高考数学破解命题陷阱专题07与导数有关的构造函数

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高考数学破解命题陷阱专题07与导数有关的构造函数

专题 07 与导数有关的构造函数 一.命题陷阱: 1.图形考虑不周陷阱; 2.思维定式陷阱(与等式有关的构造函数); 3. 已知条件中含有导函数值而无从下手; 4.恒成立中的最值陷阱 5. 含有导函数的式子中的和差构造陷阱 6.与三角函数有关的构造函数 7.忽视分母造成解集不完备 8.与指数函数对数函数有关的构造 二.典例分析及练习 (一)图形考虑不周陷阱 例 1. 已知    x xf x x Re   ,若关于 x 的方程    2 1 0f x mf x m    恰好有 4 个不相等的实数解, 则实数 m 的取值范围为( ) A.  1 ,2 2,ee      B. 1 ,1e      C. 11, 1e     D. 1 ,ee      【答案】C 【解析】 化简可得 ( ) xf x x e  = , 0 , , 0 x x x xe x xe       当 0x  时, ' 1( ) x xf x e  , 当 0≤x<1 时, '( ) 0f x  ,当 1x  时, '( ) 0f x  ∴ ( )f x 在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)单调递减; 当 x<0 时, '( ) 1 xx ef x  <0,f(x)为减函数, ∴函数 ( ) xf x x e  在(0,+∞)上有一个最大值为 1(1)f e  ,作出函数 ( )f x 的草图如图: 则方程 2 ( ) ( ) 1 0f x tf x t    等价为 2 1 0m tm t    , 要使关于 x 的方程 2 ( ) ( ) 1 0f x tf x t    恰好有 4 个不相等的实数根, 等价为方程 2 1 0m tm t    有两个不同的根 m1> 1 e 且 0<m2< 1 e , 设 2( ) 1 0g m m tm t     , 则   2 0 1 0 1 1 1 11 0 0 02 g t t t eg t te e e e tt                        解得 1<t<1+ 1 e , 故答案选:C. 陷阱预防:这类问题根据已知条件画出函数的图象,利用图象求解时注意切线等特殊位置 练习 1. 已知函数     2 , 1,{ 1 ,1 2 x xf x ln x x     ,若不等式   4f x mx  恒成立,则实数 m 的取值范围是 ( ) A.  2, B.  2,0 C.  2,2 D.  0,2 【答案】D 【解析】画出函数 f(x)   2 , 1,{ 1 ,1 2 x x ln x x     的图象, 练习 2. 已知函数   lnxf x x  ,关于 x 的不等式    2 0f x af x  只有 1 个整数解,则实数 a 的取值范围 是( ) A. 1 1ln2, ln32 3      B. 1 1ln2, ln32 3      C. 1 1ln2, ln32 3      D. 1 1ln2, ln32 3     【答案】D 【解析】由   lnxf x x  得   2 1 lnxf x x  。 ∴当 0 x e  时,    ' 0,f x f x 单调递增;当 x e 时,    ' 0,f x f x 单调递减。 ∴当 x e 时,  f x 有最大值,且    max 1f x f e e   , 且 x   时,   0f x  ; 0x  时, , (1) 0x f   ; 故在(0,1)上,   0f x  ,在(1,+∞)上,   0f x  , 作出函数 f(x)的图象如下: ①当 0a  时,由    2 0f x af x  得   0f x  ,解集为(0,1)∪(1,+∞), 所以不等式的整数解有无数多个,不合题意; ②当 0a  时,由    2 0f x af x  得   0f x  或   0f x a  。 当   0f x  时,解集为(1,+∞),有无数个整数解; 当   0f x a  时,解集为(0,1)的子集,不含有整数解。 故 0a  不合题意。 综上,选 D。 【方法规律】函数图象在研究零点个数、解的个数中的应用 (1)研究两函数图象的交点个数:在同一坐标系中分别作出两函数的图象,数形结合求解; (2)确定方程根的个数:当方程与基本函数有关时,可以通过函数图象来研究方程的根,方程 f(x)=0 的 根就是函数 f(x)图象与 x 轴的交点的横坐标,方程 f(x)=g(x)的根就是函数 f(x)与 g(x)图象交点的横坐 标; (3)研究不等式的解:当不等式问题不能用代数法求解,但其对应函数的图象可作出时,常将不等式问题 转化为两函数图象的上、下关系问题,从而利用数形结合求解. (二)思维定式陷阱(与等式有关的函数构造) 例 2. 若函数  f x 满足      ' 3 , 1 0xxf x f x x e f   ,则当 0x  时,  f x ( ) A. 有极大值,无极小值 B. 有极小值,无极大值 C. 既有极大值又有极小值 D. 既无极大值又无极小值 【答案】C 【解析】由题设知,当 0x  时,      ' 3 2 2 ' x xf x xf x f x x e xex x x         , 可得    1 (xf x x e C Cx    为常数),又  1 0f  ,得 C=0 所以    1 xf x x x e  . 故选 B. 陷阱预防:这类问题在构造函数是,注意逆向思维,构造出的函数的导函数与已知条件相同,或者能够利 用已知条件求解. 练习 1. 函数  f x 的导函数为  f x ,满足     ln2 xxf x f x x   ,且   1 2f e e  ,则  f x 的极值情况 为( ) A. 有极大值无极小值 B. 有极小值无极大值 C. 既有极大值又有极小值 D. 既无极大值也无极小值 【答案】D 【解析】     ln2 xxf x f x x      2 2x f x xf x lnx     '2x f x lnx     2x f x lnx x c    将 x e 代入可得:  2e f e elne e c     1 2f e e  c 2 e  则  2 2 ex f x lnx x     2 2 2 2 xlnx x ef x x     2 2 3´ 4 4 8 8 4 4 x lnx x lnx x exf x x     = 3 2xlnx x e x    令   2g x xlnx x e    则  ´ 1g x lnx  ,当  0,x e 时,  ´ 0g x  ,当  ,x e  时,  ´ 0g x  , 故当 x e 时,  g x 取最大值 0,故   0g x  恒成立,故   0f x  恒成立,故既无极大值也无极小值, 故选 D 练习 2. 若函数  f x 在 R 上可导,且    2 2 2 3f x x f x   ,则( ). A.    0 4f f B.    0 4f f C.    0 4f f D. 以上都不对 【答案】C 【方法规律】常用的构造函数有:    f x xf x  ,构造 xf(x); 2xf(x)+x2f′(x),构造 x2f(x);    xf x f x  ,构造  f x x ;    f x f x  ,构造   x f x e ;    f x f x  ,构造  xe f x .等等. (三)已知条件中含有导函数值陷阱 例 3.已知函数  f x 在 R 上可导,且      22 0 1xf x f x    ,则  0f 的值为( ) A. ln2 B. 0 C. 1 D. 1 ln2 【答案】D 【解析】由      22 0 1xf x f x    可得: '( ) 2 ln2 '(0) 2xf x f x   ,令 0x  得 '(0) ln2f  ,所 以令 0x  代入原式得: (0) 1 ln2f   陷阱预防: 根据已知条件先求特殊值的导函数值后再求解 练习 1.若函数  f x 在 R 上可导,且    2 2 2 3f x x f x   ,则( ). A.    0 4f f B.    0 4f f C.    0 4f f D. 以上都不对 【答案】C 练习 2. 若函数   4 2f x ax bx c + + 满足  1 2f   ,则  1f   等于( ) A. -1 B. -2 C. 2 D. 0 【答案】B 【解析】∵   4 2f x ax bx c + + ,∴   3' 4 2f x ax bx  ,令函数     3' 4 2g x f x ax bx   ,可得    34 2g x ax bx g x      ,即函数  g x 为奇函数,∴  ' 1 ' 1 2f f    () ,故选 B. (四)恒成立中的最值陷阱 例 4. 已知函数     2 , 1,{ 1 ,1 2 x xf x ln x x     ,若不等式   4f x mx  恒成立,则实数 m 的取值范围是 ( ) A.  2, B.  2,0 C.  2,2 D.  0,2 【答案】D 【解析】画出函数 f(x)   2 , 1,{ 1 ,1 2 x x ln x x     的图象, 由 y= 4 mx 可得直线在 y 轴上的截距为 4, 若 4   4f x mx  恒成立, y 4 mx  图像恒在分段函数的上方,故 2. 0 2.m m      故选:D. 陷阱预防: 恒成立问题中要分清求的是最大值还是最小值 练习 1. 函数  f x 在实数集 R 上连续可导,且    2 0f x f x  在 R 上恒成立,则以下不等式一定成立 的是( ) A.     2 21 ff e > B.     2 21 ff e < C. f(-2)>e3f(1) D. f(-2)<e3f(1) 【答案】A 练习 2. 设函数  f x 的导函数为  f x ,且在 R 上    2 0f x xf x  恒成立,则  1f ,  2017 2017f ,  2018 2018f 的大小关系为( ) A.      1 2018 2018 2017 2017f f f  B.      1 2017 2017 2018 2018f f f  C.      2018 2018 1 2017 2017f f f  D.      2018 2018 2017 2017 1f f f  【答案】D 【解析】设函数    2g x x f x ,则          22 2g x xf x x f x x f x xf x       ,因为    2 0f x xf x  在 R 上恒成立,故当 0x  时,   0g x  恒成立,所以函数    2g x x f x 在 0x  时,单调递减,所以      2018 2017 1g g g  ,即      2018 2018 2017 2017 1f f f  成立, 故选 D. 【方法规律】函数恒成立求参的问题,方法一般有:变量分离,转化成函数最值问题;直接构造函数,使 函数最值和 0 比较;分离成两个函数,让其中一个函数在另一个的上方或者下方. (五)含有导函数的式子中的和差构造 例 5.函数  f x 在其定义域内满足  xf x   xf x e  ,(其中  f x 为函数  f x 的导函数),  1f e ,则函数  f x A. 有极大值,无极小值 B. 有极小值,无极大值 C. 既有极大值又有极小值 D. 既无极大值又无极小值 【答案】B 故选:B 陷阱预防: 根据含有导函数式子中和差,一般情况下,和考虑构造函数的积,差考虑函数的商,余弦函数 正好相反. 练习 1. 已知定义在 R 上的奇函数  f x 的导函数为  f x ,当 0x  时,  f x 满足,      2 f x xf x xf x  ,则  f x 在 R 上的零点个数为( ) A. 5 B. 3 C. 1 或 3 D. 1 【答案】D 【解析】根据题意可构造函数  2 , 0x x f xF x xe ( ) ( < ), 则              2 2 2 2 '2 '' x x x xx x f x xf x xf xxf x e x f x e x f x eF x ee       ( ) , 由题当 0x  时,  f x 满足,      2 f x xf x xf x  ,, ' 0F x ( )> , 即函数 F x( )在 0x< 时是增函数, 又 0 0F ( ) , ∴当 0 0 0x F x F < ,( )<( ) 成立, ∵对任意 2 0 0 0x xx f x f xe  < , > , ( )< , ( )是奇函数, ∴ 0x> 时, 0f x( )> ,即 0f x ( ) 只有一个根就是 0. 故选 D。 练习 2. 设  f x 是定义在 ,0 上的可导函数,其导函数为  'f x ,且有    ' 0f x xf x  ,则不等式      2017 2017 1 0x f x f     的解集为( ) A.  , 2017  B.  2018,0 C.  2018, 2017  D.  , 2018  【答案】C 【解析】 由      ' 0, 0f x xf x x   ,即   ' 0xf x    ,令    F x xf x ,则当 0x  时,得  ' 0F x  ,即  F x 在 ,0 上是增函数,      2017 +2017 +2017F x x f x   ,    1 1F f    ,即不等式等价为    2017 1F x F   ,  F x 在 ,0 上是增函数, 由    2017 1F x F   得, 2017 1x    ,即 2018x   ,又因为  f x 是定义在  ,0 ,所以 2017 0x   ,故 2017x   ,不等 式     2017 2017 1 0x f x f     的解集为  2018, 2017  ,故选 C. (六)与三角函数有关的构造函数 例 6.定义在 0, 2     上可导函数  f x 的导数为  f x ,且      cos sin 0, 0 0f x x f x x f   ,则下列 判断中,一定正确的是( ) A. 26 3f f           B. 24 3f f           C.  ln2 0f  D. 26 4f f           【答案】A 故选 A. 陷阱预防: 构造函数时注意正弦、余弦的导数公式,尤其注意余弦的导数公式的符号 练习 1.定义在 0, 2      上的函数  f x ,  f x 是它的导函数,且恒有    cos sin 0xf x f x x  成 立,则 A. 2 34 3f f           B.   1sin1 1 2 6f f      C. 26 4f f           D. 36 3f f           【答案】B 【解析】构造函数    sing x f x x ,则  g x     cos sin 0xf x f x x  ,即 g(x)在 0, 2      上单调递 增,所以  16g g     ,即  sin 1 sin16 6f f      ,故选 B. 练习 2.定义在 0, 2      上的函数  y f x 满足:    tanf x f x x 恒成立,则下列不等式中成立的是 ( ) A. 3 6 3f f           B.   2 31 sin13 3f f      C. 2 6 4f f           D. 3 24 3f f           【答案】A 故答案选 A. 【方法规律】根据含导函数的不等式构造原函数时要注意从以下几种类型考虑: 1 原函数是函数和差的组合; 2 原函数是函数乘除的组合; 3 原函数是函数与 x 的乘除的组合; 4 原函数是函数与 xe 的乘除的组合; 5 原函数是函数与  sin cosx x 的乘除的组合; 6 原函数是函数与 lnx 的乘除的组合. (七)忽视分母造成解集不完备 例 7. 已知函数  f x 是定义在 0, 的可导函数,  'f x 为其导函数,当 0x  且 1x  时,    2 ' 01 f x xf x x   ,若曲线  y f x 在 1x  处的切线的斜率为 3 4  ,则  1f  ( ) A. 0 B. 1 C. 3 8 D. 1 5 【答案】C 【解析】当 0x> 且 1x  时,    2 ' 01 f x xf x x   ,可得: 1x> 时, 2 ' 0f x xf x( ) ( )> ; 1 0x> > 时, 2 ' 0f x xf x( ) ( )< . 令 2 0g x x f x x   ( ) ( ), ( , ).  2' 2 ' 2 'g x xf x x f x x f x xf x    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ).可得: 1x> 时, ' 0g x( )> ; 1 0x> > 时, ' 0g x( )< . 可得:函数 g x( )在 1x  处取得极值, 3' 1 2 1 ' 1 0 ' 1 4g f f f     () () () , () , 1 3 31 2 4 8f          () . 故答案为 3 8 陷阱预防: 解答时讨论分母的正负 练习 1. 对于 R 上可导的任意函数  f x ,若满足   1 0' x f x   ,则必有( ) A.      0 2 2 1f f f  B.      0 2 2 1f f f  C.      0 2 2 1f f f  D.      0 2 2 1f f f  【答案】A 【解析】试题分析:由题意 1x  时,  ' 0f x  ,  f x 递减, 1x  时,  ' 0f x  ,  f x 递增, 因此    0 1f f ,    2 1f f ,所以      0 2 2 1f f f  .故选 A. 练习 2. 设  'f x 为定义在 *R 上的函数  f x 的导函数,且    ' 0f xf x x   恒成立,则( ) A.    3 4 4 3f f B.    3 4 4 3f f C.    3 3 4 4f f D.    3 3 4 4f f 【答案】A 【解析】    ' 0f xf x x   ,即    ' 0xf x f x x   ,设    f xg x x  ,则       2 '' xf x f xg x x  ,当 0x  时,  ' 0g x  恒成立,即  g x 在 0 +, 上单调递增,        4 34 3 , 4 3 f fg g    ,    3 4 4 3f f  ,故选 A. 【方法规律】求解这类问题一定要耐心读题、读懂题,通过对问题的条件和结论进行类比、联想、抽象、 概括,准确构造出符合题意的函数是解题的关键;解这类不等式的关键点也是难点就是构造合适的函数, 构造函数时往往从两方面着手:①根据导函数的“形状”变换不等式“形状”;②若是选择题,可根据选 项的共性归纳构造恰当的函数.本题根据①,联想到函数    F x xf x ,再结合条件判断出其单调性,进 而得出正确结论. (八)与指数函数对数函数有关的构造 例 8.定义在 R 上的函数  f x 与其导函数  f x 满足     1 xf x f x e  ,则下列不等式一定成立的是 ( ) A.    0 1f e ef  B.    0 1f e ef  C.    0 1f e f  D.    0 1f e f  【答案】A 【解析】由     1 xf x f x e  可得     0xe f x f x e     。 令    xg x e f x ex  ,则       0xg x e f x f x e      。 ∴函数  g x 在在 R 上为增函数, ∴    1 0g g ,即    1 0ef e f  , ∴    0 1f e ef  .选 A. 陷阱预防:构造函数时注意原函数是函数与 xe 的乘除的组合,原函数是函数与 lnx 的乘除的组合 练习 1.定义域为 R 的可导函数  y f x 的导函数为  f x ,满足    f x f x  ,且  0 1f  则不等式   1x f x e  的解集为( ) A.  ,0 B.  0, C.  ,2 D.  2, 【答案】B 练习 2.已知定义在 0, 上的函数  f x 的导数为  f x ,且满足     2ln 2f x x x f x , 则( ) A.      3 26 2 3f e f e f e  B.      2 36 3 2f e f e f e  C.      2 36 3 2f e f e f e  D.      3 26 2 3f e f e f e  【答案】B 【解析】令 g(x)=   2ln F x x ,则 g′(x)         2 22 * ln 2 0 ln f x x x f x x x     , 故 g(x)在(0,+∞)递增, 故 g(e)<g(e2)<g(e3), 故 6f(e)<3f(e2)<2f(e3), 故选:B. 练习 3.设函数  f x 是定义在  ,0 上的可导函数,其导函数为  'f x ,且有    ' 3xf x f x ,则不等 式      38 2015 2015 2 0f x x f     的解集为( ) A.  , 2017  B.  2017,0 C.  2017, 2015  D.  , 2018  【答案】C 【解析】函数  f x 是定义在 ,0 上的可导函数,其导函数为  f' x ,且有    xf' x 3f x ,,即 0,x     2 ' 3 0x f x xf x   ,设     3 f xF x x  ,则即      2 3 6 ' 3 ' 0 x x f x xf xf x x x          ,则当 0x  时, 得  ' 0F x  ,即  F x 在 ,0 上是减函数,      3 20152015 2015 f xF x x     ,         3 2 22 82 f fF       ,即不等式      38 2015 2015 2 0f x x f     等价为    2015 2 0F x F        2014 2F x F   ,  F x 在 ,0 是减函数,可得, 2015 2x    ,即 2017x   ,又因为  f x 定义在 ,0 ,所以 2015 0,x 2015x     , 不等式      38 2015 2015 2 0f x x f     的解集为  2017, 2015  ,故选 C. 【方法规律】解答这类题的关键是构造函数,主要考查导数运算法则的逆用.根据含导函数的不等式构造原 函数时要注意从以下几种类型考虑:①原函数是函数和差的组合;②原函数是函数乘除的组合;③原函数 是函数与 x 的乘除的组合;④原函数是函数与 xe 的乘除的组合;⑤原函数是函数与  sin cosx x 的乘除的组 合;⑥原函数是函数与 lnx 的乘除的组合. 三.高考真题体验 1.若 2x   是函数 2 1( ) ( 1) xf x x ax e    的极值点,则 ( )f x 的极小值为( ) A. 1 B. 32e C. 35e D.1 【答案】A 【解析】 试题分析:由题可得 1 2 1 2 1( ) (2 ) ( 1) [ ( 2) 1]x x xf x x a e x ax e x a x a e             因为 ( 2) 0f    ,所以 1a   , 2 1( ) ( 1) xf x x x e    ,故 2 1( ) ( 2) xf x x x e     令 ( ) 0f x  ,解得 2x   或 1x  ,所以 ( )f x 在 ( , 2),(1, )   单调递增,在 ( 2,1) 单调递减 所以 ( )f x 极小值为   1 11 (1 1 1) 1f e      ,故选 A。 2.函数 y=f(x)的导函数 ( )y f x 的图像如图所示,则函数 y=f(x)的图像可能是 【答案】D 【解析】 试题分析:原函数先减再增,再减再增,且由增变减时,极值点大于 0,因此选 D. 3.已知函数 2 1 1( ) 2 ( )x xf x x x a e e      有唯一零点,则 a= A. 1 2  B. 1 3 C. 1 2 D.1 【答案】C 【解析】 试题分析:函数的零点满足  2 1 12 x xx x a e e      , 设   1 1x xg x e e    ,则    2 1 1 1 1 1 1 1 1x x x x x x eg x e e e e e              , 当   0g x  时, 1x  ,当 1x  时,   0g x  ,函数  g x 单调递减, 当 1x  时,   0g x  ,函数  g x 单调递增, 当 1x  时,函数取得最小值  1 2g  , 设   2 2h x x x  ,当 1x  时,函数取得最小值 1 , 若 0a  ,函数  h x 与函数  ag x 没有交点, 当 0a  时,    1 1ag h  时,此时函数  h x 和  ag x 有一个交点, 即 2 1a    ,解得 1 2a  .故选 C. 4.设函数 ( )f x = (2 1)xe x ax a   ,其中 a 1,若存在唯一的整数 0x ,使得 0( )f x 0,则 a 的取值范围是 ( ) (A)[- 3 2e ,1) (B)[- 3 2e , 3 4 ) (C)[ 3 2e , 3 4 ) (D)[ 3 2e ,1) 【答案】D 当 0x  时, (0)g =-1, (1) 3 0g e  ,直线 y ax a  恒过(1,0)斜率且 a ,故 (0) 1a g    ,且 1( 1) 3g e a a      ,解得 3 2e ≤ a <1,故选 D. 5.设函数 ' ( )f x 是奇函数 ( )( )f x x R 的导函数, ( 1) 0f   ,当 0x  时, ' ( ) ( ) 0xf x f x  ,则使得 ( ) 0f x  成立的 x 的取值范围是( ) A. ( , 1) (0,1)   B. ( 1,0) (1, )  C. ( , 1) ( 1,0)   D. (0,1) (1, ) 【答案】A 【解析】记函数 ( )( ) f xg x x  ,则 ' ' 2 ( ) ( )( ) xf x f xg x x  ,因为当 0x  时, ' ( ) ( ) 0xf x f x  ,故当 0x  时, ' ( ) 0g x  ,所以 ( )g x 在 (0, ) 单调递减;又因为函数 ( )( )f x x R 是奇函数,故函数 ( )g x 是偶函数, 所以 ( )g x 在 ( ,0) 单调递减,且 ( 1) (1) 0g g   .当 0 1x  时, ( ) 0g x  ,则 ( ) 0f x  ;当 1x   时, ( ) 0g x  ,则 ( ) 0f x  ,综上所述,使得 ( ) 0f x  成立的 x 的取值范围是 ( , 1) (0,1)   ,故选 A. 6.对二次函数 2( )f x ax bx c   ( a 为非零常数),四位同学分别给出下列结论,其中有且仅有一个结论 是错误的,则错误的结论是( ) A. 1 是 ( )f x 的零点 B.1 是 ( )f x 的极值点 C.3 是 ( )f x 的极值 D. 点 (2,8) 在曲线 ( )y f x 上 【答案】A 【解析】若选项 A 错误时,选项 B、C、D 正确,   2f x ax b   ,因为1是  f x 的极值点,3是  f x 的 极值,所以     1 0 1 3 f f    ,即 2 0 3 a b a b c       ,解得: 2 3 b a c a      ,因为点 2,8 在曲线  y f x 上,所以 4 2 8a b c   ,即  4 2 2 3 8a a a      ,解得: 5a  ,所以 10b   , 8c  ,所以   25 10 8f x x x   ,因为      21 5 1 10 1 8 23 0f           ,所以 1 不是  f x 的零点,所以 选项 A 错误,选项 B、C、D 正确,故选 A. 7.曲线 2y x 与直线 y x 所围成的封闭图形的面积为 . 【答案】 1 6 【解析】在同一坐标系内作出两个函数的图象,解议程组 2y x y x     得两曲线的交点坐标为 (0,0),(1,1) ,由 图可知峡谷曲线所围成的封闭图形的面积   1 1 2 2 3 0 0 1 1 1 2 3 6S x x dx x x        . 8.若定义在 R 上的函数  f x 满足  0 1f   ,其导函数  f x 满足   1f x k   ,则下列结论中一 定错误的是( ) A. 1 1f k k      B. 1 1 1f k k       C. 1 1 1 1f k k       D. 1 1 1 kf k k       【答案】C
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