2018届二轮复习高考中的导数应用问题学案(全国通用)
高考专题突破一 高考中的导数应用问题
【考点自测】
1.若函数f(x)=2sin x(x∈[0,π])的图象在点P处的切线平行于函数g(x)=2的图象在点Q处的切线,则直线PQ的斜率为________.
答案
解析 由题意得,f′(x)=2cos x∈[-2,2],g′(x)=+≥2(当且仅当x=1时取等号).
当两函数的切线平行时,有xP=0,xQ=1,
即P(0,0),Q,
所以直线PQ的斜率为.
2.(2018届盐城中 月考)若函数f(x)=(a>0)在[1,+∞)上的最大值为,则实数a的值为________.
答案 -1
解析 f′(x)=,
当x>时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当-
0,f(x)单调递增.
若≥1,即a≥1,
则当x∈[1,+∞)时,f(x)max=f()==,
解得=<1,不合题意,
∴<1,∴当x∈[1,+∞)时,f(x)max=f(1)==,解得a=-1.
3.函数f(x)=ax3+bx2+cx-34(a,b,c∈R)的导函数为f′(x),若不等式f′(x)≤0的解集为{x|-2≤x≤3},f(x)的极小值等于-115,则a的值是________.
答案 2
解析 由已知可得f′(x)=3ax2+2bx+c,
由3ax2+2bx+c≤0的解集为{x|-2≤x≤3}可知a>0,
且-2,3是方程3ax2+2bx+c=0的两根,
则由根与系数的关系知=-1,=-6,
∴b=-,c=-18a,
此时f(x)=ax3-x2-18ax-34,
当x∈(-∞,-2)时,f′(x)>0,f(x)为增函数;
当x∈(-2,3)时,f′(x)<0,f(x)为减函数;
当x∈(3,+∞)时,f′(x)>0,f(x)为增函数,
∴f(3)为f(x)的极小值,且f(3)=27a--54a-34=-115,解得a=2.
4.(2018届新海中 调研)设函数f(x)=ln x+(m∈R),若对任意的b>a>0,<1恒成立,则实数m的取值范围是________.
答案
解析 对任意的b>a>0,<1恒成立,等价于f(b)-b0)恒成立,
得m≥.
所以实数m的取值范围是.
5.(2017·江苏)已知函数f(x)=x3-2x+ex-,其中e是自然对数的底数,若f(a-1)+f(2a2)≤0,则实数a的取值范围是________.
答案
解析 因为f(-x)=(-x)3-2(-x)+e-x-
=-x3+2x-ex+=-f(x),
所以f(x)=x3-2x+ex-是奇函数.
因为f(a-1)+f(2a2)≤0,
所以f(2a2)≤-f(a-1),即f(2a2)≤f(1-a).
因为f′(x)=3x2-2+ex+e-x≥3x2-2+2
=3x2≥0,当且仅当x=0时“=”成立,
所以f(x)在R上单调递增,
所以2a2≤1-a,即2a2+a-1≤0,
所以-1≤a≤.
题型一 利用导数研究函数性质
例1 设f(x)=xln x-ax2+(2a-1)x,a∈R.
(1)令g(x)=f′(x),求g(x)的单调区间;
(2)已知f(x)在x=1处取得极大值,求实数a的取值范围.
解 (1)由f′(x)=ln x-2ax+2a,
可得g(x)=ln x-2ax+2a,x∈(0,+∞),
所以g′(x)=-2a=.
当a≤0,x∈(0,+∞)时,g′(x)>0,函数g(x)单调递增;
当a>0,x∈时,g′(x)>0,函数g(x)单调递增,x∈时,g′(x)<0,函数g(x)单调递减.
所以当a≤0时,函数g(x)的单调递增区间为(0,+∞);
当a>0时,函数g(x)的单调递增区间为,单调递减区间为.
(2)由(1)知,f′(1)=0.
①当a≤0时,f′(x)单调递增,
所以当x∈(0,1)时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
所以f(x)在x=1处取得极小值,不符合题意;
②当0<a<,即>1时,由(1)知f′(x)在上单调递增.
可得当x∈(0,1)时,f′(x)<0,
当x∈时,f′(x)>0.
所以f(x)在(0,1)上单调递减,在上单调递增.
所以f(x)在x=1处取得极小值,不符合题意;
③当a=,即=1时,f′(x)在(0,1)上单调递增,
在(1,+∞)上单调递减,
所以当x∈(0,+∞)时,f′(x)≤0,f(x)单调递减,不符合题意;
④当a>,即0<<1时,
当x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈(1,+∞)时,f′(x)<0,f(x)单调递减.
所以f(x)在x=1处取得极大值,符合题意 .
综上可知,实数a的取值范围为.
思维升华 利用导数主要研究函数的单调性、极值、最值.已知f(x)的单调性,可转化为不等式f′(x)≥0或f′(x)≤0在单调区间上恒成立问题;含参函数的最值问题是高考的热点题型,解此类题的关键是极值点与给定区间位置关系的讨论,此时要注意结合导函数图象的性质进行分析.
跟踪训练1 已知a∈R,函数f(x)=(-x2+ax)ex (x∈R,e为自然对数的底数).
(1)当a=2时,求函数f(x)的单调递增区间;
(2)若函数f(x)在(-1,1)上单调递增,求a的取值范围.
解 (1)当a=2时,f(x)=(-x2+2x)ex,
所以f′(x)=(-2x+2)ex+(-x2+2x)ex
=(-x2+2)ex.
令f′(x)>0,即(-x2+2)ex>0,因为ex>0,
所以-x2+2>0,解得-0,所以-x2+(a-2)x+a≥0对x∈(-1,1)都成立,
即a≥=
=(x+1)-对x∈(-1,1)都成立.
令y=(x+1)-,则y′=1+>0.
所以y=(x+1)-在(-1,1)上单调递增,
所以y<(1+1)-=,即a≥.
因此a的取值范围为.
题型二 利用导数研究函数零点问题
例2 (2016·江苏)已知函数f(x)=ax+bx(a>0,b>0,a≠1,b≠1).
(1)设a=2,b=.
①求方程f(x)=2的根;
②若对任意x∈R,不等式f(2x)≥mf(x)-6恒成立,求实数m的最大值;
(2)若01,函数g(x)=f(x)-2有且只有1个零点,求ab的值.
解 (1)①由已知可得2x+x=2,
即2x+=2.
∴(2x)2-2·2x+1=0,
解得2x=1,∴x=0.
②f(x)=2x+x=2x+2-x,
令t=2x+2-x,则t≥2.
又f(2x)=22x+2-2x=t2-2,
故f(2x)≥mf(x)-6可化为t2-2≥mt-6,
即m≤t+,又t≥2,t+≥2=4
(当且仅当t=2时等号成立),
∴m≤min=4.
即m的最大值为4.
(2)∵01,∴ln a<0,ln b>0.
g(x)=f(x)-2=ax+bx-2.
g′(x)=axln a+bxln b且g′(x)为单调递增,值域为R的函数.
∴g′(x)一定存在唯一的变号零点.
∴g(x)为先减后增且有唯一极值点.
由题意g(x)有且仅有1个零点,
则g(x)的极值一定为0,
而g(0)=a0+b0-2=0,故极值点为0.
∴g′(0)=0,即ln a+ln b=0.∴ab=1.
思维升华 函数零点问题一般利用导数研究函数的单调性、极值等性质,并借助函数图象,根据零点或图象的交点情况,建立含参数的方程(或不等式)组求解,实现形与数的和谐统一.
跟踪训练2 (2015·江苏)已知函数f(x)=x3+ax2+b(a,b∈R).
(1)试讨论f(x)的单调性;
(2)若b=c-a(实数c是与a无关的常数),当函数f(x)有三个不同的零点时,a的取值范围恰好是(-∞,-3)∪∪,求c的值.
解 (1)f′(x)=3x2+2ax,
令f′(x)=0,解得x1=0,x2=-.
当a=0时,因为f′(x)=3x2≥0,
所以函数f(x)在(-∞,+∞)上单调递增;
当a>0时,x∈∪(0,+∞)时,f′(x)>0,x∈时,f′(x)<0,所以函数f(x)在,(0,+∞)上单调递增,在上单调递减;
当a<0时,x∈(-∞,0)∪时,f′(x)>0,x∈时,f′(x)<0,所以函数f(x)在(-∞,0),上单调递增,在上单调递减.
(2)由(1)知,函数f(x)的两个极值为f(0)=b,
f=a3+b,则函数f(x)有三个零点等价于f(0)·f=b<0,
从而或
又b=c-a,所以当a> 0时,a3-a+c>0或当a<0时,a3-a+c<0.
设g(a)=a3-a+c,因为函数f(x)有三个零点时,a的取值范围恰好是(-∞,-3)∪∪,
则在(-∞,-3)上g(a)<0,且在∪上g(a)>0均恒成立.
从而g(-3)=c-1≤0,且g=c-1≥0,因此c=1.
此时,f(x)=x3+ax2+1-a=(x+1)[x2+(a-1)x+1-a],
因为函数有三个零点,则x2+(a-1)x+1-a=0有两个异于-1的不等实根,所以Δ=(a-1)2-4(1-a)=a2+2a-3>0,
且(-1)2-(a-1)+1-a≠0,
解得a∈(-∞,-3)∪∪.综上c=1.
题型三 利用导数研究不等式问题
例3 设函数f(x)=ax2ln x+b(x-1),曲线y=f(x)过点(e,e2-e+1),且在点(1,0)处的切线方程为y=0.
(1)求a,b的值;
(2)证明:当x≥1时,f(x)≥(x-1)2;
(3)若当x≥1时,f(x)≥m(x-1)2恒成立,求实数m的取值范围.
(1)解 由题意可知,f(x)=ax2ln x+b(x-1)的定义域为(0,+∞),f′(x)=2axln x+ax+b(x>0),
∵f′(1)=a+b=0,
f(e)=ae2+b(e-1)=a(e2-e+1)=e2-e+1,
∴a=1,b=-1.
(2)证明 f(x)=x2ln x-x+1,
f(x)-(x-1)2=x2ln x+x-x2,
设g(x)=x2ln x+x-x2(x≥1),
则g′(x)=2xln x-x+1.
设p(x)=2xln x-x+1,则p′(x)=2ln x+1>0,
由此可得g′(x)在[1,+∞)上单调递增,∴g′(x)≥g′(1)=0,
∴g(x)在[1,+∞)上单调递增,∴g(x)≥g(1)=0.
∴f(x)≥(x-1)2.
(3)解 设h(x)=x2ln x-x-m(x-1)2+1(x≥1),
则h′(x)=2xln x+x-2m(x-1)-1,
由(2)知x2ln x≥(x-1)2+x-1=x(x-1),
∴xln x≥x-1,
∴h′(x)≥3(x-1)-2m(x-1)=(3-2m)(x-1).
①当3-2m≥0,即m≤时,h′(x)≥0,
∴h(x)在[1,+∞)上单调递增,∴h(x)≥h(1)=0成立.
②当3-2m<0,即m>时,
h′(x)=2xln x+(1-2m)(x-1),
令q(x)=2xln x+(1-2m)(x-1),
则q′(x)=2ln x+3-2m,令q′(x)=0,得x= >1,
当x∈[1,)时,h′(x)单调递减,则h′(x)≤h′(1)=0,
∴h(x)在[1,)上单调递减,
∴h(x)≤h(1)=0,即h(x)≥0不成立.综上,m≤.
思维升华 求解不等式恒成立或有解时参数的取值范围问题,一般常用分离参数的方法,但是如果分离参数后对应的函数不便于求解其最值,或者求解其函数最值较烦琐时,可采用直接构造函数的方法求解.
跟踪训练3 已知函数f(x)=x3-2x2+x+a,g(x)=-2x+,若对任意的x1∈[-1,2],存在x2∈[2,4],使得f(x1)=g(x2),则实数a的取值范围是____________.
答案
解析 问题等价于f(x)的值域是g(x)的值域的子集,
显然,g(x)单调递减,∴g(x)max=g(2)=,
g(x)min=g(4)=-;
对于f(x),f′(x)=3x2-4x+1,
令f′(x)=0,解得x=或x=1,
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况列表如下:
x
-1
(-1,)
1
(1,2)
2
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
a-4
+a
a
a+2
∴f(x)max=a+2,f(x)min=a-4,
∴∴a∈.
1.f(x)=,x∈[0,2].
(1)求f(x)的值域;
(2)设a≠0,函数g(x)=ax3-a2x,x∈[0,2].若对任意x1∈[0,2],总存在x0∈[0,2],使f(x1)-g(x0)=0,求实数a的取值范围.
解 (1)由题意可得f′(x)=·.
令f′(x)=0,得x=1或x=-1(舍去).
当x∈[0,1)时,f′(x)>0,f(x)在[0,1)上单调递增;
当x∈(1,2]时,f′(x)<0,f(x)在(1,2]上单调递减.
∵f(0)=0,f(1)=,f(2)=,
∴f(x)的值域是.
(2)设函数g(x)在[0,2]上的值域是A,
∵对任意x1∈[0,2],总存在x0∈[0,2],
使f(x1)-g(x0)=0,∴⊆A.
对g(x)求导,得g′(x)=ax2-a2.
①当a<0时,g′(x)<0,
∴函数g(x)在[0,2]上单调递减.
∵g(0)=0,g(2)=a-2a2<0,
∴当a<0时,不满足⊆A.
②当a>0时,g′(x)=a(x-)(x+),
令g′(x)=0,得x=或x=-(舍去).
(ⅰ)若0<<2,g′(x),g(x)随x的变化情况如下表:
x
0
(0,)
(,2)
2
g′(x)
-
0
+
g(x)
0
极小值-a2
a-2a2
又⊆A,g()<0,
∴g(2)=a-2a2≥,解得≤a≤1.
(ⅱ)若≥2,即a≥4,则g′(x)≤0在[0,2]上恒成立,
∴函数g(x)在[0,2]上单调递减.
∵g(0)=0,g(2)=a-2a2<0,
∴当a≥4时,不满足⊆A.
综上可知,实数a的取值范围是.
2.已知函数f(x)=x3-3x2+ax+2,曲线y=f(x)在点(0,2)处的切线与x轴交点的横坐标为-2.
(1)求a的值;
(2)证明:当k<1时,曲线y=f(x)与直线y=kx-2只有一个交点.
(1)解 f′(x)=3x2-6x+a,f′(0)=a.
曲线y=f(x)在点(0,2)处的切线方程为y=ax+2.
由题设得-=-2,所以a=1.
(2)证明 由(1)知,f(x)=x3-3x2+x+2.
设g(x)=f(x)-kx+2=x3-3x2+(1-k)x+4.
由题设知1-k>0.
当x≤0时,g′(x)=3x2-6x+1-k>0,g(x)单调递增,
g(-1)=k-1<0,g(0)=4,
所以g(x)=0在(-∞,0]上有唯一实根.
当x>0时,令h(x)=x3-3x2+4,
则g(x)=h(x)+(1-k)x>h(x).
h′(x)=3x2-6x=3x(x-2),h(x)在(0,2)上单调递减,在(2,+∞)上单调递增,
所以g(x)>h(x)≥h(2)=0.
所以g(x)=0在(0,+∞)上没有实根.
综上,g(x)=0在R上有唯一实根,
即曲线y=f(x)与直线y=kx-2只有一个交点.
3.已知函数f(x)=-x2+2ex+m-1,g(x)=x+ (x>0).
(1)若g(x)=m有零点,求m的取值范围;
(2)确定m的取值范围,使得g(x)-f(x)=0有两个相异实根.
解 (1)∵g(x)=x+≥2=2e(x>0),当且仅当x=时取等号,∴当x=e时,g(x)有最小值2e.
∴要使g(x)=m有零点,只需m≥2e.
即当m∈[2e,+∞)时,g(x)=m有零点.
(2)若g(x)-f(x)=0有两个相异实根,则函数g(x)与f(x)的图象有两个不同的交点.
如图,作出函数g(x)=x+(x>0)的大致图象.
∵f(x)=-x2+2ex+m-1
=-(x-e)2+m-1+e2,
∴其对称轴为x=e,
f(x)max=m-1+e2.
若函数f(x)与g(x)的图象有两个交点,则m-1+e2>2e,即当m>-e2+2e+1时,g(x)-f(x)=0有两个相异实根.
∴m的取值范围是(-e2+2e+1,+∞).
4.已知函数f(x)=+aln x(a≠0,a∈R).
(1)若a=1,求函数f(x)的极值和单调区间;
(2)若在区间(0,e]上至少存在一点x0,使得f(x0)<0成立,求实数a的取值范围.
解 (1)当a=1时,f′(x)=-+=,
令f′(x)=0,得x=1,又f(x)的定义域为(0,+∞),
由f′(x)<0,得00,得x>1,
所以当x=1时,f(x)有极小值1,无极大值;
f(x)的单调递增区间为(1,+∞),单调递减区间为(0,1).
(2)f′(x)=-+=,且a≠0,x>0.
令f′(x)=0,得x=,若在区间(0,e]上存在一点x0,使得f(x0)<0成立,即f(x)在区间(0,e]上的最小值小于0.
当<0,即a<0时,f′(x)<0在(0,e]上恒成立,
即f(x)在区间(0,e]上单调递减,
故f(x)在区间(0,e]上的最小值为
f(e)=+aln e=+a,
由+a<0,得a<-,即a∈.
当>0,即a>0时,
①若e≤,则f′(x)≤0对x∈(0,e]恒成立,
所以f(x)在区间(0,e]上单调递减,
则f(x)在区间(0,e]上的最小值为
f(e)=+aln e=+a>0,
显然f(x)在区间(0,e]上的最小值小于0不成立;
②若0<时,则当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
f′(x)
-
0
+
f(x)
极小值
所以f(x)在区间(0,e]上的最小值为f=a+aln ,
由f=a+aln =a(1-ln a)<0,
得1-ln a<0,解得a>e,即a∈(e,+∞).
综上可知,a∈∪(e,+∞).
5.(2013·江苏)设函数f(x)=ln x-ax,g(x)=ex-ax,其中a为实数.
(1)若f(x)在(1,+∞)上是单调减函数,且g(x)在(1,+∞)上有最小值,求a的取值范围;
(2)若g(x)在(-1,+∞)上是单调增函数,试求f(x)的零点个数,并证明你的结论.
解 (1)令f′(x)=-a=<0,考虑到f(x)的定义域为(0,+∞),故a>0,进而解得x>a-1,即f(x)在(a-1,+∞)上是单调减函数.同理,f(x)在(0,a-1)上是单调增函数.由于f(x)在(
1,+∞)上是单调减函数,故(1,+∞)⊆(a-1,+∞),从而a-1≤1,即a≥1.令g′(x)=ex-a=0,得x=ln a.当xln a时,g′(x)>0.又g(x)在(1,+∞)上有最小值,所以ln a>1,即a>e.
综上,有a∈(e,+∞).
(2)当a≤0时,g(x)必为单调增函数;当a>0时,令g′(x)=ex-a>0,
解得aln a,因为g(x)在(-1,+∞)上是单调增函数,类似(1)有ln a≤-1,即00,得f(x)存在唯一的零点;
(ⅱ)当a<0时,由于f(ea)=a-aea=a(1-ea)<0,f(1)=-a>0,且函数f(x)在[ea,1]上的图象连续,所以f(x)在(ea,1)上存在零点.另外,当x>0时,f′(x)=-a>0,故f(x)在(0,+∞)上是单调增函数,所以f(x)只有一个零点.
(ⅲ)当00,当x>a-1时,f′(x)<0,
所以,x=a-1是f(x)的最大值点,且最大值为f(a-1)=-ln a-1.
①当-ln a-1=0,即a=e-1时,f(x)有一个零点x=e.
②当-ln a-1>0,即00,且函数f(x)在[e-1,a-1]上的图象连续,所以f(x)在(e-1,a-1)上存在零点.
另外,当x∈(0,a-1)时,f′(x)=-a>0,故f(x)在(0,a-1)上是单调增函数,所以f(x)在(0,a-1)上只有一个零点.
下面考虑f(x)在(a-1,+∞)上的情况.
先证f()=a(a-2-)<0.
为此,我们要证明:当x>e时,ex>x2.
设h(x)=ex-x2,则h′(x)=ex-2x,
再设l(x)=h′(x)=ex-2x,则l′(x)=ex-2.
当x>1时,l′(x)=ex-2>e-2>0,
所以l(x)=h′(x)在(1,+∞)上是单调增函数.
故当x>2时,h′(x)=ex-2x>h′(2)=e2-4>0,
从而h(x)在(2,+∞)上是单调增函数.
进而当x>e时,h(x)=ex-x2>h(e)=ee-e2>0,
即当x>e时,ex>x2.
当0e时,
f()=a-1-a=a(a-2-)<0,
又f(a-1)>0,且函数f(x)在[a-1,]上的图象连续,所以f(x)在(a-1,)上存在零点.
又当x>a-1时,f′(x)=-a<0,故f(x)在(a-1,+∞)上是单调减函数,所以f(x)在(a-1,+∞)上只有一个零点.
综合(ⅰ),(ⅱ),(ⅲ)可知,当a≤0或a=e-1时,f(x)的零点个数为1,当00,b∈R)有极值,且导函数f′(x)的极值点是f(x)的零点.(极值点是指函数取极值时对应的自变量的值)
(1)求b关于a的函数关系式,并写出定义域;
(2)证明:b2>3a;
(3)若f(x),f′(x)这两个函数的所有极值之和不小于-,求a的取值范围.
(1)解 由f(x)=x3+ax2+bx+1,
得f′(x)=3x2+2ax+b=32+b-.
当x=-时,f′(x)有极小值b-.
因为f′(x)的极值点是f(x)的零点,
所以f=-+-+1=0,
又a>0,故b=+.
因为f(x)有极值,故f′(x)=0有实根,
从而b-=(27-a3)≤0,即a≥3.
当a=3时,f′(x)>0(x≠-1),
故f(x)在R上是增函数,f(x)没有极值;
当a>3时,f′(x)=0有两个相异的实根
x1=,x2=.
列表如下:
x
(-∞,x1)
x1
(x1,x2)
x2
(x2,+∞)
f′(x)
+
0
-
0
+
f(x)
极大值
极小值
故f(x)的极值点是x1,x2.
从而a>3.
因此b=+,定义域为(3,+∞).
(2)证明 由(1)知,=+ .
设g(t)=+,
则g′(t)=-=.
当t∈时,g′(t)>0,
从而g(t)在上单调递增.
因为a>3,所以a>3,
故g(a)>g(3)=,
即>.因此b2>3a.
(3)解 由(1)知,f(x)的极值点是x1,x2,
且x1+x2=-a,x+x=.
从而f(x1)+f(x2)=x+ax+bx1+1+x+ax+bx2+1
=(3x+2ax1+b)+(3x+2ax2+b)+a(x+x)+b(x1+x2)+2
=-+2=0.
记f(x),f′(x)所有极值之和为h(a),
因为f′(x)的极值为b-=-+,
所以h(a)=-+,a>3.
因为h′(a)=-a-<0,
于是h(a)在(3,+∞)上单调递减.
因为h(6)=-,于是h(a)≥h(6),故a≤6.
因此a的取值范围为(3,6].