2020高中数学 第三章函数的单调性与导数
3.3.1 函数的单调性与导数
学习目标:1.理解函数的单调性与导数的关系.(重点)2.能利用导数研究函数的单调性,会求不超过三次的多项式函数的单调区间和其他函数的单调区间.(重点)3.能根据函数的单调性求参数.(难点)
[自 主 预 习·探 新 知]
1.函数的单调性与其导数正负的关系
定义在区间(a,b)内的函数y=f(x)
f′(x)的正负
f(x)的单调性
f′(x)>0
单调递增
f′(x)<0
单调递减
思考:若函数f(x)在区间(a,b)内单调递增,则f′(x)>0这个说法正确吗?
[提示] 不正确,应该是f′(x)≥0.
2.函数图象的变化趋势与导数值大小的关系
一般地,设函数y=f(x),在区间(a,b)上
导数的绝对值
函数值变化
函数的图象
越大
快
比较“陡峭”(向上或向下)
越小
慢
比较“平缓”(向上或向下)
[基础自测]
1.思考辨析
(1)函数f(x)在定义域上都有f′(x)>0,则函数f(x)在定义域上单调递增.
( )
(2)函数在某一点的导数越大,函数在该点处的切线越“陡峭”. ( )
(3)函数值在某个区间上变化越快,函数在这个区间上导数的绝对值越大.
( )
(4)在区间(a,b)内,f′(x)>0是f(x)在此区间上单调递增的充要条件.
( )
[答案] (1)× (2)× (3)√ (4)×
2.函数y=x3+x的单调递增区间为( )
A.(0,+∞) B.(-∞,1)
C.(1,+∞) D.(-∞,+∞)
D [y′=3x2+1>0,故选D.]
3.若在区间(a,b)内,f′(x)>0,且f(a)≥0,则在(a,b)内有( )
【导学号:97792146】
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A.f(x)>0 B.f(x)<0
C.f(x)=0 D.不能确定
A [由f′(x)>0知函数f(x)在区间(a,b)内是增函数,且f(a)≥0,故f(x)>0.]
[合 作 探 究·攻 重 难]
函数的单调性与单调区间
(1)函数f(x)=3x2-2ln x的单调递减区间为__________.
(2)设函数f(x)=x--aln x(a∈R),讨论f(x)的单调性.
[思路探究] (1)求f′(x)⇒解不等式f′(x)<0
(2)求f′(x)⇒根据a的取值判断f′(x)的正负号.
[解析] (1)函数f(x)的定义域为(0,+∞).
f′(x)=6x-=
令f′(x)<0,即<0,解得-
0,故00,g(x)=0的两根都小于0.在(0,+∞)上,f′(x)>0.故f(x)在(0,+∞)上单调递增.
③当a>2时,Δ>0,g(x)=0的两根为
x1=,x2=.
当00;当x1x2时,f′(x)>0.
故f(x)分别在,上单调递增,在
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上单调递减.
[规律方法]
求函数y=f(x)的单调区间的步骤:
(1)确定函数y=f(x)的定义域;
(2)求导数y′=f′(x);
(3)解不等式f′(x)>0,函数在定义域内的解集上为增函数;
(4)解不等式f′(x)<0,函数在定义域内的解集上为减函数.
[跟踪训练]
1.(1)函数y=x3-x2-x的单调递增区间为( )
A.和(1,+∞)
B.
C.∪(1,+∞)
D.
A [y′=3x2-2x-1,令y′>0,得x<-或x>1,所以函数的单调递增区间为和(1,+∞),故选A. ]
(2)讨论函数f(x)=x2+aln x(a∈R,a≠0)的单调性.
[解] 函数定义域为(0,+∞),f′(x)=x+.
①当a>0时,f′(x)=x+>0恒成立,这时函数只有单调递增区间为(0,+∞);
②当a<0时,由f′(x)=x+>0,得x>;由f′(x)=x+<0,得0<x<,所以当a<0时,函数的单调递增区间是,单调递减区间是(0,).
综上,当a>0时,单调递增区间为(0,+∞),无单调递减区间;当a<0时,单调递增区间为(,+∞),单调递减区间为(0,).
导数与函数图象的关系
(1)f′(x)是函数y=f(x)的导函数,若y=f′(x)的图象如图331所示,则函数y=f(x)的图象可能是( )
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图331
(2)已知函数y=f(x)的图象如图332所示,则函数y=f′(x)的图象可能是图中的 ( )
【导学号:97792147】
图332
[解析] (1)由f′(x)>0(f′(x)<0)的分界点判断原函数在此分界点两侧的图象的上升和下降趋势.由已知可得x的取值范围和f′(x)的正、负,f(x)的增减变化情况如下表所示:
x
(-∞,0)
(0,2)
(2,+∞)
f′(x)
+
-
+
f(x)
↗
↘
↗
由表可知f(x)在(-∞,0)内递增,在(0,2)内递减,在(2,+∞)内递增,满足条件的只有D,故选D.
(2)由函数y=f(x)的图象的增减变化趋势判断函数y=f′(x)的正、负情况如下表:
x
(-1,b)
(b,a)
(a,1)
f(x)
↘
↗
↘
f′(x)
-
+
-
由表可知函数y=f′(x)的图象,当x∈(-1,b)时,函数图象在x轴下方;当x∈(b,a)时,函数图象在x轴上方;当x∈(a,1)时,函数图象在x轴下方.故选C.
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[答案] (1)D (2)C
[规律方法] (1)研究函数与导数图象间对应关系的注意点
研究一个函数的图象与其导函数图象之间的关系时,注意抓住各自的关键要素,对于原函数,要注意其图象在哪个区间内单调递增,在哪个区间内单调递减;而对于导函数,则应注意其函数值在哪个区间内大于零,在哪个区间内小于零,并分析这些区间与原函数的单调区间是否一致.
(2)导数与函数图象的关系
函数值增加得越来越快
函数值增加得越来越慢
f′(x)>0且越来越大
f′(x)>0且越来越小
函数值减少得越来越快
函数值减少得越来越慢
f′(x)<0且越来越小绝对值越来越大
f′(x)<0且越来越大绝对值越来越小
提醒:函数图象变化得越快,f′(x)的绝对值越大,不是f′(x)的值越大.
[跟踪训练]
2.(1)设函数f(x)在定义域内可导,y=f(x)的图象如图333所示,则导函数y=f′(x)可能为( )
图333
D [由函数的图象知:当x<0时,函数单调递增,导数应始终为正;当x
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>0时,函数先增后减再增,导数应先正后负再正,对照选项,只有D正确.]
(2)函数y=f(x)在定义域内可导,其图象如图334,记y=f(x)的导函数为y=f′(x),则不等式f′(x)<0的解集为__________.
图334
∪(2,3) [根据导数和图象单调性的关系知当x∈∪(2,3)时f′(x)<0.]
已知函数的单调性求参数的取值范围
[探究问题]
1.在区间(a,b)内,若f′(x)>0,则f(x)在此区间上单调递增,反之也成立吗?
提示:不一定成立.比如y=x3在R上为增函数,但其在x=0处的导数等于零.也就是说f′(x)>0是y=f(x)在某个区间上递增的充分条件.
2.一般地,在区间(a,b)内函数的单调性与导数有什么关系?
提示:
函数的单调性
导数
单调递增
f′(x)≥0且f′(x)不恒为0
单调递减
f′(x)≤0且f′(x)不恒为0
常函数
f′(x)=0
已知函数f(x)=x3-ax-1,
(1)若f(x)在区间(1,+∞)内为增函数,求a的取值范围;
(2)若f(x)的单调递减区间为(-1,1),求a的值.
[思路探究] (1)转化为f′(x)≥0在(1,+∞)上恒成立,求a的范围;
(2)由f′(x)<0,求单调减区间,对比已知,求a的值.
[解] (1)因为f′(x)=3x2-a,且f(x)在区间(1,+∞)上为增函数,
所以f′(x)≥0在(1,+∞)上恒成立,即3x2-a≥0在(1,+∞)上恒成立,所以a≤3x2在(1,+∞)上恒成立,即a≤3.
(2)f′(x)=3x2-a.
①当a≤0时,f′(x)≥0,无减区间,不满足条件.
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②当a>0时,令3x2-a=0,得x=±;
当-<x<时,f′(x)<0.
因此f(x)在上为减函数.
所以=1,即a=3.
[规律方法] 1.利用导数法解决取值范围问题的两个基本思路
(1)将问题转化为不等式在某区间上的恒成立问题,即f′(x)≥0(或f′(x)≤0)恒成立,利用分离参数或函数性质求解参数范围,然后检验参数取“=”时是否满足题意.
(2)先令f′(x)>0(或f′(x)<0),求出参数的取值范围后,再验证参数取“=”时f(x)是否满足题意.
2.恒成立问题的重要思路
(1)m≥f(x)恒成立⇒m≥f(x)max.
(2)m≤f(x)恒成立⇒m≤f(x)min.
[跟踪训练]
3.(1)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__________.
【导学号:97792148】
[1,+∞) [由于f′(x)=k-,f(x)=kx-ln x在区间(1,+∞)上单调递增⇔f′(x)=k-≥0在(1,+∞)上恒成立.
由于k≥,而0<<1,所以k≥1.
即k的取值范围为[1,+∞).]
(2)已知函数f(x)=x2+2aln x.
①试讨论函数f(x)的单调区间
②若函数g(x)=+f(x)在[1,2]上是减函数,求实数a的取值范围.
[解] ①f′(x)=2x+=,函数f(x)的定义域为(0,+∞).
Ⅰ.当a≥0时,f′(x)>0,
f(x)的单调递增区间为(0,+∞);
Ⅱ.当a<0时,
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f′(x)=,
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(0,)
,+∞
f′(x)
-
0
+
f(x)
递减
递增
由上表可知,函数f(x)的单调递减区间是(0,);
单调递增区间是(,+∞).
②由g(x)=+x2+2aln x,
得g′(x)=-+2x+,
由已知函数g(x)为[1,2]上的单调减函数,
则g′(x)≤0在[1,2]上恒成立,
即-+2x+≤0在[1,2]上恒成立,
即a≤-x2在[1,2]上恒成立,
令h(x)=-x2,
则h′(x)=--2x=-<0,
x∈[1,2],
所以h(x)在[1,2]上为减函数,
h(x)min=h(2)=-,
所以a≤-.
故实数a的取值范围为.
[当 堂 达 标·固 双 基]
1.下列函数中,在(0,+∞)内为增函数的是( )
A.y=sin x B.y=xex
C.y=x3-x D.y=-x+ln x
B [对于y=xex,y′=ex+xex=ex(1+x)>0,
∴y=xex在(0,+∞)内为增函数.]
2.在R上可导的函数f(x)的图象如图335所示,则关于x的不等式x·f′(x)<0的解集为( )
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图335
A.(-∞,-1)∪(0,1)
B.(-1,0)∪(1,+∞)
C.(-2,-1)∪(1,2)
D.(-∞,-2)∪(2,+∞)
A [当x>0时,f′(x)<0,此时00,此时x<-1,
因此xf′(x)<0的解集为(-∞,-1)∪(0,1).]
3.函数f(x)=(x-1)ex的单调递增区间是________.
(0,+∞) [f′(x)=(x-1)′ex+(x-1)(ex)′=xex,
令f′(x)>0,解得x>0,故f(x)的增区间为(0,+∞).]
4.若函数f(x)=x3+x2+mx+1是R上的单调增函数,则m的取值范围是________.
[∵f′(x)=3x2+2x+m,由题意知f(x)在R上单调递增,
∴Δ=4-12m≤0,∴m≥.]
5.设f(x)=,其中a为正实数.若f(x)为R上的单调函数,求a的取值范围.
【导学号:97792149】
[解] 对f(x)求导得f′(x)=ex,
若f(x)为R上的单调函数,
则f′(x)在R上不变号,结合a>0,知ax2-2ax+1≥0在R上恒成立,
因此Δ=4a2-4a=4a(a-1)≤0,
由此并结合a>0,知0<a≤1.
即a的取值范围为(0,1].
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