(新高考)高考数学一轮复习课时练习4.2《导数与函数的单调性》(含解析)
展开第2讲 导数与函数的单调性
最新考纲
考向预测
了解函数的单调性和导数的关系;能利用导数研究函数的单调性,会求函数的单调区间(其中多项式函数一般不超过三次).
命题趋势
利用导数研究函数的单调性仍然是高考的热点,高考主要考查求函数的单调区间,讨论函数的单调性,利用函数的单调性求极值、最值,知道函数的单调性求参数的取值范围等问题,考查形式选择题、填空题、解答题均有可能,以中档难题为主.
核心素养
逻辑推理、数学抽象
函数的单调性与导数的关系
条件
结论
函数y=f(x)在区间(a,b)上可导
f′(x)>0
f(x)在(a,b)内单调递增
f′(x)<0
f(x)在(a,b)内单调递减
f′(x)=0
f(x)在(a,b)内是常数函数
常用结论
理清三组关系
1.“在某区间内f′(x)>0(f′(x)<0)”是“函数f(x)在此区间上为增(减)函数”的充分不必要条件.
2.可导函数f(x)在(a,b)上是增(减)函数的充要条件是对∀x∈(a,b),都有f′(x)≥0(f′(x)≤0)且f′(x)在(a,b)的任意子区间内都不恒为零.
3.对于可导函数f(x),“f′(x0)=0”是“函数f(x)在x=x0处有极值”的必要不充分条件.
常见误区
1.注意定义域优先的原则,求函数的单调区间和极值点必须在函数的定义域内进行.
2.由f(x)在区间(a,b)内单调递增(减)可得f′(x)≥0(≤0)在该区间内恒成立,而不是f′(x)>0(<0)恒成立,“=”不能少,必要时还需对“=”进行检验.
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)若函数f(x)在(a,b)内单调递增,那么一定有f′(x)>0.( )
(2)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.( )
答案:(1)× (2)√
2.函数f(x)=cos x-x在(0,π)上的单调性是( )
A.先增后减 B.先减后增
C.增函数 D.减函数
解析:选D.因为f′(x)=-sin x-1<0.
所以f(x)在(0,π)上是减函数,故选D.
3.(多选)如图是函数y=f(x)的导函数y=f′(x)的图象,则下列判断正确的是( )
A.在区间(-2,1)上f(x)是增函数
B.在区间(2,3)上f(x)是减函数
C.在区间(4,5)上f(x)是增函数
D.在区间(3,5)上f(x)是增函数
解析:选BC.在(4,5)上f′(x)>0恒成立,所以f(x)是增函数.在(2,3)上f′(x)<0恒成立,所以f(x)是减函数.
4.(易错题)函数f(x)=x-ln x的单调递减区间为________.
解析:函数的定义域是(0,+∞),且f′(x)=1-=,令f′(x)<0,得0
5.已知f(x)=x3-ax在[1,+∞)上是增函数,则a的最大值是________.
解析:f′(x)=3x2-a,由题意知f′(x)≥0在[1,+∞)上恒成立,即a≤3x2在[1,+∞)上恒成立,又x∈[1,+∞)时,3x2≥3,所以a≤3,即a的最大值是3.
答案:3
判断(证明)函数的单调性
(2019·高考全国卷Ⅲ节选)已知函数f(x)=2x3-ax2+2.讨论f(x)的单调性.
【解】 f′(x)=6x2-2ax=2x(3x-a).
令f′(x)=0,得x=0或x=.
若a>0,则当x∈(-∞,0)∪时,f′(x)>0;当x∈时,f′(x)<0.故f(x)在(-∞,0),
上单调递增,在上单调递减.
若a=0,则f(x)在(-∞,+∞)上单调递增.
若a<0,则当x∈∪(0,+∞)时,f′(x)>0;当x∈时,f′(x)<0.故f(x)在,(0,+∞)上单调递增,在上单调递减.
讨论函数f(x)单调性的步骤
(1)确定函数f(x)的定义域;
(2)求导数f′(x),并求方程f′(x)=0的根;
(3)利用f′(x)=0的根将函数的定义域分成若干个子区间,在这些子区间上讨论f′(x)的正负,由符号确定f(x)在该区间上的单调性.
[提醒] 研究含参函数的单调性时,需注意依据参数取值对不等式解集的影响进行分类讨论.
1.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( )
解析:选D.利用导数与函数的单调性进行验证.f′(x)>0的解集对应y=f(x)的增区间,f′(x)<0的解集对应y=f(x)的减区间,验证只有D选项符合.
2.已知函数f(x)=ln x+a(1-x),讨论f(x)的单调性.
解:函数f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=-a.
若a≤0,则f′(x)>0恒成立,
所以f(x)在(0,+∞)上单调递增.
若a>0,则当x∈时,f′(x)>0;当x∈时,
f′(x)<0,所以f(x)在上单调递增,在上单调递减.
求函数的单调区间
(2021·东北三校第一次联考)已知函数f(x)=(x+1)ln(x+1)-ax2-x(a∈R).设f′(x)为函数f(x)的导函数,求函数f′(x)的单调区间.
【解】 由已知得,f(x)的定义域为(-1,+∞),f′(x)=ln(x+1)-ax.
令h(x)=f′(x)=ln(x+1)-ax,则h′(x)=-a.
当a≤0时,h′(x)>0,
所以f′(x)的单调递增区间为(-1,+∞),无单调递减区间.
当a>0时,令h′(x)>0,得-1
所以f′(x)的单调递增区间为,单调递减区间为.
利用导数求函数单调区间的方法
(1)当导函数不等式可解时,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,解出方程的实根,按实根把函数的定义域划分区间,确定各区间内f′(x)的符号,从而确定单调区间.
(3)当导函数的方程、不等式都不可解时,根据f′(x)的结构特征,利用图象与性质确定f′(x)的符号,从而确定单调区间.
[提醒] 所求函数的单调区间不止一个时,这些区间之间不能用“∪”及“或”连接,只能用“,”及“和”隔开.
1.已知a为实数,f(x)=ax3+3x+2,若f′(-1)=-3,则函数f(x)的单调递增区间为( )
A.(-,) B.
C.(0,) D.
解析:选B.因为f(x)=ax3+3x+2,则f′(x)=3ax2+3.又f′(-1)=3a+3=-3,解得a=-2,故f′(x)=-6x2+3.由f′(x)>0得-
解析:f′(x)=sin x+xcos x-sin x=xcos x.
令f′(x)=xcos x>0(x∈(-π,π)),
解得-π
答案:和
函数单调性的应用
角度一 比较大小
已知奇函数f(x)的导函数为f′(x),当x>0时,xf′(x)+f(x)>0,若a=f,b=-ef(-e),c=f(1),则a,b,c的大小关系正确的是( )
A.a C.a
【答案】 C
利用导数比较大小,其关键在于利用题目条件构造辅助函数,把比较大小的问题转化为先利用导数研究函数的单调性,进而根据单调性比较大小.
角度二 解不等式
在R上可导的函数f(x)的图象如图所示,则关于x的不等式xf′(x)<0的解集为( )
A.(-∞,-1)∪(0,1)
B.(-1,0)∪(1,+∞)
C.(-2,-1)∪(1,2)
D.(-∞,-2)∪(2,+∞)
【解析】 在(-∞,-1)和(1,+∞)上,f(x)单调递增,所以f′(x)>0,使xf′(x)<0的范围为(-∞,-1);
在(-1,1)上,f(x)单调递减,所以f′(x)<0,使xf′(x)<0的范围为(0,1).
综上所述,关于x的不等式xf′(x)<0的解集为(-∞,-1)∪(0,1).
【答案】 A
与抽象函数有关的不等式,要充分挖掘条件关系,恰当构造函数.题目中存在消去f(x)与f′(x)的不等关系时,常构造含f(x)与另一函数的积(或商)的函数,与题设形成解题链条,利用导数研究新函数的单调性,从而求解不等式.
角度三 已知函数单调性求参数的取值范围
已知函数f(x)=ln x,g(x)=ax2+2x(a≠0).
(1)若函数h(x)=f(x)-g(x)存在单调递减区间,求a的取值范围;
(2)若函数h(x)=f(x)-g(x)在[1,4]上单调递减,求a的取值范围.
【解】 (1)h(x)=ln x-ax2-2x,x∈(0,+∞),
所以h′(x)=-ax-2,由于h(x)在(0,+∞)上存在单调递减区间,
所以当x∈(0,+∞)时,-ax-2<0有解.
即a>-有解,
设G(x)=-,
所以只要a>G(x)min即可.
而G(x)=-1,所以G(x)min=-1.
所以a>-1,即a的取值范围是(-1,+∞).
(2)由h(x)在[1,4]上单调递减得,
当x∈[1,4]时,h′(x)=-ax-2≤0恒成立,
即a≥-恒成立.设G(x)=-,
所以a≥G(x)max,而G(x)=-1,
因为x∈[1,4],所以∈,
所以G(x)max=-(此时x=4),
所以a≥-,
即a的取值范围是.
【引申探究】
1.(变条件)本例条件变为:若函数h(x)=f(x)-g(x)在[1,4]上单调递增,求a的取值范围.
解:由h(x)在[1,4]上单调递增得,当x∈[1,4]时,h′(x)≥0恒成立,
所以当x∈[1,4]时,a≤-恒成立,
又当x∈[1,4]时,=-1(此时x=1),
所以a≤-1,即a的取值范围是(-∞,-1].
2.(变条件)若函数h(x)=f(x)-g(x)在[1,4]上存在单调递减区间,求a的取值范围.
解:h(x)在[1,4]上存在单调递减区间,
则h′(x)<0在[1,4]上有解,
所以当x∈[1,4]时,a>-有解,
又当x∈[1,4]时,=-1,
所以a>-1,即a的取值范围是(-1,+∞).
由函数的单调性求参数的取值范围的方法
(1)由可导函数f(x)在D上单调递增(或递减)求参数范围问题,可转化为f′(x)≥0(或f′(x)≤0)对x∈D恒成立问题,再参变分离,转化为求最值问题,要注意“=”是否取到.
(2)可导函数在某一区间上存在单调区间,实际上就是f′(x)>0(或f′(x)<0)在该区间上存在解集,这样就把函数的单调性问题转化成不等式问题.
(3)若已知f(x)在区间I上的单调性,区间I中含有参数时,可先求出f(x)的单调区间,令I是其单调区间的子集,从而可求出参数的取值范围.
1.已知函数f(x)=xsin x,x∈R,则f,f(1),f的大小关系为( )
A.f>f(1)>f
B.f(1)>f>f
C.f>f(1)>f
D.f>f>f(1)
解析:选A.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f=f.
又x∈时,得f′(x)=sin x+xcos x>0,
所以f(x)在上是增函数.
所以f
2.若f(x)=2x3-3x2-12x+3在区间[m,m+4]上是单调函数,则实数m的取值范围是________.
解析:因为f(x)=2x3-3x2-12x+3,
所以f′(x)=6x2-6x-12=6(x+1)(x-2),
令f′(x)>0,得x<-1或x>2;令f′(x)<0,得-1
若f(x)在区间[m,m+4]上是单调函数,则
m+4≤-1或或m≥2.所以m≤-5或m≥2,
则实数m的取值范围是(-∞,-5]∪[2,+∞).
答案:(-∞,-5]∪[2,+∞)
思想方法系列7 分类讨论思想研究函数的单调性
已知函数f(x)=(a-1)ln x+x+,a∈R,讨论函数f(x)的单调性.
【解】 f′(x)=+1-==.
因为x>0,a∈R,
所以当a≥0时,x+a>0,函数f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增;
当-1 在(-a,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增;
当a=-1时,f′(x)=≥0,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;
当a<-1时,-a>1,函数f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,-a)上单调递减,在(-a,+∞)上单调递增.
含参数函数的单调性问题一般要分类讨论,常见的分类讨论标准有以下几种可能:①方程f′(x)=0是否有实数根;②若f′(x)=0有实数根,求出实数根后判断其是否在定义域内;③若实数根在定义域内且有两个,比较实数根的大小是常见的分类方法.
已知函数f(x)=mx2-x+ln x.若在函数f(x)的定义域内存在区间D,使得该函数在区间D上为减函数,求实数m的取值范围.
解:f′(x)=2mx-1+=(x>0),则2mx2-x+1<0在(0,+∞)上成立.当m≤0时,成立;
当m>0时,y=2mx2-x+1的图象的对称轴为x=>0,故只需Δ>0,即1-8m>0,故m<.
综上所述,m<,即实数m的取值范围为.
[A级 基础练]
1.函数f(x)=ex-ex,x∈R的单调递增区间是( )
A.(0,+∞) B.(-∞,0)
C.(-∞,1) D.(1,+∞)
解析:选D.由题意知,f′(x)=ex-e,令f′(x)>0,解得x>1,故选D.
2.下列函数中,在(0,+∞)上为增函数的是( )
A.f(x)=sin 2x B.f(x)=xex
C.f(x)=x3-x D.f(x)=-x+ln x
解析:选B.对于A,f(x)=sin 2x的单调递增区间是(k∈Z);对于B,f′(x)=ex(x+1),当x∈(0,+∞)时,f′(x)>0,所以函数f(x)=xex在(0,+∞)上为增函数;对于C,f′(x)=3x2-1,令f′(x)>0,得x>或x<-,所以函数f(x)=x3-x在和上单调递增;对于D,f′(x)=-1+=-,令f′(x)>0,得0
A.函数f(x)在区间(0,4)上单调递增
B.函数f(x)在区间上单调递减
C.函数f(x)在x=1处取得极大值
D.函数f(x)在x=0处取得极小值
解析:选ABD.根据导函数的图象可知,在区间上,f′(x)<0,此时函数f(x)单调递减;在区间(0,4]上,f′(x)>0,此时函数f(x)单调递增,所以f(x)在x=0处取得极小值,没有极大值.所以A,B,D项均正确,C项错误.故选ABD.
4.已知函数f(x)=x3+2x+sin x,若f(a)+f(1-2a)>0,则实数a的取值范围是( )
A.(1,+∞) B.(-∞,1)
C. D.
解析:选B.因为函数f(x)的定义域为R,f(-x)=-f(x),所以f(x)为奇函数.又f′(x)=3x2+2+cos x>0,所以f(x)在R上单调递增,所以f(a)>f(2a-1),即a>2a-1,解得a<1.故选B.
5.已知f(x)=,则( )
A.f(2)>f(e)>f(3) B.f(3)>f(e)>f(2)
C.f(3)>f(2)>f(e) D.f(e)>f(3)>f(2)
解析:选D.f(x)的定义域是(0,+∞),
f′(x)=,令f′(x)=0,得x=e.
所以当x∈(0,e)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,当x∈(e,+∞)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,故当x=e时,f(x)max=f(e)=,而f(2)==,f(3)==,所以f(e)>f(3)>f(2),故选D.
6.已知函数f(x)=x2-5x+2ln x,则函数f(x)的单调递增区间是________.
解析:由题可得,f′(x)=2x-5+=(x>0).令f′(x)==>0(x>0),解得x>2或0
7.函数f(x)=ln x-为________函数.(填“增”或“减”)
解析:由已知得f(x)的定义域为(0,+∞).
因为f(x)=ln x-,
所以f′(x)=-=.
因为x>0,
所以4x2+3x+1>0,x(1+2x)2>0.
所以当x>0时,f′(x)>0.
所以f(x)在(0,+∞)上是增函数.
答案:增
8.若函数f(x)=-x3+x2+2ax在上存在单调递增区间,则a的取值范围是________.
解析:对f(x)求导,得f′(x)=-x2+x+2a=-++2a.
由题意知,f′(x)>0在上有解,
当x∈时,f′(x)的最大值为f′=+2a.
令+2a>0,解得a>-,
所以a的取值范围是.
答案:
9.已知函数f(x)=x3+ax2-x+c,且a=f′.
(1)求a的值;
(2)求函数f(x)的单调区间.
解:(1)由f(x)=x3+ax2-x+c,
得f′(x)=3x2+2ax-1.
当x=时,得a=f′=3×+2a×-1,
解得a=-1.
(2)由(1)可知f(x)=x3-x2-x+c,
则f′(x)=3x2-2x-1=3(x-1),
令f′(x)>0,解得x>1或x<-;
令f′(x)<0,解得-
f(x)的单调递减区间是.
10.已知函数f(x)=x3+x2.讨论函数y=f(x)ex的单调性.
解:令g(x)=f(x)ex=ex,
所以g′(x)=ex+ex
=x(x+1)(x+4)ex.
令g′(x)=0,解得x=0,x=-1或x=-4,
当x≤-4时,g′(x)<0,g(x)单调递减;
当-4
当-1
综上可知,g(x)在(-∞,-4)和(-1,0)上单调递减,在(-4,-1)和(0,+∞)上单调递增.
[B级 综合练]
11.(多选)已知函数f(x)的定义域为R,其导函数f′(x)的图象如图所示,则对于任意x1,x2∈R(x1≠x2),下列结论正确的是( )
A.f(x)<0恒成立
B.(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0
C.f>
D.f<
解析:选BD.由导函数的图象可知,导函数f′(x)的图象在x轴下方,即f′(x)<0,故原函数为减函数,并且递减的速度是先快后慢.所以f(x)的图象如图所示.
f(x)<0恒成立,没有依据,故A不正确;
B表示(x1-x2)与[f(x1)-f(x2)]异号,即f(x)为减函数,故B正确;
C,D左边的式子意义为x1,x2中点对应的函数值,即图中点B的纵坐标值,
右边式子代表的是函数值的平均值,即图中点A的纵坐标值,显然有左边小于右边,
故C不正确,D正确.
12.已知函数f(x)=-x2-3x+4ln x在(t,t+1)上不单调,则实数t的取值范围是________.
解析:因为函数f(x)=-x2-3x+4ln x(x>0),
所以f′(x)=-x-3+,
因为函数f(x)=-x2-3x+4ln x在(t,t+1)上不单调,
所以f′(x)=-x-3+在(t,t+1)上有变号零点,
所以=0在(t,t+1)上有解,
所以x2+3x-4=0在(t,t+1)上有解,
由x2+3x-4=0得x=1或x=-4(舍去),
所以1∈(t,t+1),所以t∈(0,1),
故实数t的取值范围是(0,1).
答案:(0,1)
13.设函数f(x)=x3-x2+bx+c,曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=1.
(1)求b,c的值;
(2)若a>0,求函数f(x)的单调区间;
(3)设函数g(x)=f(x)+2x,且g(x)在区间(-2,-1)内存在单调递减区间,求实数a的取值范围.
解:(1)f′(x)=x2-ax+b,
由题意得即
故b=0,c=1.
(2)由(1)得,f′(x)=x2-ax=x(x-a)(a>0),
当x∈(-∞,0)时,f′(x)>0;
当x∈(0,a)时,f′(x)<0;
当x∈(a,+∞)时,f′(x)>0,
所以函数f(x)的单调递增区间为(-∞,0),(a,+∞),单调递减区间为(0,a).
(3)g′(x)=x2-ax+2,依题意,存在x∈(-2,-1),使不等式g′(x)=x2-ax+2<0成立.
则存在x∈(-2,-1)使-a>-x-成立,
即-a>.
因为x∈(-2,-1),所以-x∈(1,2),
则-x-≥2=2,
当且仅当-x=-,即x=-时等号成立,
所以-a>2,则a<-2.
所以实数a的取值范围为(-∞,-2).
14.已知二次函数h(x)=ax2+bx+2,其导函数y=h′(x)的图象如图所示,f(x)=6ln x+h(x).
(1)求函数f(x)的解析式;
(2)若函数f(x)在区间上是单调函数,求实数m的取值范围.
解:(1)由已知,h′(x)=2ax+b,其图象为直线,且过(0,-8),(4,0)两点,把两点坐标代入h′(x)=2ax+b,得解得所以h(x)=x2-8x+2,f(x)=6ln x+x2-8x+2.
(2)由(1)得f′(x)=+2x-8=.
因为x>0,所以当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如表所示.
x
(0,1)
1
(1,3)
3
(3,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
单调递增
单调递减
单调递增
所以f(x)的单调递增区间为(0,1)和(3,+∞),单调递减区间为(1,3),要使函数f(x)在区间上是单调函数,则解得
15.求形如y=f(x)g(x)的函数的导数,我们常采用以下做法:先两边同取自然对数得ln y=g(x)ln f(x),再两边同时求导得·y′=g′(x)ln f(x)+g(x)f′(x),于是得到y′=f(x)g(x)·[g′(x)ln f(x)+g(x)f′(x)],运用此方法求得函数y=x的单调递增区间是( )
A.(e,4) B.(3,6)
C.(0,e) D.(2,3)
解析:选C.由题意知y′=x=x·(x>0),令y′>0,得1-ln x>0,所以0
A.[0,e] B.[1,e]
C.[1,+∞) D.(-∞,e]
解析:选B.根据定义,函数f(x)满足∀x∈I(其中I为函数f(x)的定义域),当x≠x0时,[f(x)-g(x)](x-x0)>0恒成立,f′(x)=ex-ax-2.令h(x)=ex-ax-2,则h′(x)=ex-a,令h′(x)=ex-a=0,则其解就是“转折点”,故ex=a,x=ln a,x∈[0,1],则0≤ln a≤1,解得1≤a≤e,选B.
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