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二轮导数.doc

1、 第3讲、导数及其应用 【高考解读】 导数的概念及其运算是导数应用的基础,这是高考重点考查的内容.考查方式以客观题为主,主要考查:一是导数的基本公式和运算法则,以及导数的几何意义;二是导数的应用,特别是利用导数来解决函数的单调性与最值问题、证明不等式以及讨论方程的根等,已成为高考热点问题;三是应用导数解决实际问题. 【主干知识梳理】 1. 导数的几何意义 函数y=f(x)在点x=x0处的导数值就是曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处的切线的斜率,其切线方程是y-f(x0)=f′(x0)(x-x0). 2. 导数与函数单调性的关系 (1)f′(x)>0是f(x)为增函数的充分

2、不必要条件,如函数f(x)=x3在(-∞,+∞)上单调递增,但f′(x)≥0. (2)f′(x)≥0是f(x)为增函数的必要不充分条件,当函数在某个区间内恒有f′(x)=0时,则f(x)为常数,函数不具有单调性. 3. 函数的极值与最值 (1)函数的极值是局部范围内讨论的问题,函数的最值是对整个定义域而言的,是在整个范围内讨论的问题. (2)函数在其定义区间的最大值、最小值最多有一个,而函数的极值可能不止一个,也可能没有. (3)闭区间上连续的函数一定有最值,开区间内的函数不一定有最值,若有唯一的极值,则此极值一定是函数的最值. 4. 四个易误导数公式及两个常用的运算法则 (1)

3、sin x)′=cos x. (2)(cos x)′=-sin x. (3)(ax)′=axln a(a>0,且a≠1). (4)(logax)′=(a>0,且a≠1). (5)[f(x)·g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x). (6)′=(g(x)≠0). 【热点分类突破】 考点一、导数几何意义的应用 例1(1)过点(1,0)作曲线y=ex的切线,则切线方程为________. (2)(2013·南京模拟)在平面直角坐标系xOy中,设A是曲线C1:y=ax3+1(a>0)与曲线C2:x2+y2=的一个公共点,若C1在A处的切线与C2在A处的切线

4、互相垂直,则实数a的值是________. (1)直线y=kx+b与曲线y=ax2+2+ln x相切于点P(1,4),则b的值为________. (2)若曲线f(x)=xsin x+1在x=处的切线与直线ax+2y+1=0互相垂直,则实数a=________. 考点二、利用导数研究函数的性质 例2(2013·广东)设函数f(x)=x3-kx2+x(k∈R). (1)当k=1时,求函数f(x)的单调区间; (2)当k<0时,求函数f(x)在[k,-k]上的最小值m和最大值M

5、 (2013·浙江)已知a∈R,函数f(x)=2x3-3(a+1)x2+6ax. (1)若a=1,求曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程; (2)若|a|>1,求f(x)在闭区间[0,2|a|]上的最小值. 考点三、利用导数解决与方程、不等式有关的问题 例3设函数 (1) 求函数的单调区间和最小值; (2) 讨论与的大小关系; (3) 求实数a的取值范围,使得对任意成立。 (2012·湖南)已知函

6、数f(x)=ex-ax,其中a>0. (1)若对一切x∈R,f(x)≥1恒成立,求a的取值集合; (2)在函数f(x)的图象上取定两点A(x1,f(x1)),B(x2,f(x2))(x1

7、数y=f′(x)的图象经过点(1,0),(2,0), 如图所示,则下列说法中所有不正确的序号是________. ①当x=时,函数f(x)取得极小值; ②f(x)有两个极值点; ③当x=2时,函数f(x)取得极小值; ④当x=1时,函数f(x)取得极大值. 4. (2012·大纲全国改编)已知函数y=x3-3x+c的图象与x轴恰有两个公共点,则c=_______. 5. 已知函数f(x) (x∈R)满足f(1)=1,且f(x)的导函数f′(x)<,则f(x)<+的解集为__________. 6. 设函数f(x)=x3+2ax2+bx+a,g(x)=x2

8、-3x+2(其中x∈R,a,b为常数).已知曲线y=f(x)与y=g(x)在点(2,0)处有相同的切线l,则a,b的值分别为________. 7. 设a∈R,若函数y=ex+ax,x∈R有大于零的极值点,则a的取值范围为________. 8. 已知函数f(x)=-x2+4x-3ln x在[t,t+1]上不单调,则t的取值范围是____________. 9.设函数f(x)=ax+2,g(x)=a2x2-ln x+2,其中a∈R,x>0. (1)若a=2,求曲线y=g(x)在点(1,g(1))处的切线方程; (2)是否存在负数a,使f(x)≤g(x)对一

9、切正数x都成立?若存在,求出a的取值范围;若不存在,请说明理由. 10.已知一家公司生产某种品牌服装的年固定成本为10万元,每生产1千件需另投入2.7万元.设该公司一年内共生产该品牌服装x千件并全部销售完,每千件的销售收入为R(x)万元,且R(x)= (1)写出年利润W(万元)关于年产量x(千件)的函数解析式; (2)年产量为多少千件时,该公司在这一品牌服装的生产中所获得利润最大?(注:年利润=年销售收入-年总成本) 答案: 答案 (1)e2x-y-e2=0 (2)4 解析 (1)设

10、切点为P(x0,ex0),则切线斜率为ex0, 切线方程为y-ex0=ex0(x-x0), 又切线经过点(1,0),所以-ex0=ex0(1-x0), 解得x0=2,切线方程为y-e2=e2(x-2), 即e2x-y-e2=0. (2)设A(x0,y0),则C1在A处的切线的斜率为f′(x0)=3ax,C2在A处的切线的斜率为-=-, 又C1在A处的切线与C2在A处的切线互相垂直, 所以(-)·3ax=-1,即y0=3ax, 又ax=y0-1,所以y0=, 代入C2:x2+y2=,得x0=±, 将x0=±,y0=代入y=ax3+1(a>0),得a=4. (1)求曲线的切

11、线要注意“过点P的切线”与“在点P处的切线”的差异,过点P的切线中,点P不一定是切点,点P也不一定在已知曲线上,而在点P处的切线,必以点P为切点. (2)利用导数的几何意义解题,主要是利用导数、切点坐标、切线斜率之间的关系来进行转化.以平行、垂直直线斜率间的关系为载体求参数的值,则要求掌握平行、垂直与斜率之间的关系,进而和导数联系起来求解. (1)直线y=kx+b与曲线y=ax2+2+ln x相切于点P(1,4),则b的值为________. (2)若曲线f(x)=xsin x+1在x=处的切线与直线ax+2y+1=0互相垂直,则实数a=________. 答案 (1)-1 (2)2

12、 解析 (1)由点P(1,4)在曲线上,可得a×12+2+ln 1=4, 解得a=2,故y=2x2+2+ln x.所以y′=4x+. 所以曲线在点P处的切线斜率k=y′|x=1=4×1+=5. 所以切线的方程为y=5x+b.由点P在切线上, 得4=5×1+b,解得b=-1. (2)f′(x)=sin x+xcos x,f′()=1, 即函数f(x)=xsin x+1在点x=处的切线的斜率是1, 直线ax+2y+1=0的斜率是-, 所以(-)×1=-1,解得a=2. 考点二 利用导数研究函数的性质 例2 (2013·广东)设函数f(x)=x3-kx2+x(k∈R). (1

13、)当k=1时,求函数f(x)的单调区间; (2)当k<0时,求函数f(x)在[k,-k]上的最小值m和最大值M. 解 f′(x)=3x2-2kx+1, (1)当k=1时,f′(x)=3x2-2x+1=32+>0, ∴f(x)在R上单调递增. (2)当k<0时,f′(x)=3x2-2kx+1,其图象开口向上,对称轴x=,且过(0,1)点. ①当Δ=4k2-12=4(k+)(k-)≤0,即-≤k<0时, f′(x)≥0,f(x)在[k,-k]上单调递增. ∴m=f(x)min=f(k)=k, M=f(x)max=f(-k)=-2k3-k. ②当Δ=4k2-12>0,即k<-时,

14、 令f′(x)=0得x1=,x2=, 且k0, ∴m=f(k)=k, 又f(x2)-f(-k)=x-kx+x2-(-k3-k·k2-k) =(x2+k)[(x2-k)2+k2+1]<0, ∴M=f(-k)=-2k3-k. 综上,当k<0时,f(x)的最小值m=k,最大值M=-2k3-k. 利用导数研究函数性质的一般步骤: (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

15、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. 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)①若求极值,则先求方程f′(x)=0的根,再检查f′(x)在方程根的左右函数值的符号. ②若已知极值大小或存在情况,则转化为已知方程f′(x)=0根的大小或存在情况来求解. (5)求函数f(x)在闭区间[a,b]的最值时,在得到极值的基础上,结合区间端点的函数值f(a),f(b)与f(x)的各极值进行比较得到函数的最值. (2013·浙江)已知a∈R,函数f(x)=2x3-3(a+1)x2+6ax.

16、 (1)若a=1,求曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程; (2)若|a|>1,求f(x)在闭区间[0,2|a|]上的最小值. 解 (1)当a=1时,f′(x)=6x2-12x+6, 所以f′(2)=6. 又因为f(2)=4,所以切线方程为6x-y-8=0. (2)记g(a)为f(x)在闭区间[0,2|a|]上的最小值. f′(x)=6x2-6(a+1)x+6a=6(x-1)(x-a). 令f′(x)=0,得到x1=1,x2=a. 当a>1时, x 0 (0,1) 1 (1,a) a (a,2a) 2a f′(x) + 0 - 0 +

17、 f(x) 0 单调递增 极大值3a-1 单调递减 极小值a2(3-a) 单调递增 4a3 比较f(0)=0和f(a)=a2(3-a)的大小可得 g(a)= 当a<-1时, x 0 (0,1) 1 (1,-2a) -2a f′(x) - 0 + f(x) 0 单调递减 极小值3a-1 单调递增 -28a3-24a2 得g(a)=3a-1. 综上所述,f(x)在闭区间[0,2|a|]上的最小值为 g(a)= 考点三 利用导数解决与方程、不等式有关的问题 例3 (2013·陕西)已知函数f(x)=ex,x∈R. (1)求

18、f(x)的反函数的图象上点(1,0)处的切线方程; (2)证明:曲线y=f(x)与曲线y=x2+x+1有唯一公共点; (3)设a

19、′(x)=ex-x-1,令h(x)=φ′(x)=ex-x-1, 则h′(x)=ex-1, 当x<0时,h′(x)<0,∴φ′(x)在(-∞,0)上单调递减; 当x>0时,h′(x)>0,∴φ′(x)在(0,+∞)上单调递增, ∴φ′(x)在x=0处有唯一的极小值φ′(0)=0, 即φ′(x)在R上的最小值为φ′(0)=0. ∴φ′(x)≥0(当且仅当x=0时等号成立), ∴φ(x)在R上是单调递增的, ∴φ(x)在R上有唯一的零点, 故曲线y=f(x)与曲线y=x2+x+1有唯一的公共点. 方法二 ∵ex>0,x2+x+1>0, ∴曲线y=ex与曲线y=x2+x+1公共点

20、的个数等于曲线y=与y=1公共点的个数, 设φ(x)=,则φ(0)=1,即当x=0时,两曲线有公共点. 又φ′(x)==≤0(当且仅当x=0时等号成立), ∴φ(x)在R上单调递减, ∴φ(x)与y=1有唯一的公共点, 故曲线y=f(x)与曲线y=x2+x+1有唯一的公共点. (3)解 -f=-e = =[e-e-(b-a)]. 设函数u(x)=ex--2x(x≥0), 则u′(x)=ex+-2≥2-2=0, ∴u′(x)≥0(当且仅当x=0时等号成立), ∴u(x)单调递增. 当x>0时,u(x)>u(0)=0. 令x=,则得e-e-(b-a)>0, ∴>f.

21、 研究方程及不等式问题,都要运用函数性质,而导数是研究函数性质的一种重要工具.基本思路是构造函数,通过导数的方法研究这个函数的单调性、极值和特殊点的函数值,根据函数的性质推断不等式成立的情况以及方程实根的个数,必要时画出函数的草图辅助思考. (2012·湖南)已知函数f(x)=ex-ax,其中a>0. (1)若对一切x∈R,f(x)≥1恒成立,求a的取值集合; (2)在函数f(x)的图象上取定两点A(x1,f(x1)),B(x2,f(x2))(x1

22、0得x=ln a. 当xln a时,f′(x)>0,f(x)增调递增. 故当x=ln a时,f(x)取最小值f(ln a)=a-aln a. 于是对一切x∈R,f(x)≥1恒成立,当且仅当a-aln a≥1. ① 令g(t)=t-tln t,则g′(t)=-ln t. 当00,g(t)单调递增. 当t>1时,g′(t)<0,g(t)单调递减. 故当t=1时,g(t)取最大值g(1)=1. 因此,当且仅当a=1时,①式成立. 综上所述,a的取值集合为{1}. (2)证明 由题意知,k=

23、=-a. 令φ(x)=f′(x)-k=ex-,则 φ(x1)=-[ex2-x1-(x2-x1)-1], φ(x2)=[ex1-x2-(x1-x2)-1]. 令F(t)=et-t-1,则F′(t)=et-1. 当t<0时,F′(t)<0,F(t)单调递减; 当t>0时,F′(t)>0,F(t)单调递增. 故当t≠0时,F(t)>F(0)=0,即et-t-1>0. 从而ex2-x1-(x2-x1)-1>0,ex1-x2-(x1-x2)-1>0. 又>0,>0,所以φ(x1)<0,φ(x2)>0. 因为函数y=φ(x)在区间[x1,x2]上的图象是连续不断的一条曲线, 所以存在

24、x0∈(x1,x2),使φ(x0)=0,即f′(x0)=k成立. 1. 函数单调性的应用 (1)若可导函数f(x)在(a,b)上单调递增,则f′(x)≥0在区间(a,b)上恒成立; (2)若可导函数f(x)在(a,b)上单调递减,则f′(x)≤0在区间(a,b)上恒成立; (3)可导函数f(x)在区间(a,b)上为增函数是f′(x)>0的必要不充分条件. 2. 可导函数极值的理解 (1)函数在定义域上的极大值与极小值的大小关系不确定,也有可能极小值大于极大值; (2)对于可导函数f(x),“f(x)在x=x0处的导数f′(x)=0”是“f(x)在x=x0处取得极值”的必要不充

25、分条件; (3)注意导函数的图象与原函数图象的关系,导函数由正变负的零点是原函数的极大值点,导函数由负变正的零点是原函数的极小值点. 3. 导数在综合应用中转化与化归思想的常见类型 (1)把不等式恒成立问题转化为求函数的最值问题; (2)把证明不等式问题转化为函数的单调性问题; (3)把方程解的问题转化为函数的零点问题. 1. 已知函数f(x)=x-,g(x)=x2-2ax+4,若对任意x1∈[0,1],存在x2∈[1,2],使f(x1)≥g(x2),则实数a的取值范围是__________. 答案  解析 由于f′(x)=1+>0, 因此函数f(x)在[0,1]上单调递

26、增, 所以x∈[0,1]时,f(x)min=f(0)=-1. 根据题意可知存在x∈[1,2], 使得g(x)=x2-2ax+4≤-1, 即x2-2ax+5≤0,即a≥+能成立, 令h(x)=+, 则要使a≥h(x)在x∈[1,2]能成立,只需使a≥h(x)min, 又函数h(x)=+在x∈[1,2]上单调递减, 所以h(x)min=h(2)=,故只需a≥. 2. 设函数f(x)=x2+ax-ln x(a∈R). (1)当a=1时,求函数f(x)的极值; (2)当a≥2时,讨论函数f(x)的单调性; (3)若对任意a∈(2,3)及任意x1,x2∈[1,2],恒有ma+ln

27、 2>|f(x1)-f(x2)|成立,求实数m的取值范围. 解 (1)函数的定义域为(0,+∞), 当a=1时,f(x)=x-ln x,f′(x)=1-=. 令f′(x)=0,得x=1. 当01时,f′(x)>0. ∴f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增, ∴f(x)极小值=f(1)=1,无极大值. (2)f′(x)=(1-a)x+a-= ==. 当=1,即a=2时,f′(x)=-≤0, f(x)在(0,+∞)上是减函数; 当<1,即a>2时, 令f′(x)<0,得01; 令f′(x)>0,得

28、 当>1,a<2时,与已知矛盾,故舍去, 综上,当a=2时,f(x)在(0,+∞)上单调递减; 当a>2时,f(x)在(0,)和(1,+∞)上单调递减,在(,1)上单调递增. (3)由(2)知,当a∈(2,3)时,f(x)在[1,2]上单调递减, 当x=1时,f(x)有最大值,当x=2时,f(x)有最小值. ∴|f(x1)-f(x2)|≤f(1)-f(2)=-+ln 2, ∴ma+ln 2>-+ln 2. 而a>0经整理得m>-, 由2

29、间为________. 答案 (0,1] 解析 由题意知,函数的定义域为(0,+∞), 又由y′=x-≤0,解得00), 所以切线斜率为k=, 所以切线方程为y-ln x0=(x-x0) 由已知直线y=kx是y=ln x的切线,得 0-ln x0=(0-x0),即x0=e,∴k=. 3. 已知函数f(x)=ax3+bx2+cx,其导函数y=f′(x)的图象经过点(1,0)

30、2,0), 如图所示,则下列说法中所有不正确的序号是________. ①当x=时,函数f(x)取得极小值; ②f(x)有两个极值点; ③当x=2时,函数f(x)取得极小值; ④当x=1时,函数f(x)取得极大值. 答案 ① 解析 从图象上可以看到,当x∈(-∞,1)时,f′(x)>0; 当x∈(1,2)时,f′(x)<0; 当x∈(2,+∞)时,f′(x)>0, 所以f(x)有两个极值点1和2,且当x=2时函数取得极小值, 当x=1时函数取得极大值.故只有①不正确. 4. (2012·大纲全国改编)已知函数y=x3-3x+c的图象与x轴恰有两个公共点,则c=___

31、 答案 -2或2 解析 利用导数求解. ∵y′=3x2-3,∴当y′=0时,x=±1. 则x,y′,y的变化情况如下表: x (-∞,-1) -1 (-1,1) 1 (1,+∞) y′ + - + y  c+2  c-2  因此,当函数图象与x轴恰有两个公共点时,必有c+2=0或c-2=0, ∴c=-2或c=2. 5. 已知函数f(x) (x∈R)满足f(1)=1,且f(x)的导函数f′(x)<,则f(x)<+的解集为__________. 答案 {x|x>1} 解析 φ(x)=f(x)--,则φ′(x)=f′(x)-<

32、0, ∴φ(x)在R上是减函数. φ(1)=f(1)--=1-1=0, ∴φ(x)=f(x)--<0的解集为{x|x>1}. 6. 设函数f(x)=x3+2ax2+bx+a,g(x)=x2-3x+2(其中x∈R,a,b为常数).已知曲线y=f(x)与y=g(x)在点(2,0)处有相同的切线l,则a,b的值分别为________. 答案 -2,5 解析 f′(x)=3x2+4ax+b,g′(x)=2x-3, 由于曲线y=f(x)与y=g(x)在点(2,0)处有相同的切线, 故有f(2)=g(2)=0,f′(2)=g′(2)=1, 由此解得a=-2,b=5. 7. 设a∈R,若

33、函数y=ex+ax,x∈R有大于零的极值点,则a的取值范围为________. 答案 (-∞,-1) 解析 y′=ex+a,又函数y=ex+ax在x∈R上有大于零的极值点,即y′=ex+a=0有正根. 当ex+a=0时,ex=-a,∴-a>1,即a<-1. 8. 已知函数f(x)=-x2+4x-3ln x在[t,t+1]上不单调,则t的取值范围是____________. 答案 0

34、t+1,解得0x2,如图, 同理得方程3(f(x))2+2af(x)+b=0有三个不同实根. 10.(2013·湖北改编)已知函数f

35、x)=x(ln x-ax)有两个极值点,则实数a的取值范围是________. 答案 (0,) 解析 f′(x)=(ln x-ax)+x(-a) =ln x+1-2ax(x>0) 令f′(x)=0得2a=, 设φ(x)=,则φ′(x)= 易知φ(x)在(0,1)上递增,在(1,+∞)上递减, 大致图象如右图 若f(x)有两个极值点, 则y=2a和y=φ(x)图象有两个交点, ∴0<2a<1,∴00. (1)若a=2,求曲线y=g(x)在点(1,g(1))处的切线方

36、程; (2)是否存在负数a,使f(x)≤g(x)对一切正数x都成立?若存在,求出a的取值范围;若不存在,请说明理由. 解 (1)由题意可知,当a=2时,g(x)=4x2-ln x+2, 则g′(x)=8x-. 曲线y=g(x)在点(1,g(1))处的切线斜率k=g′(1)=7, 又g(1)=6,所以曲线y=g(x)在点(1,g(1))处的切线的方程为y-6=7(x-1),即7x-y-1=0. (2)设函数h(x)=f(x)-g(x)=ax+ln x-a2x2 (x>0). 假设存在负数a,使得f(x)≤g(x)对一切正数x都成立, 即当x>0时,h(x)的最大值小于等于零.

37、h′(x)=a+-2a2x= (x>0). 令h′(x)=0,得x1=-,x2=(舍去). 当00,h(x)单调递增; 当x>-时,h′(x)<0,h(x)单调递减. 所以h(x)在x=-处有极大值,也是最大值. ∴h(x)max=h≤0,解得a≤-e-, 所以负数a存在,它的取值范围为{a|a≤-e-}. 12.已知函数f(x)=,g(x)=2aln x(e为自然对数的底数). (1)求F(x)=f(x)-g(x)的单调区间,若F(x)有最值,请求出最值; (2)是否存在正常数a,使f(x)与g(x)的图象有且只有一个公共点,且在该公共点处有共同的切

38、线?若存在,求出a的值,以及公共点坐标和公切线方程;若不存在,请说明理由. 解 (1)F′(x)=(x>0). ①当a≤0时,F′(x)>0恒成立,F(x)在(0,+∞)上是增函数,F(x)只有一个单调递增区间(0,+∞),没有最值. ②当a>0时,F′(x)=(x>0), 若0,则F′(x)>0,F(x)在(,+∞)上单调递增, ∴当x=时,F(x)有极小值,也是最小值, 即F(x)min=F()=a-2aln=-aln a. ∴当a>0时,F(x)的单调递减区间为(0,),单调递增区间为(,+∞),最小值为-a

39、ln a,无最大值. (2)若f(x)与g(x)的图象有且只有一个公共点, 则方程f(x)-g(x)=0有且只有一解, ∴函数F(x)有且只有一个零点. 由(1)的结论可知F(x)min=-aln a=0,得a=1. 此时,F(x)=f(x)-g(x)=-2ln x≥0, F(x)min=F()=0,∴f()=g()=1, ∴f(x)与g(x)的图象的唯一公共点坐标为(,1). 又∵f′()=g′()=, ∴f(x)与g(x)的图象在点(,1)处有共同的切线, 其方程为y-1=(x-),即y=x-1. 综上所述,存在a=1,使f(x)与g(x)的图象有且只有一个公共点(,

40、1),且在该点处的公切线方程为y=x-1. 13.已知一家公司生产某种品牌服装的年固定成本为10万元,每生产1千件需另投入2.7万元.设该公司一年内共生产该品牌服装x千件并全部销售完,每千件的销售收入为R(x)万元,且R(x)= (1)写出年利润W(万元)关于年产量x(千件)的函数解析式; (2)年产量为多少千件时,该公司在这一品牌服装的生产中所获得利润最大?(注:年利润=年销售收入-年总成本) 解 (1)当010时,W=xR(x)-(10+2.7x) =98--2.7x. ∴W= (2)①当00; 当x∈(9,10)时,W′<0, ∴当x=9时,W取最大值, 且Wmax=8.1×9-·93-10=38.6. ②当x>10时, W=98-≤98-2=38, 当且仅当=2.7x,即x=时,W=38, 故当x=时,W取最大值38. 综合①②知当x=9时,W取最大值38.6万元,故当年产量为9千件时,该公司在这一品牌服装的生产中所获年利润最大.

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