高考数学一轮复习第2章函数导数及其应用第10二讲第1课时导数与函数的单调性学案
展开知识梳理·双基自测
eq \x(知)eq \x(识)eq \x(梳)eq \x(理)
知识点 函数的单调性
(1)设函数y=f(x)在某个区间内 可导 ,若f′(x) > 0,则f(x)为增函数,若f′(x) < 0,则f(x)为减函数.
(2)求可导函数f(x)单调区间的步骤:
①确定f(x)的 定义域 ;
②求导数f′(x);
③令f′(x) > 0(或f′(x) < 0),解出相应的x的范围;
④当 f′(x)>0 时,f(x)在相应区间上是增函数,当 f′(x)<0 时,f(x)在相应区间上是减函数.
eq \x(重)eq \x(要)eq \x(结)eq \x(论)
导数与函数单调性的关系
(1)f′(x)>0(或f′(x)<0)是f(x)在(a,b)内单调递增(或递减)的充分不必要条件.
(2)f′(x)≥0(或f′(x)≤0)(f′(x)不恒等于0)是f(x)在(a,b)内单调递增(或递减)的充要条件.
eq \x(双)eq \x(基)eq \x(自)eq \x(测)
题组一 走出误区
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)若函数f(x)在(a,b)内单调递增,那么一定有f′(x)>0.( × )
(2)若函数y=f(x)在(a,b)内恒有f′(x)≥0,则y=f(x)在(a,b)上一定为增函数.( × )
(3)如果函数f(x)在某个区间内恒有f′(x)=0,则f(x)在此区间内没有单调性.( √ )
(4)因为y=eq \f(1,ln x)的导函数为y′=eq \f(-1,xln x2),∵x>0,∴y′<0,因此y=eq \f(1,ln x)的减区间为(0,+∞).( × )
[解析] (1)有可能f′(x)=0,如f(x)=x3,它在(-∞,+∞)上为增函数,但f′(x)=x2≥0.
(2)因为y=f(x)若为常数函数,则一定有f′(x)=0满足条件,但不具备单调性.
(3)如果函数f(x)在某个区间内恒有f′(x)=0,则此函数f(x)在这个区间内为常数函数,则函数f(x)在这个区间内没有单调性.
(4)y=eq \f(1,ln x)定义域为(0,1)∪(1,+∞),因此它的减区间为(0,1)和(1,+∞).
题组二 走进教材
2.(选修2-2P26T1改编)函数f(x)=x3-6x2的单调递减区间为( A )
A.(0,4) B.(0,2)
C.(4,+∞) D.(-∞,0)
[解析] f′(x)=3x2-12x=3x(x-4),由f′(x)<0,得0
A.f(2)>f(3)>f(π) B.f(3)>f(2)>f(π)
C.f(2)>f(π)>f(3) D.f(π)>f(3)>f(2)
[解析] f′(x)=1-cs x,当x∈(0,π]时,f′(x)>0,所以f(x)在(0,π]上是增函数,所以f(π)>f(3)>f(2).故选D.
4.(选修2-2P31AT3改编)已知函数y=f(x)在定义域(-3,6)内可导,其图象如图,其导函数为y=f′(x),则不等式f′(x)≤0的解集为 [-1,2]∪[4,6) .
[解析] f′(x)≤0,即y=f(x)递减,故f′(x)≤0,解集为[-1,2]∪[4,6).
题组三 走向高考
5.(2017·浙江,4分)函数y=f(x)的导函数y=f′(x)的图象如图所示,则函数y=f(x)的图象可能是( D )
[解析] 根据题意,已知导函数的图象有三个零点,且每个零点的两边导函数值的符号相反,因此函数f(x)在这些零点处取得极值,排除A,B;记导函数f′(x)的零点从左到右分别为x1,x2,x3,又在(-∞,x1)上f′(x)<0,在(x1,x2)上f′(x)>0,所以函数f(x)在(-∞,x1)上单调递减,排除C,选D.
6.(2016·全国卷Ⅰ,5分)若函数f(x)=x-eq \f(1,3)sin 2x+asin x在(-∞,+∞)上单调递增,则a的取值范围是( C )
A.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-1,1)) B.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-1,\f(1,3)))
C.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-\f(1,3),\f(1,3))) D.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-1,-\f(1,3)))
[解析] 函数f(x)=x-eq \f(1,3)sin 2x+asin x在(-∞,+∞)上单调递增,等价于f′(x)=1-eq \f(2,3)cs 2x+acs x=-eq \f(4,3)cs2x+acs x+eq \f(5,3)≥0在(-∞,+∞)上恒成立.设cs x=t,则g(t)=-eq \f(4,3)t2+at+eq \f(5,3)≥0在[-1,1]上恒成立,所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(g1=-\f(4,3)+a+\f(5,3)≥0,,g-1=-\f(4,3)-a+\f(5,3)≥0,))解得-eq \f(1,3)≤a≤eq \f(1,3).故选C.
注:文科(sin 2x)′=(2sin xcs x)′=2[(sin x)′·cs x+sin x·(cs x)′]=2(cs2x-sin2x)=2cs 2x.
考点突破·互动探究
考点 函数的单调性
考向1 不含参数的函数的单调性——自主练透
例1 (1)函数f(x)=x2-2ln x的单调递减区间是( A )
A.(0,1) B.(1,+∞)
C.(-∞,1) D.(-1,1)
(2)函数f(x)=(x-3)ex的单调递增区间是( D )
A.(-∞,2) B.(0,3)
C.(1,4) D.(2,+∞)
(3)函数f(x)=x+2eq \r(1-x)的单调递增区间是 (-∞,0) ;单调递减区间是 (0,1) .
(4)已知定义在区间(-π,π)上的函数f(x)=xsin x+cs x,则f(x)的单调递增区间是 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-π,-\f(π,2)))和eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))) .
[解析] (1)∵f′(x)=2x-eq \f(2,x)=eq \f(2x+1x-1,x)(x>0),
∴当x∈(0,1)时,f′(x)<0,f(x)为减函数;
当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)为增函数.
(2)f′(x)=(x-3)′ex+(x-3)(ex)′=(x-2)ex,令f′(x)>0,解得x>2,故选D.
排除法:观察y=x-3,y=ex,在(3,+∞)上递增,∴选D.
(3)f(x)的定义域为{x|x≤1},
f′(x)=1-eq \f(1,\r(1-x)).令f′(x)=0,得x=0.
当0
∴f(x)的单调递增区间为(-∞,0),单调递减区间为(0,1).
(4)f′(x)=sin x+xcs x-sin x=xcs x.
令f′(x)=xcs x>0,
则其在区间(-π,π)上的解集为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-π,-\f(π,2)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))),
即f(x)的单调递增区间为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-π,-\f(π,2)))和eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))).
名师点拨
用导数f′(x)确定函数f(x)单调区间的三种类型及方法:
(1)当不等式f′(x)>0或f′(x)<0可解时,根据函数的定义域,解不等式f′(x)>0或f′(x)<0求出单调区间.
(2)当方程f′(x)=0可解时,根据函数的定义域,解方程f′(x)=0,求出实数根,把函数f(x)的间断点(即f(x)的无定义点)的横坐标和实根按从大到小的顺序排列起来,把定义域分成若干个小区间,再确定f′(x)在各个区间内的符号,从而确定单调区间.
(3)当不等式f′(x)>0或f′(x)<0及方程f′(x)=0均不可解时,对f′(x)化简,根据f′(x)的结构特征,选择相应的基本初等函数,利用其图象与性质确定f′(x)的符号,得单调区间.
考向2 含参数的函数的单调性——师生共研
例2 已知函数f(x)=eq \f(a,2)(x-1)2-x+ln x(a>0).讨论f(x)的单调性.
[解析] 函数f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=a(x-1)-1+eq \f(1,x)=eq \f(x-1ax-1,x),
令f′(x)=0,则x1=1,x2=eq \f(1,a),
①若a=1,则f′(x)≥0恒成立,所以f(x)在(0,+∞)上是增函数.
②若01,
当x∈(0,1)时,f′(x)>0,f(x)是增函数,
当x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(1,a)))时,f′(x)<0,f(x)是减函数,
当x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,a),+∞))时,f′(x)>0,f(x)是增函数.
③若a>1,则0
当x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,a),1))时,f′(x)<0,f(x)是减函数,
当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)是增函数,
综上所述,当a=1时,f(x)在(0,+∞)上是增函数;
当0当a>1时,f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(1,a)))上是增函数,在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,a),1))上是减函数,在(1,+∞)上是增函数.
名师点拨
(1)研究含参数的函数的单调性,要依据参数对不等式解集的影响进行分类讨论.遇二次三项式因式常考虑二次项系数、对应方程的判别式以及根的大小关系,以此来确定分界点,分情况讨论.
(2)划分函数的单调区间时,要在函数定义域内讨论,还要确定导数为0的点和函数的间断点.
(3)个别导数为0的点不影响在区间的单调性,如f(x)=x3,f′(x)=3x2≥0(f′(x)=0在x=0时取到),f(x)在R上是增函数.
〔变式训练1〕
设函数f(x)=x-eq \f(1,x)-aln x(a∈R),讨论f(x)的单调性.
[解析] f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=1+eq \f(1,x2)-eq \f(a,x)=eq \f(x2-ax+1,x2).
令g(x)=x2-ax+1,则方程x2-ax+1=0的判别式Δ=a2-4.
①当|a|≤2时,即-2≤a≤2时,Δ≤0,f′(x)≥0,故f(x)在(0,+∞)上单调递增.
②当a<-2时,Δ>0,g(x)=0的两根都小于0,在(0,+∞)上恒有f′(x)>0,故f(x)在(0,+∞)上单调递增.
③当a>2时,Δ>0,g(x)=0有两根为x1=eq \f(a-\r(a2-4),2),x2=eq \f(a+\r(a2-4),2),
当0
故f(x)在(0,x1),(x2,+∞)上单调递增,在(x1,x2)上单调递减.
综上得,当a≤2时,f(x)在(0,+∞)上单调递增;当a>2时,f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(a-\r(a2-4),2))),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a+\r(a2-4),2),+∞))上单调递增,在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a-\r(a2-4),2),\f(a+\r(a2-4),2)))上单调递减.
考向3 利用导数解决函数的单调性的应用问题——多维探究
角度1 比较大小
例3 已知函数f(x)=xsin x,x∈R,则feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,5))),f(1),feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)))的大小关系为( A )
A.feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)))>f(1)>feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,5)))
B.f(1)>feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)))>feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,5)))
C.feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,5)))>f(1)>feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)))
D.feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)))>feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,5)))>f(1)
[解析] 因为f(x)=xsin x,所以f(-x)=(-x)·sin(-x)=xsin x=f(x),所以函数f(x)是偶函数,所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)))=feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,3))).又当x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2)))时,f′(x)=sin x+xcs x>0,所以函数f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2)))上是增函数,所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(π,5)))
角度2 解不等式
例4 设函数f(x),g(x)分别是定义在R上的奇函数和偶函数,当x<0时,f′(x)g(x)+f(x)g′(x)>0,且g(3)=0,则不等式f(x)g(x)>0的解集是( A )
A.(-3,0)∪(3,+∞) B.(-3,0)∪(0,3)
C.(-∞,-3)∪(3,+∞) D.(-∞,-3)∪(0,3)
[解析] ∵f′(x)g(x)+f(x)g′(x)>0,即[f(x)g(x)]′>0.∴f(x)g(x)在(-∞,0)上单调递增,又f(x),g(x)分别是定义在R上的奇函数和偶函数,∴f(x)g(x)为奇函数,f(0)g(0)=0,∴f(x)g(x)在(0,+∞)上也是增函数.∵f(3)g(3)=0,
∴f(-3)g(-3)=0.∴f(x)g(x)>0的解集为(-3,0)∪(3,+∞).故选A.
角度3 已知函数的单调性求参数取值范围
例5 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( D )
A.(-∞,-2] B.(-∞,-1]
C.[2,+∞) D.[1,+∞)
[分析] 利用函数f(x)=kx-ln x在区间(1,+∞)上单调递增等价于f′(x)≥0在(1,+∞)恒成立求解.或利用区间(1,+∞)是f(x)的增区间的子集求解.
[解析] 解法一:因为f(x)在(1,+∞)上单调递增,
所以f′(x)≥0在(1,+∞)上恒成立,
因为f(x)=kx-ln x,
所以f′(x)=k-eq \f(1,x)≥0,即k≥eq \f(1,x).
因为x>1,所以0
解法二:f′(x)=k-eq \f(1,x)=eq \f(kx-1,x)(x>0),
当k≤0时,f′(x)=k-eq \f(1,x)<0,f(x)在其定义域内递减,不合题意,
当k>0时,由f′(x)>0知x>eq \f(1,k),即eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,k),+∞))是f(x)的增区间. 由题意可知eq \f(1,k)≤1,即k≥1,故选D.
[引申]本例中(1)若f(x)的增区间为(1,+∞),则k= 1 ;
(2)若f(x)在(1,+∞)上递减,则k的取值范围是 (-∞,0] ;
(3)若f(x)在(1,+∞)上不单调,则k的取值范围是 (0,1) ;
(4)若f(x)在(1,+∞)上存在减区间,则k的取值范围是 (-∞,1) ;
(5)若f(x)在(1,2)上单调,则k的取值范围是 eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(-∞,\f(1,2)))∪[1,+∞) .
[解析] (1)由解法2知eq \f(1,k)=1,∴k=1;
(2)由题意知f′(x)=eq \f(kx-1,x)≤0在(1,+∞)上恒成立即k≤eq \f(1,x),又x>1,∴0
∴f(x)在(1,2)上单调,则k的取值范围是(-∞,eq \f(1,2)]∪[1,+∞).
名师点拨
已知函数单调性,求参数取值范围的两个方法
(1)利用集合间的包含关系处理:y=f(x)在(a,b)上单调,则区间(a,b)是相应单调区间的子集.
(2)转化为不等式的恒成立问题:利用“若函数单调递增,则f′(x)≥0;若函数f(x)单调递减,则f′(x)≤0”来求解.
提醒:f(x)为增函数的充要条件是对任意的x∈(a,b)都有f′(x)≥0且在(a,b)内的任一非空子区间上f′(x)不恒等于0.应注意此时式子中的等号不能省略,否则漏解.
〔变式训练2〕
(1)(角度1)已知函数f(x)=eq \f(1,2)x2-ln x,则有( A )
A.f(2)
A.(e,+∞) B.(0,e)
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(1,e)))∪(1,e) D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,e),e))
(3)(角度3)(2021·安徽毛坦厂中学模拟)已知函数f(x)=-eq \f(1,2)x2-3x+4ln x在(t,t+1)上不单调,则实数t的取值范围是 (0,1) .
[解析] (1)f′(x)=x-eq \f(1,x)=eq \f(x-1x+1,x)(x>0),
在(0,1)上递减,在(1,+∞)上递增,
∴f(3)>f(e)>f(2).故选A.
(2)函数f(x)=xsin x+cs x+x2的导数为f′(x)=sin x+xcs x-sin x+2x=x(2+cs x),
则x>0时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
且f(-x)=(-x)sin(-x)+cs(-x)+(-x)2=f(x),
所以f(x)为偶函数,即有f(x)=f(|x|),
则不等式f(ln x)+feq \b\lc\(\rc\ (\a\vs4\al\c1(ln \f(1,x))))<2f(1),
即为f(ln x)
∴f′(x)=-x-3+eq \f(4,x),
∵函数f(x)=-eq \f(1,2)x2-3x+4ln x在(t,t+1)上不单调,
∴f′(x)=-x-3+eq \f(4,x)在(t,t+1)上有变号零点,
∴eq \f(x2+3x-4,x)=0在(t,t+1)上有解,
∴x2+3x-4=0在(t,t+1)上有解,
由x2+3x-4=0得x=1或x=-4(舍去).
∴1∈(t,t+1),∴t∈(0,1),
故实数t的取值范围是(0,1).
名师讲坛·素养提升
构造法在导数中的应用
例6 f(x)为定义在R上的可导函数,且f′(x)>f(x),对任意正实数a,下列式子成立的是( B )
A.f(a)
C.f(a)
[解析] 令g(x)=eq \f(fx,ex),
∴g′(x)=eq \f(f′xex-fxex,ex2)=eq \f(f′x-fx,ex)>0.
∴g(x)在R上为增函数.又∵a>0,
∴g(a)>g(0),即eq \f(fa,ea)>eq \f(f0,e0),即f(a)>eaf(0).
例7 (2015·课标全国Ⅱ)设函数f′(x)是奇函数f(x)(x∈R)的导函数,f(-1)=0,当x>0时,xf′(x)-f(x)<0,则使得f(x)>0成立的x的取值范围是( A )
A.(-∞,-1)∪(0,1) B.(-1,0)∪(1,+∞)
C.(-∞,-1)∪(-1,0) D.(0,1)∪(1,+∞)
[解析] 令F(x)=eq \f(fx,x),因为f(x)为奇函数,所以F(x)为偶函数,由于f′(x)=eq \f(xf′x-fx,x2),当x>0时,xf′(x)-f(x)<0,所以F(x)=eq \f(fx,x)在(0,+∞)上单调递减,根据对称性,F(x)=eq \f(fx,x)在(-∞,0)上单调递增,又f(-1)=0,f(1)=0,可得F(x)的大致图象,如图.数形结合可知,使得f(x)>0成立的x的取值范围是(-∞,-1)∪(0,1).故选A.
名师点拨
(1)对于不等式f′(x)+g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=f(x)+g(x);
(2)对于不等式f′(x)-g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=f(x)-g(x);亦可构造f(x)=eq \f(fx,ex);
特别地,对于不等式f′(x)>k(或
(4)对于不等式f′(x)g(x)-f(x)g′(x)>0(或<0),构造函数F(x)=eq \f(fx,gx)(g(x)≠0);
(5)对于不等式xf′(x)+f(x)>0(或<0),构造函数F(x)=xf(x);
(6)对于不等式xf′(x)-f(x)>0(或<0),构造函数F(x)=eq \f(fx,x)(x≠0).
〔变式训练3〕
(1)若函数f(x)的定义域为R,且满足f(2)=2,f′(x)>1,则不等式f(x)-x>0的解集为 (2,+∞) .
(2)函数f(x)的导函数f′(x),对任意x∈R,都有f′(x)>f(x)成立,若f(ln 2)=2,则满足不等式f(x)>ex的x的范围是( C )
A.x>1 B.0
∴g′(x)=f′(x)-1.
由题意知g′(x)>0,∴g(x)为增函数.
∵g(2)=f(2)-2=0,∴g(x)>0的解集为(2,+∞).
(2)由题意,对任意x∈R,都有f′(x)>f(x)成立,
即f′(x)-f(x)>0,令g(x)=eq \f(fx,ex),
则g′(x)=eq \f(f′xex-fxex,e2x)=eq \f(f′x-fx,ex)>0,所以函数g(x)为单调递增函数,
又因为不等式f(x)>ex,即g(x)>1,因为f(ln 2)=2,所以g(ln 2)=1,
所以不等式的解集为x>ln 2,故选C.
高考数学一轮复习第2章函数导数及其应用第3讲函数的单调性与最值学案: 这是一份高考数学一轮复习第2章函数导数及其应用第3讲函数的单调性与最值学案,共12页。
高考数学一轮复习第2章函数导数及其应用第1讲函数及其表示学案: 这是一份高考数学一轮复习第2章函数导数及其应用第1讲函数及其表示学案,共10页。
高考数学统考一轮复习第3章导数及其应用第2节利用导数解决函数的单调性问题学案: 这是一份高考数学统考一轮复习第3章导数及其应用第2节利用导数解决函数的单调性问题学案,共14页。