2020版新设计一轮复习数学(理)江苏专版讲义:第三章第四节函数与导数的综合问题
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第四节函数与导数的综合问题
[锁定考向]
用导数解决函数的零点问题是近几年高考命题的热点题型之一.
常见的命题角度有:
(1)求函数零点或零点个数;
(2)已知函数零点个数求参数的值或范围.
[题点全练]
角度一:求函数零点或零点个数
1.已知函数f(x)=ax+ln x+1,讨论函数f(x)零点的个数.
解:法一:函数f(x)的定义域为(0,+∞),由f(x)=ax+ln x+1=0,得ln x=-ax-1,
令u(x)=ln x,v(x)=-ax-1,则函数v(x)的图象是过定点(0,-1),斜率k=-a的直线.
当直线y=kx-1与函数u(x)=ln x的图象相切时,两者只有一个交点,此时设切点为P(x0,y0),
则解得
所以当k>1时,函数f(x)没有零点;当k=1或k≤0时,函数f(x)有1个零点;当0<k<1时,函数f(x)有2个零点.
即当a<-1时,函数f(x)没有零点;当a=-1或a≥0时,函数f(x)有1个零点;当-1<a<0时,函数f(x)有2个零点.
法二:函数f(x)的定义域为(0,+∞),
由f(x)=ax+ln x+1=0,得a=-.
令g(x)=-(x>0),则g′(x)=.
当0<x<1时,g′(x)<0;当x>1时,g′(x)>0,
故函数g(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,g(x)min=g(1)=-1,
由于g=0,x→+∞时,g(x)→0,所以当0<x<时,g(x)>0,当x>时,g(x)<0.
所以当a<-1时,函数f(x)没有零点;当a=-1或a≥0时,函数f(x)有1个零点;当-1<a<0时,函数f(x)有2个零点.
角度二:已知函数零点个数求参数的值或范围
2.(2019·徐州调研)设函数f(x)=-x2+ax+ln x(a∈R),若函数f(x)在上有两个零点,求实数a的取值范围.
解:令f(x)=-x2+ax+ln x=0,得a=x-.
令g(x)=x-,其中x∈,
则g′(x)=1-=,令g′(x)=0,得x=1,当≤x<1时,g′(x)<0;当1<x≤3时,g′(x)>0,
∴g(x)的单调递减区间为,单调递增区间为(1,3],
∴g(x)min=g(1)=1,∵函数f(x)在上有两个零点,g=3ln 3+,g(3)=3-,3ln 3+>3-,
∴实数a的取值范围是.
[通法在握]
函数的零点个数也就是函数图象与x轴交点的个数,所以可以借助函数图象的特征迅速求解函数的零点个数问题.对于含参函数的零点个数,一般可从两个方面讨论:
(1)利用导数研究函数的单调性和极值,作出函数的大致图象,根据极大值和极小值的符号确定函数零点的个数.
(2)分离参数,将问题转化为:求直线y=a与函数y=f(x)的图象交点个数问题.
[演练冲关]
1.设函数f(x)=ln x+,m∈R.讨论函数g(x)=f′(x)-零点的个数.
解:由题设,g(x)=f′(x)-=--(x>0),
令g(x)=0,得m=-x3+x(x>0).
设φ(x)=-x3+x(x>0),
则φ′(x)=-x2+1=-(x-1)(x+1),
当x∈(0,1)时,φ′(x)>0,φ(x)在(0,1)上单调递增;
当x∈(1,+∞)时,φ′(x)<0,φ(x)在(1,+∞)上单调递减.
所以x=1是φ(x)的极大值点,也是φ(x)的最大值点.
所以φ(x)的最大值为φ(1)=.
由φ(0)=0,结合y=φ(x)的图象(如图),
可知①当m>时,函数g(x)无零点;
②当m=时,函数g(x)有且只有一个零点;
③当0<m<时,函数g(x)有两个零点;
④当m≤0时,函数g(x)有且只有一个零点.
综上所述,当m>时,函数g(x)无零点;
当m=或m≤0时,函数g(x)有且只有一个零点;
当0<m<时,函数g(x)有两个零点.
2.已知函数f(x)=aex-x-2a有两个零点,求实数a的取值范围.
解:∵f(x)=aex-x-2a,∴f′(x)=aex-1.
当a≤0时,f′(x)≤0恒成立,函数f(x)在R上单调递减,不可能有两个零点;
当a>0时,令f′(x)=0,得x=ln,函数f(x)在 上单调递减,在上单调递增,∴f(x)的最小值为f=1-ln-2a=1+ln a-2a.
令g(a)=1+ln a-2a(a>0),则g′(a)=-2.
当a∈时,g(a)单调递增;当a∈时,g(a)单调递减,
∴g(a)max=g=-ln 2<0,
∴f(x)的最小值f<0,函数f(x)=aex-x-2a有两个零点.
综上所述,实数a的取值范围是(0,+∞).
[典例引领]
已知函数f(x)=ln x-ax2+x,a∈R.
(1)当a=0时,求函数f(x)的图象在(1,f(1))处的切线方程;
(2)若a=-2,正实数x1,x2满足f(x1)+f(x2)+x1x2=0,求证:x1+x2≥.
解:(1)当a=0时,f(x)=ln x+x,则f(1)=1,所以切点为(1,1),又因为f ′(x)=+1,所以切线斜率k=f′(1) =2,
故切线方程为y-1=2(x-1),即2x-y-1=0.
(2)证明:当a=-2时,f(x)=ln x+x2+x(x>0).
由f(x1)+f(x2)+x1x2=0,
得ln x1+x+x1+ln x2+x+x2+x1x2=0,
从而(x1+x2)2+(x1+x2)=x1x2-ln(x1x2),
令t=x1x2,设φ(t)=t-ln t(t>0),
则φ′(t)=1-=,
易知φ(t)在区间(0,1)上单调递减,在区间(1,+∞)上单调递增,所以φ(t)≥φ(1)=1,
所以(x1+x2)2+(x1+x2)≥1,
因为x1>0,x2>0,所以x1+x2≥成立.
[由题悟法]
破解含双参不等式的证明的关键
一是转化,即由已知条件入手,寻找双参所满足的关系式,并把含双参的不等式转化为含单参的不等式;
二是巧构造函数,再借用导数,判断函数的单调性,从而求其最值;
三是回归双参的不等式的证明,把所求的最值应用到双参不等式,即可证得结果.
[提醒] 变量代换法适用于二元或多元不等式的有关问题.若出现的两个变量有主次之分,可以考虑主元法;若出现的两个变量没有主次之分,地位均衡,可以考虑换元法;若出现多个变量,需挖掘它们之间内在的等量关系,将原问题转化为曲线上的动点问题来解决.
[即时应用]
已知函数f(x)=ln x+.
(1)求f(x)的最小值;
(2)若方程f(x)=a有两个根x1,x2(x1<x2),求证:x1+x2>2a.
解:(1)因为f′(x)=-=(x>0),
所以当a≤0时,f′(x)>0,f(x)在(0,+∞)上单调递增,函数f(x)无最小值.
当a>0时,f(x)在(0,a)上单调递减,在(a,+∞)上单调递增.
函数f(x)在x=a处取最小值f(a)=ln a+1.
(2)证明:若函数y=f(x)的两个零点为x1,x2(x1<x2),
由(1)可得0<x1<a<x2.
令g(x)=f(x)-f(2a-x)(0<x<a),
则g′(x)=(x-a)=-<0,
所以g(x)在(0,a)上单调递减,g(x)>g(a)=0,
即f(x)>f(2a-x).
令x=x1<a,则f(x1)>f(2a-x1),所以f(x2)=f(x1)>f(2a-x1),
由(1)可得f(x)在(a,+∞)上单调递增,所以x2>2a-x1,
故x1+x2>2a.
[典例引领]
(2018·泰州调研)已知f(x)=x2+ax-ln x+e,g(x)=x2+e.
(1)若a=-1,判断是否存在x0>0,使得f(x0)<0,并说明理由;
(2)设h(x)=f(x)-g(x),是否存在实数a,当x∈(0,e](e=2.718 28…为自然常数)时,函数h(x)的最小值为3,并说明理由.
解:(1)不存在x0>0,使得f(x0)<0.
理由如下:当a=-1时,f(x)=x2-x-ln x+e,x∈(0,+∞),
f′(x)=2x-1-==.
f′(x),f(x)随x的变化情况如下表:
x
(0,1)
1
(1,+∞)
f′(x)
-
0
+
f(x)
极小值f(1)
当x=1时,函数f(x)有极小值,f(x)极小值=f(1)=e,
此极小值也是最小值,
故不存在x0>0,使得f(x0)<0.
(2)因为f(x)=x2+ax-ln x+e,g(x)=x2+e,
所以h(x)=f(x)-g(x)=ax-ln x,
则h′(x)=a-.
假设存在实数a,使h(x)=ax-ln x(x∈(0,e])有最小值3.
(ⅰ)当a≤0时,h′(x)<0,
所以h(x)在(0,e]上单调递减,
h(x)min=h(e)=ae-1=3,a=,不符合题意.
(ⅱ)当a>0时,
①当0<a≤时,≥e,h′(x)≤0在(0,e]上恒成立,
所以h(x)在(0,e]上单调递减,
h(x)min=h(e)=ae-1=3,a=,不符合题意.
②当a>时,0<<e,
当0<x<时,h′(x)<0,h(x)在上单调递减;
当<x<e时,h′(x)>0,h(x)在上单调递增,
所以h(x)min=h=1+ln a=3,
解得a=e2>.
综上所述,存在a=e2,使x∈(0,e]时,h(x)有最小值3.
[由题悟法]
解决探索性问题的注意事项
探索问题,先假设存在,推证满足条件的结论,若结论正确则存在,若结论不正确则不存在.
(1)当条件和结论不唯一时要分类讨论;
(2)当给出结论来推导存在的条件时,先假设成立,再推出条件;
(3)当条件和结论都不知,按常规方法解题很难时,要开放思维,采用另外的途径.
[即时应用]
已知函数f(x)=,其中a为实数.
(1)当a=2时,求曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程;
(2)是否存在实数a,使得对任意x∈(0,1)∪(1,+∞),f(x)>恒成立?若不存在,请说明理由,若存在,求出a的值并加以证明.
解:(1)当a=2时,f(x)=,
f′(x)=,f′(2)=,
又f(2)=0,
所以曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程为y=(x-2).
(2)①当0<x<1时,ln x<0,
则>⇔a>x- ln x,
令g(x)=x- ln x,
则g′(x)=,
再令h(x)=2-2-ln x,
则h′(x)=-=,
故当0<x<1时,h′(x)<0,
所以h(x)在(0,1)上单调递减,
所以当0<x<1时,h(x)>h(1)=0,
所以g′(x)=>0,
所以g(x)在(0,1)上单调递增,
所以g(x)<g(1)=1,
所以a≥1.
②当x>1时,ln x>0,
则> ⇔a<x- ln x.
由①知当x>1时,h′(x)>0,h(x)在(1,+∞)上单调递增,
所以当x>1时,h(x)>h(1)=0,
所以g′(x)=>0,
所以g(x)在(1,+∞)上单调递增,
所以g(x)>g(1)=1,
所以a≤1.
综合①②得:a=1.
[典例引领]
(2018·南通、扬州、泰州、淮安调研)已知函数f(x)=ax2+cos x(a∈R).
(1)若f(x)在x=0处取得极小值,求a的取值范围;
(2)设函数h(x)的定义域为D,区间(m,+∞)⊆D,若h(x)在(m,+∞)上是单调函数,则称h(x)在D上广义单调.试证明函数y=f(x)-xln x在(0,+∞)上广义单调.
解:(1)因为f′(x)=2ax-sin x,
令g(x)=2ax-sin x,
则g′(x)=2a-cos x.
①当a≥时,g′(x)≥1-cos x≥0,所以函数f′(x)在R上单调递增.
若x>0,则f′(x)>f′(0)=0;
若x<0,则f′(x)<f′(0)=0,
所以f(x)在(0,+∞)上单调递增,在(-∞,0)上单调递减,
所以f(x)在x=0处取得极小值,符合题意.
②当a≤-时,g′(x)≤-1-cos x≤0,所以函数f′(x)在R上单调递减.
若x>0,则f′(x)<f′(0)=0;
若x<0,则f′(x)>f′(0)=0,
所以f(x)在(0,+∞)上单调递减,在(-∞,0)上单调递增,
所以f(x)在x=0处取得极大值,不符合题意.
③当-<a<时,∃x0∈(0,π),使得cos x0=2a,即g′(x0)=0,
当x∈(0,x0)时,cos x>2a,即g′(x)<0,
所以函数f′(x)在(0,x0)上单调递减,
所以f′(x)<f′(0)=0,
即函数f′(x)在(0,x0)上单调递减,不符合题意.
综上所述,a的取值范围是.
(2)证明:记h(x)=ax2+cos x-xln x(x>0),
①若a>0,注意到ln x<x,则ln x<x,即ln x<2.
当x>2时,h′(x)=2ax-sin x-1-ln x>2ax-2-2
=2a>0.
所以∃m=2,函数h(x)在(m,+∞)上单调递增.
②若a≤0,当x>1时,h′(x)=2ax-sin x-1-ln x≤-sin x-1-ln x<0.
所以∃m=1,函数h(x)在(m,+∞)上单调递减,
综上所述,函数y=f(x)-xln x在区间(0,+∞)上广义单调.
[由题悟法]
对于题目定义的新函数,通过仔细阅读,分析定义以及新函数所满足的条件,围绕定义与条件来确定解题的方向,然后准确作答.解答这类问题的关键在于阅读理解时,要准确把握新定义、新信息,并把它纳入已有的知识体系之中,用原来的知识和方法来解决新情景下的问题.本题考查的新定义函数问题可看成是由两个已知函数构造而成,然后利用分类讨论思想解决.
[即时应用]
若在公共定义域D上,f1(x)<f(x)<f2(x),则称函数f(x)为函数f1(x),f2(x)的“D函数”.
(1)已知函数f1(x)=x2+2x+4ln x,f2(x)=x2+2x+2,求证:在区间(0,+∞)上,f1(x),f2(x)有“D函数”;
(2)已知a∈R,函数f(x)=ax2+ln x,f1(x)=(a-1)x2+ax+(1-a2)ln x,f2(x)=x2+2ax.若在区间(1,+∞)上,f(x)为f1(x),f2(x)的“D函数”,求a的取值范围.
解:(1)证明:设K(x)=f2(x)-f1(x)=x2-4ln x+2,下证K(x)min>0.
K′(x)=x-=,
故K′(x)与K(x)随x的变化情况如下表:
x
(0,2)
2
(2,+∞)
K′(x)
-
0
+
K(x)
4-4ln 2
因为4-4ln 2>4-4ln e=0,
所以K(x)≥4-4ln 2>0.
设R(x)=f1(x)+λ(4-4ln 2),0<λ<1,
则f1(x)<R(x)<f2(x).
所以在区间(0,+∞)上,f1(x),f2(x)有“D函数”.
(2)设H(x)=f1(x)-f(x)=-x2+ax-a2ln x,
则在(1,+∞)上,H(x)<0.
因为H′(x)=-2x-+a==-,
所以在(1,+∞)上,H′(x)<0,H(x)是减函数,
所以H(x)<H(1)≤0,所以a≤1.
设P(x)=f(x)-f2(x)=x2-2ax+ln x,
则在(1,+∞)上,P(x)<0.
若a>,则>1,
所以P=ln>0,矛盾.
若a≤,因为P′(x)=(2a-1)x+-2a=,
所以在(1,+∞)上,P′(x)<0,P(x)是减函数,
所以P(x)<P(1)≤0.
所以a≥-,所以-≤a≤.
故所求a的取值范围为.
1.已知函数f(x)=ln x+-(a∈R且a≠0).
(1)讨论函数f(x)的单调性;
(2)当x∈时,试判断函数g(x)=(ln x-1)ex+x-m的零点个数.
解:(1)f′(x)=(x>0),
当a<0时,f′(x)>0恒成立,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;
当a>0时,由f′(x)=>0,得x>,
由f′(x)=<0,得0<x<,
∴函数f(x)在上单调递增,在上单调递减.
综上所述,当a<0时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;
当a>0时,函数f(x)在上单调递增,在上单调递减.
(2)当x∈时,函数g(x)=(ln x-1)ex+x-m的零点个数,等价于方程(ln x-1)ex+x=m的根的个数.
令h(x)=(ln x-1)ex+x,
则h′(x)=ex+1.
由(1)知当a=1时,f(x)=ln x+-1在上单调递减,在(1,e)上单调递增,
∴当x∈时,f(x)≥f(1)=0.
∴+ln x-1≥0在x∈上恒成立.
∴h′(x)=ex+1≥0+1>0,
∴h(x)=(ln x-1)ex+x在x∈上单调递增,
∴h(x)min=h=-2e+,h(x)max=h(e)=e.
∴当m<-2e+或 m>e时,函数g(x)在上没有零点;
当-2e+≤m≤e时,函数g(x)在上有一个零点.
2.已知函数f(x)=xex.
(1)求f(x)的单调区间与极值;
(2)是否存在实数a使得对于任意的x1,x2∈(a,+∞),且x1<x2,恒有>成立?若存在,求a的取值范围,若不存在,请说明理由.
解:(1)因为f(x)=xex,
所以f′(x)=(x+1)ex.
令f′(x)=0,得x=-1.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(-∞,-1)
-1
(-1,+∞)
f′(x)
-
0
+
f(x)
极小值
所以f(x)的单调递减区间为(-∞,-1),单调递增区间为(-1,+∞),
f(x)有极小值f(-1)=-,无极大值.
(2)存在满足题意的实数a.理由如下:
令g(x)==(x>a),
则>等价于g(x)在(a,+∞)上单调递增.
又g′(x)=,
记h(x)=(x2-ax-a)ex+aea,
则h′(x)=[x2+(2-a)x-2a]ex=(x+2)·(x-a)ex,
故当a≥-2,且x>a时,h′(x)>0,h(x)在(a,+∞)上单调递增.
故h(x)>h(a)=0,从而g′(x)>0,g(x)在(a,+∞)上单调递增,满足题意;
另一方面,当a<-2,且a<x<-2时,h′(x)<0,h(x)在(a,-2)上单调递减.
故h(x)<h(a)=0,
从而g′(x)<0,g(x)在(a,-2)上单调递减,不满足题意.
所以a的取值范围为[-2,+∞).
3.已知函数f(x)=ex+ax+b(a,b∈R)在x=0处的导数值为0.
(1)求实数a的值;
(2)若f(x)有两个零点x1,x2,且x1<x2,
(ⅰ)求实数b的取值范围;
(ⅱ)证明:x1+x2<0.
解:(1)因为f′(x)=ex+a,所以f′(0)=e0+a=1+a,
又f′(0)=0,所以a=-1.
(2)(ⅰ)因为f(x)=ex-x+b,所以f′(x)=ex-1.
当x∈(-∞,0)时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当x∈(0,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增.
所以f(x)在x=0处取得极小值,也是最小值,且f(0)=1+b.
因为f(x)有两个零点x1,x2,
所以f(0)=1+b<0,所以b<-1,
即实数b的取值范围是(-∞,-1).
(ⅱ)证明:因为f(x1)=0,f(x2)=0,
所以ex1-x1+b=0 ①,ex2-x2+b=0 ②,
由②-①得e x2-e x1=x2-x1,即e x1 (e x2-x1-1)=x2-x1.
令x2-x1=t,t>0,则e x1 (et-1)=t,
所以e x1=,e x2=.
要证x1+x2<0,只需证e x1e x2<1,即证·<1,
即证t2et<(et-1)2,即证t2et-(et)2+2et-1<0.
令m(t)=t2et-(et)2+2et-1,
则m′(t)=et(t2+2t+2-2et).
令n(t)=t2+2t+2-2et,则n′(t)=2t+2-2et.
设φ(t)=2t+2-2et,则当t>0时,φ′(t)=2-2et<0,
所以当t>0时,φ(t)单调递减,
因为φ(0)=0,所以当t>0时,φ(t)<0,则n′(t)<0,
所以当t>0时,n(t)单调递减,
又n(0)=0,所以当t>0时,n(t)<0,则m′(t)<0,
所以当t>0时,m(t)单调递减,
因为m(0)=0,所以当t>0时,m(t)<0.
综上可知,原式得证.
4.若对任意实数k,b都有函数y=f(x)+kx+b的图象与直线y=kx+b相切,则称函数f(x)为“恒切函数”,设函数g(x)=aex-x-pa,a,p∈R.
(1)讨论函数g(x)的单调性;
(2)已知函数g(x)为“恒切函数”.
①求实数p的取值范围;
②当p取最大值时,若函数h(x)=g(x)ex-m为“恒切函数”,求证:0≤m<.
(参考数据:e3≈20)
解:(1)g′(x)=aex-1,
当a≤0时,g′(x)<0恒成立,函数g(x)在R上单调递减;
当a>0时,由g′(x)>0,得x>-ln a;由g′(x)<0,得x<-ln a,
所以函数g(x)在(-∞,-ln a)上单调递减,在(-ln a,+∞)上单调递增.
综上,当a≤0时,函数g(x)在R上单调递减;当a>0时,函数g(x)在(-∞,-ln a)上单调递减,在(-ln a,+∞)上单调递增.
(2)①若函数f(x)为“恒切函数”,则函数y=f(x)+kx+b的图象与直线y=kx+b相切,
设切点为(x0,y0),则f′(x0)+k=k且f(x0)+kx0+b=kx0+b,即f′(x0)=0,f(x0)=0.
因为函数g(x)为“恒切函数”,
所以存在x0,使得g′(x0)=0,g(x0)=0,
即解得a=e->0,p=e (1-x0).
设m(x)=ex(1-x),则m′(x)=-xex,
由m′(x)<0,得x>0;由m′(x)>0,得x<0,
故函数m(x)在(-∞,0)上单调递增,在(0,+∞)上单调递减,
从而m(x)max=m(0)=1,
故实数p的取值范围为(-∞,1].
②证明:由①知当p取最大值时,p=1,a=1,
故h(x)=(ex-x-1)ex-m,
则h′(x)=(2ex-x-2)ex.
因为函数h(x)为“恒切函数”,
故存在x0,使得h′(x0)=0,h(x0)=0,
由h′(x0)=0,得(2e-x0-2)e=0,即2ex0-x0-2=0.
设n(x)=2ex-x-2,则n′(x)=2ex-1,
由n′(x)>0,得x>-ln 2;由n′(x)<0,得x<-ln 2,
故n(x)在(-∞,-ln 2)上单调递减,在(-ln 2,+∞)上单调递增.
在单调递增区间(-ln 2,+∞)上,n(0)=0,
故x0=0,
则由h(x0)=0,得m=0.
在单调递减区间(-∞,-ln 2)上,n(-2)=2e-2>0,
n=2e--≈2×(20)--=-<0,
故在区间上存在唯一的x0,使得2e-x0-2=0,即e=,
此时由h(x0)=0,得m=(e-x0-1)ex0=·=-x0(x0+2)=-(x0+1)2+,
因为函数r(x)=-(x+1)2+在上单调递增,且r(-2)=0,r=,所以0<m<.
综上,0≤m<.