函数与导数

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  导数与函数是高考必考内容,主要以导数概念的某些实际背景(如瞬时速度、加速度、光滑曲线切线的斜率)解决函数应用问题,或以可导函数单调性与其导数的关系求一些函数性质的问题。本文拟对函数与导数的问题如何解决的解题技巧应用进行分析。
  例1 设[f(x)=23x3-2x+m (-43≤m≤43)].
  (1)求[f(x)]的单调区间与极值
  (2)求方程[f(x)=0]的实数解的个数.
  解析 (1)[f(x)=2x2-2].
  由[f(x)=2x2-2=0] 得[x=-1]或[x=1].
  [[x]&[(-∞,-1)]&[-1]&[(-1, 1)]&[1]&[(1,+∞)]&[f(x)]&[+]&[0]&-&[0]&[+]&[f(x)]&单增&极大值&单减&极小值&单增&]
  所以,[f(x)]的单调递增区间为[(-∞,-1)]和[(1,+∞)],单调递减区间为[(-1, 1)];
  极大值为[f(-1)=m+43],极小值为[f(1)=m-43.]
  (2)由于[-43≤m≤43],所以[f(-1)=m+43≥0],[f(1)=m-43≤0].
  ①当[m=-43]时,[f(-1)=0],即[x=-1]是方程[f(x)=0]的一个解.
  又因为[f(1)=-43-43=-83<0,]
  [ f(3)=23×27-6-43=12-43>0],
  所以,方程[f(x)=0]在[(1, 3)]内至少有一个解.根据函数[f(x)]单调性可知,方程[f(x)=0]有两个不同的解.
  ②当[m=43]时,[f(1)=m-43=0],即[x=1]是方程[f(x)=0]的一个解.
  又因为[f(-1)=43+43=83>0,]
  [ f(-3)=-12+43<0],
  所以方程[f(x)=0]在[(- 3,-1)]内至少有一个解.根据函数[f(x)]单调性可知,方程[f(x)=0]有两个不同的解.
  ③当[-430],[f(1)=m-43<0],所以方程[f(x)=0]在[(-1, 1)]内至少有一个解.又由[f(-3)=m-12<0]知,方程[f(x)=0]在[(-3, -1)]内至少有一个解;由[f(3)=12+m>0]知,方程[f(x)=0]在[(1, 3)]内至少有一个解.根据函数[f(x)]单调性可知,方程[f(x)=0]有三个不同的解.
  点评:通过本题考查大家几个方面的能力:
  (1)能否将“求方程[f(x)=0]的实数解的个数”问题转化为函数[f(x)]的零点问题;
  (2)对于函数问题,是否能够主动运用导数这一工具来研究函数整体的状态、性质.
  例2 设函数[f(x)=-13x3+x2+(m2-1)x,(x∈R,)]其中[m>0.]
  (1)当[m=1]时,曲线[y=f(x)]在点[(1,f(1))]处的切线斜率;
  (2)求函数的单调区间与极值;
  (3)已知函数[f(x)]有三个互不相同的零点0、[x1、x2],且[x1f(1)]恒成立,求[m]的取值范围.
  解析 (1)当[m=1]时,[f(x)=13x3+x2,f(x)=][x2+2x],故[f(1)=1],
  所以曲线[y=f(x)]在点([1,f(1)])处的切线斜率为1.
  (2)[f(x)=-x2+2x+m2-1,]
  令[f(x)=0],得到[x=1-m,x=1+m.]
  因为[m>0,]所以[1+m>1-m.]
  当[x]变化时,[f(x),f(x)]的变化情况如下表:[[x]&[(-∞,1-m)]&[1-m]&[(1-m, 1+m)]&[1+m]&[(1+m,+∞)]&[f(x)]&[+]&[0]&-&[0]&[+]&[f(x)]&↘&极小值&↗&极大值&↘&]
  [f(x)]在[(-∞,1-m)]和[(1+m,+∞)]内减函数,在[(1-m,1+m)]内增函数.
  函数[f(x)]在[x=1+m]处取得极大值[f(1+m)],且[f(1+m)=23m3+m2-13];
  函数[f(x)]在[x=1-m]处取得极小值[f(1-m)],且[f(1-m)=-23m3+m2-13].
  (3)由题设,[f(x)=x(-13x2+x+m2-1)]
  [=-13x(x-x1)(x-x2)]
  所以方程[-13x2+x+m2-1=0]由两个相异的实根[x1、x2],故[x1+x2=3],且[Δ=1+43(m2-1)>0,]解得[m<-12(舍),m>12.]
  因为[x1x1+x2=3,]故[x2>32>1.]
  若[x1≤1  若[1  有[x-x1≥0,][x-x2≤0,]
  则[f(x)=-13x(x-x1)(x-x2)][≥0].
  又[f(x1)=0,]所以函数[f(x)]在[x∈[x1,x2]]的最小值为0,于是,对任意的[x∈[x1,x2]],[f(x)>f(1)]恒成立的充要条件是[f(1)=m2-13<0,]解得[-33  综上,[m]的取值范围是[(12,33)].
  点评 本小题主要考查导数的几何意义、导数的运算、以及函数与方程的根的关系解不等式等基础知识,考查综合分析问题和解决问题的能力.
  
  例3 已知函数[f(x)=x3-ax2-a2x+1,][g(x)=1-][4x-ax2],其中实数[a≠0],
  (1)求函数[f(x)]的单调区间;
  (2)若[f(x)]与[g(x)]在区间[(-a,a+2)]内均为增函数,求[a]的取值范围.
  解析 (1)[f(x)=3x2-2ax-a2.]
  又[3x2-2ax-a2=3(x-a)(x+a3)].
  令[f(x)=0],得[x1=a,x2=-a3.]
  ①若[a>0],则当[x<-a3]或[x>a]时[f(x)>0;]
  当[-a3  [∴f(x)]在[(-∞,-a3)]和[(a,+∞)]内是增函数,在[(-a3,a)]内是减函数.
  ②若[a<0]则当[x-a3]时,[f(x)>0];
  当[a  [∴f(x)]在[(-∞,a)]和[(-a3,+∞)]内是增函数,在[(a,-a3)]内是减函数.
  (2)当[a>0]时,[f(x)]在[(-∞,-a3)]和[(a,+∞)]内是增函数,[g(x)=-a(x+2a)2+1+4a,]故[g(x)]在[(-∞,-2a)]内是增函数.
  由题意得[a>0,-a+2≤-a3,-a+2≤-2a,] 解得[a≥2+3.]
  当[a<0]时,[f(x)]在[(-∞,a)]和[(-a3,+∞)]内是增函数,[g(x)]在[(-2a,+∞)]内是增函数.
  由题意得[a<0,-a≥-a3,-a≥-2a,] 解得[a≤-2.]
  综上知实数[a]的取值范围为[(-∞,-2)⋃[2+3,][+∞)].
  点评 本小题主要考查函数、集合运算、导数应用等基础知识.
  例4 设函数[f(x)=-13x3+2ax2-3ax+1,][0  (1)求函数[f(x)]的极大值;
  (2)若[x∈[1-a,1+a]]时,恒有[-a≤f(x)≤a]成
  立(其中[f(x)]是函数[f(x)]的导函数),试确定实数[a]的取值范围.
  解 (1)∵[f(x)=-x2+4ax-3a2,]且[0  当[f(x)>0]时,得[a3a.]
  ∴[f(x)]的单调递增区间为[(a,3a)],[f(x)]的单调递减区间为[(-∞,a)]和[(3a,+∞).]
  故当[x=3a]时,[f(x)]有极大值,其极大值为[f(3a)=1].
  (2)∵[f(x)=-x2+4ax-3a2=-(x-2a)2+a2],
  当[02a],
  ∴[f(x)]在区间[[1-a,1+a]]内是单调递减.
  ∴[[f(x)]max=f(1-a)=-8a2+6a-1,]
  [[f(x)]min=f(1+a)=2a-1].
  ∵[-a≤f(x)≤a,],
  ∴[-8a2+6a-1≤a,2a-1≥-a.]
  此时,[a∈∅].
  当[13≤a<1]时,
  [[f(x)]max=f(2a)=a2.]
  ∵[-a≤f(x)≤a,]∴[a2≤a,2a-1≥-a,-8a2+6a-1≥-a.]
  即[0≤a≤1,a≥13,7-1716≤a≤7+1716.]
  此时,[13≤a≤7+1716.]
  综上可知,实数[a]的取值范围为[[-13,7+1716]].
  点评 本题考查极值的应用和恒成立问题转化为最值来解决.
  
  专题训练一
  一、选择题
  1. 设[f(x)、g(x)]是R上的可导函数,[f(x)、g(x)]分别是[f(x)、g(x)]的导函数,且[f(x)g(x)+f(x)g(x)][<0],则当[a  A. [f(x)g(x)>f(b)g(b)] B. [f(x)g(a)>f(a)g(x)]
  C. [f(x)g(b)>f(b)g(x)] D. [f(x)g(x)>f(a)g(a)]
  2. 若存在过点(1,0)的直线与曲线[y=x3]和[y=ax2+154x-9]都相切,则[a]等于( )
  A. [-1]或[-2564] B. [-1]或[214]
  C. [-74]或[-2564] D. [-74]或7
  3. 设函数[f(x)=g(x)+x2],曲线[y=g(x)]在点[(1,g(1))]处的切线方程为[y=2x+1],则曲线[y=f(x)]在点[(1,g(1))]处切线的斜率为( )
  A. 4 B. [-14] C. 2 D. [-12]
  4. 设[a   [A B][C D]
  5. 设函数[y=f(x)]在[(-∞,+∞)]内有定义. 对于给定的正数[K],定义函数[fK(x)=f(x),f(x)≤KK,f(x)>K]
  取函数[f(x)=2-x-e-1]. 若对任意的[x∈(-∞,+∞)],恒有[fK(x)=f(x)],则( )
  A. [K]的最大值为2 B. [K]的最小值为2
  C. [K]的最大值为1 D. [K]的最小值为1
  6. 若[a>3],则方程[x3-ax2+1=0]在(0,2)上恰有( )个实根.
  A. 0 B. 1 C. 2 D. 3
  7. 已知[|a|=2|b|≠0],且关于[x]的函数[f(x)=13x3+12|a|x2+a⋅bx]在R上有极值,则[a]与[b]的夹角范围为( )
  A. [[0,  π6)] B. [(π6,  π]]
  C. [(π3,  π]] D. [(π3,  2π3]]
  8设函数[f(x)=13ax3+12bx2+cx],且[f(1)=][-a2],[3a>2c>2b],则下列结论不正确的是( )
  A. [-3  C. [-140]且[b<0]
  9. 已知函数[f(x)]的定义域是R,且[x≠kπ+π2(k∈Z)],若函数[f(x)]满足[f(x)=f(x+π)],且当[x∈(-π2,  π2)]时,[f(x)=2x+sinx],设[a=f(-1)],[b=f(-2)],[c=f(-3)],则( )
  A. [c  C. [a  10. 已知[f(x)=x3-3x],过点[A(1,  m)(m≠-2)]可作曲线[y=f(x)]的三条切线,则[m]的取值范围是( )
  A. (-1,1) B. (-2,3)
  C. (-1,-2) D. (-3,-2)
  
  二、填空题
  11. 路灯距地面为8米,一个身高为1.7米的人以每秒1.4米的速度匀速地从路灯的正底下沿某直线离开路灯,那么人影的变化速率为 .
  12. 已知函数[y=f(x)]和[y=g(x)]在[-2,2]的图象如下所示:
  给出下列四个命题:
  ①方程[f[g(x)]=0]有且仅有6个根
  ②方程[g[f(x)]=0]有且仅有3个根
  ③方程[f[f(x)]=0]有且仅有5个根
  ④方程[g[g(x)]=0]有且仅有4个根
  其中正确的命题是 . (将所有正确的命题序号填在横线上).
  13.曲线[y=xex+2x+1]在点(0,1)处的切线方程为 .
  14.若不等式[8x4+8(a-2)x2-a+5>0]对于任意的实数[x]恒成立,则实数[a]的取值范围是 .
  15. 设曲线[y=xn+1(n∈N*)]在点(1,1)处的切线与[x]轴的交点的横坐标为[xn],令[an=lgxn],则[a1+a2+…+a99]的值为 .
  三、解答题
  16. 已知函数[f(x)=x3-ax2-a2x+1,][g(x)=1-4x-ax2],其中实数[a≠0.]
  (1)求函数[f(x)]的单调区间;
  (2)若[f(x)]与[g(x)]在区间[(-a,-a+2)]内均为增函数,求[a]的取值范围.
  17. 已知函数[f(x)=mx33+ax2+(1-b2)x,][m、a、b∈]R.
  (1)求函数[f(x)]的导函数[f(x)];
  (2)当[m=1]时,若函数[f(x)]是R上的增函数,求[z=a+b]的最小值;
  (3)当[a=1、b=2]时,函数[f(x)]在[(2,+∞)]上存在单调递增区间,求[m]的取值范围.
  18. 已知二次函数[y=g(x)]的导函数的图象与直线[y=2x]平行,且[y=g(x)]在[x=-1]处取得最小值[m-1(m≠0)]. 设函数[f(x)=g(x)x.]
  (1)若曲线[y=f(x)]上的点[P]到点[Q(0,2)]的距离的最小值为[2],求[m]的值;
  (2)[k(k∈R)]取何值时,函数[y=f(x)-kx]存在零点,并求出零点.
  19. 已知函数[f(x)=1x+2x2+1x3].
  (1)求[y=f(x)]在[[-4,-12]]上的最值;
  (2)若[a≥0,]求[g(x)=1x+2x2+ax3]的极值点.
  20. 设函数[f(x)=x4+ax3+2x2+b(x∈R),]其中[a、b∈R].
  (1)当[a=-103]时,讨论函数[f(x)]的单调性;
  (2)若函数[f(x)]仅有[x=0]处有极值,求[a]的取值范围;
  (3)若对于任意的[a∈[-2,2]],不等式[f(x)≤1]在[[-1,0]]上恒成立,求[b]的取值范围.
  21. 设[x1、x2]是[f(x)=a3x3+b-12x2+x(a,b∈R,][a>0)]的两个极值点,[f(x)]为[f(x)]的导函数.
  (1)如果[x1<2  (2)如果[0  (3)如果[a≥2],且[x2-x1=2,x∈x1,x2]时,函数[g(x)=-f(x)+2(x2-x)]的最大值为[h(a)],求[h(a)]的最小值.
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