)>0,故x=0不是h(x)的极大值点.
如果6a+1<0,则a2x2+4ax+6a+1=0存在根x1<0,故当x∈(x1,0),且|x|<min时,h′(x)<0,所以x=0不是h(x)的极大值点.
如果6a+1=0,则h′(x)=,则当x∈(-1,0)时,h′(x)>0;当x∈(0,1)时,h′(x)<0.所以x=0是h(x)的极大值点,从而x=0是f(x)的极大值点.
综上,a=-.
函数极值问题的常见类型及解题策略
(1)知图判断函数极值的情况.先找导数为0的点,再判断导数为0的点的左、右两侧的导数符号.
(2)已知函数求极值.求f′(x)→求方程f′(x)=0的根→列表检验f′(x)在f′(x)=0的根的附近两侧的符号→下结论.
(3)已知极值求参数.若函数f(x)在点(x0,y0)处取得极值,则f′(x0)=0,且在该点左、右两侧的导数值符号相反.
1.(知图判断函数极值)设函数f(x)在R上可导,其导函数为f′(x),且函数y=(1-x)f′(x)的图象如图所示,则下列结论一定成立的是( )
A.x=1为f(x)的极大值点
B.x=1为f(x)的极小值点
C.x=-1为f(x)的极大值点
D.x=-1为f(x)的极小值点
D [绘制表格考查函数的性质如下:
区间
(-∞,-1)
(-1,1)
(1,+∞)
1-x符号
+
+
-
y=(1-x)f′(x)的符号
-
+
-
f′(x)符号
-
+
+
f(x)的单调性
单调递减
单调递增
单调递增
据此可得,函数f(x)在x=-1处取得极小值,在x=1处无极值.故选D.]
2.(已知最值求参数)已知函数f(x)=ln x-,若函数f(x)在[1,e]上的最小值为,则a的值为( )
A.- B.-
C.- D.e
A [由题意,f′(x)=+,若a≥0,则f′(x)>0,函数单调递增,所以f(x)min=f(1)=-a=,矛盾;若-e<a<-1,函数f(x)在[1,-a]上递减,在[-a,e]上递增,所以f(-a)=,解得a=-;若-1≤a<0,函数f(x)是递增函数,所以f(1)=-a=,矛盾;若a≤-e,函数f(x)单调递减,所以f(e)=,解得a=-,矛盾.综上a=-.故选A.]
3.(已知极值点个数求参数范围)已知n>0,若函数f(x)=恰有三个极值点,则实数m的取值范围是________.
[由题意知f(x)的导函数f′(x)=在定义域上有三个零点,且在这三个零点附近的左、右两侧的函数值异号.当x≤0时,令2x+n=0,得x=-,因为n>0,所以x=-是f′(x)的一个零点,且f′(x)在其附近的左、右两侧的函数值异号,故需f′(x)=2mx-ln x在(0,+∞)上有两个零点,且在这两个零点附近的左、右两侧的函数值均异号,即y=2mx与y=ln x的图象在(0,+∞)上有两个交点,故m的取值范围是.]
4.(极值点个数的判断)已知函数f(x)=ax-1-ln x(a∈R) .
(1)讨论函数f(x)的定义域内的极值点的个数;
(2)若函数f(x)在x=1处取得极值,x∈(0,+∞),f(x)≥bx-2恒成立,求实数b的最大值.
[解](1)f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=a-=.
①当a≤0时,f′(x)≤0在(0,+∞)上恒成立,所以函数f(x)在(0,+∞)上单调递减,
∴f(x)在(0,+∞)上没有极值点.
②当a>0时,
由f′(x)>0得x>.
∴f(x)在上递减,在上递增,即f(x)在x=处有极小值.
综上,当a≤0时,f(x)在(0,+∞)上没有极值点;
当a>0时,f(x)在(0,+∞)上有一个极值点.
(2)∵函数f(x)在x=1处取得极值,
∴f′(1)=a-1=0,则a=1,从而f(x)=x-1-ln x.
∵x∈(0,+∞),f(x)≥bx-2恒成立,
∴x∈(0,+∞),1+-≥b恒成立.
令g(x)=1+-,则g′(x)=,由g′(x)≥0得x≥e2,则g(x)在(0,e2)上递减,在(e2,+∞)上递增.
∴g(x)min=g(e2)=1-,
故实数b的最大值是1-.
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