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k 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x 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0 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0 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0 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 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0






