3-2利用导数研究函数的性质
基础巩固强化
1.(2012·湖南衡阳模拟)函数f(x)=x-a x在x∈[1,4]上单调递减,则实数a的最小值为()
A.1B.2C.4D.5
[答案] C
[解析]当x∈[1,4]时,f′(x)=1-a
2x
≤0,
∴a≥2x恒成立,∴a≥4.
2.(文)(2012·陕西理,7)设函数f(x)=x e x,则()
A.x=1为f(x)的极大值点
B.x=1为f(x)的极小值点
C.x=-1为f(x)的极大值点
D.x=-1为f(x)的极小值点
[答案] D
[解析]本题考查了导数的应用—求函数的极值.
f′(x)=e x+x e x,令f′(x)=0,
∴e x+x e x=0,∴x=-1,
当x∈(-∞,-1)时,f′(x)=e x+x e x<0,x∈(-1,+∞)时,f′(x)=e x+x e x>0,∴x=-1为极小值点,故选D.
[点评]求函数的极值要讨论在各区间内导函数值的符号,同时要注意函数的定义域.
(理)已知函数f(x)=x3-px2-qx的图象与x轴切于(1,0)点,则f(x)的极大值、极小值分别为()
A.4
27,0 B.0,4
27
C .-427,0
D .0,-427
[答案] A
[解析] f ′(x )=3x 2-2px -q ,
由f ′(1)=0,f (1)=0得, ????? 3-2p -q =0,1-p -q =0.解得?????
p =2,q =-1.∴f (x )=x 3-2x 2+x , 由f ′(x )=3x 2-4x +1=0得x =13或x =1,
易得当x =13时f (x )取极大值427,
当x =1时f (x )取极小值0.
3.(文)
函数f (x )的定义域为开区间(a ,b ),导函数f ′(x )在(a ,b )内的图象如图所示,则函数f (x )在(a ,b )内的极大值点有( )
A .1个
B .2个
C .3个
D .4个
[答案] B
[解析] 由导函数的图象知,f (x )在(a ,b )内变化情况为增→减→增→减,故有两个极大值点.
(理)(2012·重庆理,8)设函数f (x )在R 上可导,其导函数为f ′(x ),且函数y =(1-x )f ′(x )的图象如下图所示,则下列结论中一定成立的
是()
A.函数f(x)有极大值f(2)和极小值f(1)
B.函数f(x)有极大值f(-2)和极小值f(1)
C.函数f(x)有极大值f(2)和极小值f(-2)
D.函数f(x)有极大值f(-2)和极小值f(2)
[答案] D
[解析]当x<-2时,1-x>3,则f′(x)>0;
当-2 ∴函数f(x)有极大值f(-2),当1 ∴函数f(x)有极小值f(2),故选D. 4.(文)(2011·辽宁文,11)函数f(x)的定义域为R,f(-1)=2,对任意x∈R,f′(x)>2,则f(x)>2x+4的解集为() A.(-1,1) B.(-1,+∞) C.(-∞,-1) D.(-∞,+∞) [答案] B [解析]由题意,令φ(x)=f(x)-2x-4,则 φ′(x)=f′(x)-2>0. ∴φ(x)在R上是增函数. 又φ(-1)=f(-1)-2×(-1)-4=0, ∴当x>-1时,φ(x)>φ(-1)=0, ∴f(x)-2x-4>0,∴f(x)>2x+4.故选B. (理)(2012·河南省洛阳市高三年级统一考试)函数f(x)的定义域是R,f(0)=2,对任意x∈R,f(x)+f′(x)>1,则不等式e x·f(x)>e x+1的解集为() A.{x|x>0} B.{x|x<0} C.{x|x<-1,或x>1} D.{x|x<-1,或0 [答案] A [解析]构造函数g(x)=e x·f(x)-e x,因为g′(x)=e x·f(x)+e x·f′(x)-e x=e x[f(x)+f′(x)]-e x>e x-e x=0,所以g(x)=e x·f(x)-e x为R上的增函数.又g(0)=e0·f(0)-e0=1,所以原不等式转化为g(x)>g(0),解得x>0. 5.(文)已知函数f(x)的导函数f′(x)的图象如图所示,那么函数f(x)的图象最有可能的是() [答案] A [解析] 由图可知,当x >0时,f ′(x )<0,∴函数f (x )的图象在(0,+∞)上是单调递减的;当x <-2时,f ′(x )<0,∴函数f (x )的图象在(-∞,-2)上也是单调递减的,所以只有A 符合,故选A. (理)已知函数f (x )=A sin(ωx +φ)(A >0,ω>0,0<φ<π),其导函数f ′(x )的部分图象如图所示,则函数f (x )的解析式为( ) A .f (x )=4sin ? ?? ??12x +π4 B .f (x )=2sin ? ?? ??12x +π4 C .f (x )=2sin ? ?? ??12x +3π4 D .f (x )=4sin ? ?? ??12x +3π4 [答案] A [解析] f ′(x )=A ωcos(ωx +φ),由f ′(x )的图象知,A ω=2,设 周期为T ,则T 2=3π2-? ?? ??-π2=2π, ∴T =2πω=4π,∴ω=12,∴A =4, ∵f ′(x )的图象过点? ????π2,0,∴2cos ? ?? ??12×π2+φ=0, ∴π4+φ=π2+k π,k ∈Z ,即φ=π4+k π,k ∈Z , ∵0<φ<π,∴φ=π4.故选A. 6.若函数f (x )=x 3-12x 在区间(k -1,k +1)上不是单调函数,则实数k 的取值范围是( ) A .k ≤-3或-1≤k ≤1或k ≥3 B .-3 C .-2 D .不存在这样的实数 [答案] B [解析] 因为y ′=3x 2-12,由y ′>0得函数的增区间是(-∞,-2)和(2,+∞),由y ′<0,得函数的减区间是(-2,2),由于函数在(k -1,k +1)上不是单调函数,所以有k -1<-2 [点评] 已知函数f (x ),由f ′(x )的符号可得到函数f (x )的单调区间,而f (x )在区间(k -1,k +1)上不单调,因此,k -1与k +1应分布在函数f (x )的两个单调区间内.请再练习下题: 已知函数f (x )=x 3-kx 在区间(-3,-1)上不单调,则实数k 的取值范围是________. [答案] 3 [解析] f ′(x )=3x 2-k .由3x 2-k >0,得x 2 >k 3,若k ≤0,则f (x )显然在(-3,-1)上单调递增, ∴k >0,∴x > k 3或x <-k 3. 由3x 2-k <0得-k 3 3, ∴f (x )在? ????-∞,-k 3上单调递增,在(-k 3,k 3)上单调递减,在? ?? ??k 3,+∞上单调递增, 由题设条件知-3<-k 3<-1,∴3 7.(2011·福州模拟)已知f (x )=2x 3-6x 2+m (m 为常数)在[-2,2]上有最大值为3,那么此函数在[-2,2]上的最小值为________. [答案] -37 [解析] f ′(x )=6x 2-12x ,由f ′(x )=0得x =0或x =2,当x <0或x >2时,f ′(x )>0,当0 ∴f (x )在[-2,0]上单调增,在[0,2]上单调减, 由条件知f (0)=m =3,∴f (2)=-5,f (-2)=-37, ∴最小值为-37. 8.(2011·苏北四市调研)已知函数f (x )=mx 3+nx 2的图象在点(-1,2)处的切线恰好与直线3x +y =0平行,若f (x )在区间[t ,t +1]上单调递减,则实数t 的取值范围是________. [答案] [-2,-1] [解析] 由题意知,点(-1,2)在函数f (x )的图象上,故-m +n =2① 又f ′(x )=3mx 2+2nx ,由条件知f ′(-1)=-3, 故3m -2n =-3② 联立①②解得:m =1,n =3,即f (x )=x 3+3x 2, 令f′(x)=3x2+6x≤0,解得-2≤x≤0, 则[t,t+1]?[-2,0],故t≥-2且t+1≤0, 所以t∈[-2,-1]. [点评]f(x)在区间[t,t+1]上单调递减,故[t,t+1]是f(x)的减区间的子集. 9.(2012·湖南长郡中学一模)已知函数f(x)的导函数为f′(x)=5+cos x,x∈(-1,1),且f(0)=0,如果f(1-x)+f(1-x2)<0,则实数x 的取值范围为________. [答案](1,2) [解析]∵导函数是偶函数,∴原函数f(x)是奇函数,且定义域为(-1,1),又由导数值恒大于0,∴原函数在定义域上单调递增,∴所求不等式变形为f(1-x) [点评]本题考查应用函数性质解不等式以及利用导数研究函数性质,原函数与其导函数的奇偶性相反,这一性质要注意掌握和应用. 10.(2012·哈尔滨质检)已知f(x)=ax3-2ax2+b(a≠0). (1)求出f(x)的极值; (2)若f(x)在区间[-2,1]上最大值是5,最小值是-11,求f(x)的解析式. [解析](1)f′(x)=3ax2-4ax,令f′(x)=0?x=0或x=4 3. 当a>0时, 当x =43时,y 取得极小值b -32 27a , 同理当a <0时,x =0时,y 取得极小值b , x =43时,y 取得极大值b -32 27a . (2)当a >0时,f (x )在[-2,0)上单调递增,在(0,1]上单调递减, 所以f (x )max =f (0)=b =5. 又f (-2)=b -16a 所以b -16a =-11,a =1. 当a <0时,f (x )在[-2,0)上单调递减,在(0,1]上单调递增, 所以f (x )min =f (0)=b =-11. 又f (-2)=b -16a >f (1)=b -a , 所以b -16a =5,a =-1. 综上,f (x )=x 3-2x 2+5或f (x )=-x 3+2x 2-11. 能力拓展提升 11.(文)(2011·南开区质检)已知实数a 、b 、c 、d 成等比数列,且曲线 y =3x -x 3的极大值点坐标为(b ,c ),则ad 等于( ) A .2 B .1 C .-1 D .-2 [答案] A [解析] ∵a 、b 、c 、d 成等比数列,∴ad =bc , 又(b ,c )为函数y =3x -x 3的极大值点, ∴c =3b -b 3,且0=3-3b 2, ∴????? b =1,c =2,或????? b =-1, c =-2.∴a d =2. (理)(2011·陕西咸阳模拟)已知函数f (x )=ax 2-1的图象在点A (1, f (1))处的切线l 与直线8x -y +2=0平行,若数列???? ??1f (n )的前n 项和为S n ,则S 2010的值为( ) A.20102011 B.10052011 C.40204021 D.20104021 [答案] D [解析] ∵f ′(x )=2ax ,∴f (x )在点A 处的切线斜率为f ′(1)=2a ,由条件知2a =8,∴a =4, ∴f (x )=4x 2-1, ∴1f (n )=14n -1=12n -1·12n +1 =12? ?? ??12n -1-12n +1, ∴数列??????1f (n )的前n 项和S n =1f (1)+1f (2)+…+1f (n )=12? ????1-13+12? ?? ??13-15+…+12? ????12n -1-12n +1 =12? ????1-12n +1=n 2n +1 ,∴S 2010=20104021. 12.(文)(2012·淄博一检)已知a ≤1-x x +ln x 对任意x ∈[12,2]恒 成立,则a 的最大值为( ) A .0 B .1 C .2 D .3 [答案] A [解析] 令f (x )=1-x x +ln x ,则f ′(x )=x -1x 2,当x ∈[12,1]时, f ′(x )<0,当x ∈[1,2]时,f ′(x )>0, ∴f (x )在[12,1]上单调递减,在[1,2]上单调递增, ∴f (x )min =f (1)=0,∴a ≤0,故选A. (理)(2012·潍坊模拟)已知非零向量a 、b 满足|a |=3|b |,若函数f (x )=13x 3+|a |x 2+2a ·b x +1在R 上有极值,则〈a ,b 〉的取值范围是 ( ) A .[0,π6] B .(0,π3] C .(π6,π2] D .(π6,π] [答案] D [解析] 据题意知,f ′(x )=x 2+2|a |x +2a ·b ,若函数存在极值, 必有(2|a |)2-4×2a ·b >0,整理可得|a |2>2a ·b ,故cos 〈a ,b 〉=a ·b |a |·|b |<|a |22|a |·|a |3=32,解得π6<〈a ,b 〉≤π. 13.(2012·深圳第一次调研)已知函数f (x )的导函数f ′(x )=ax 2+bx +c 的图象如图所示,则f (x )的图象可能是( ) [答案] D [解析] 当x <0时,由导函数f ′(x )=ax 2+bx +c <0,知相应的函数f (x )在该区间上单调递减;当x >0时,由导函数f ′(x )=ax 2+bx +c 的图象可知,导数在区间(0,x 1)内的值是大于0的,则在此区间内函数f (x )单调递增.只有D 选项符合题意. 14.(文)已知y =f (x )是奇函数,当x ∈(0,2)时,f (x )=ln x -ax (a >12), 当x ∈(-2,0)时,f (x )的最小值为1,则a 的值为________. [答案] 1 [解析] 因为f (x )是奇函数,所以f (x )在(0,2)上的最大值为-1, 当x ∈(0,2)时,f ′(x )=1x -a ,令f ′(x )=0得x =1a ,又a >12,所以0<1a <2.令f ′(x )>0得x <1a ,∴f (x )在(0,1a )上单调递增; 令f ′(x )<0得x >1a , ∴f (x )在(1a ,2)上单调递减;所以当x ∈(0,2)时,f (x )max =f (1a )=ln 1a -a ·1a =-1,所以ln 1a =0,所以a =1. (理)(2011·安庆质检)已知函数f (x )=-x 3+ax 2-4在x =2处取得极值,若m 、n ∈[-1,1],则f (m )+f ′(n )的最小值是________. [答案] -13 [解析] 求导得f ′(x )=-3x 2+2ax ,由函数f (x )在x =2处取得极值知f ′(2)=0,即-3×4+2a ×2=0,∴a =3.由此可得f (x )=-x 3+3x 2-4,f ′(x )=-3x 2+6x ,易知f (x )在(-1,0)上单调递减,在(0,1)上单调递增, ∴当m ∈[-1,1]时,f (m )min =f (0)=-4.又∵f ′(x )=-3x 2+6x 的图象开口向下,且对称轴为x =1,∴当n ∈[-1,1]时,f ′(n )min =f ′(-1)=-9.故f (m )+f ′(n )的最小值为-13. 15.(文)设函数f (x )=x 3-3ax +b (a ≠0). (1)若曲线y =f (x )在点(2,f (2))处与直线y =8相切,求a 、b 的值; (2)求函数f (x )的单调区间与极值点. [解析] (1)f ′(x )=3x 2-3a . 因为曲线y =f (x )在点(2,f (2))处与直线y =8相切, 所以????? f ′(2)=0,f (2)=8.即????? 12-3a =0,8-6a +b =8. 解得a =4,b =24. (2)f ′(x )=3(x 2-a )(a ≠0). 当a <0时,f ′(x )>0,函数f (x )在(-∞,+∞)上单调递增;此时函数f (x )没有极值点. 当a >0时,由f ′(x )=0得x =±a . 当x ∈(-∞,-a )时,f ′(x )>0,函数f (x )单调递增; 当x ∈(-a ,a )时,f ′(x )<0,函数f (x )单调递减; 当x ∈(a ,+∞)时,f ′(x )>0,函数f (x )单调递增. ∴f(x)的单调增区间为(-∞,-a)和(a,+∞),单调减区间为(-a,a). 故x=-a是f(x)的极大值点,x=a是f(x)的极小值点. (理)(2012·新课标全国文,21)设函数f(x)=e x-ax-2. (1)求f(x)的单调区间; (2)若a=1,k为整数,且当x>0时,(x-k)f′(x)+x+1>0,求k 的最大值. [分析](1)先确定函数的定义域,然后求导函数f′(x),因不确定a的正负,故应讨论,结合a的正负分别得出在每一种情况下f′(x)的正负,从而确立单调区间;(2)分离参数k,将不含有参数的式子看作一个新函数g(x),将求k的最大值转化为求g(x)的最值问题.[解析](1)f(x)的定义域为(-∞,+∞),f′(x)=e x-a. 若a≤0,则f′(x)>0,所以f(x)在(-∞,+∞)单调递增. 若a>0,则当x∈(-∞,ln a)时,f′(x)<0;当x∈(ln a,+∞)时,f′(x)>0, 所以,f(x)在(-∞,ln a)单调递减,在(ln a,+∞)单调递增. (2)由于a=1,所以(x-k)f′(x)+x+1=(x-k)(e x-1)+x+1. 故当x>0时,(x-k)f′(x)+x+1>0等价于 k e x-1 +x(x>0).① 令g(x)=x+1 e x-1 +x,则g′(x)= -x e x-1 (e x-1)2 +1= e x(e x-x-2) (e x-1)2 . 由(1)知,函数h(x)=e x-x-2在(0,+∞)上单调递增.而h(1)<0,h(2)>0,所以h(x)在(0,+∞)上存在唯一的零点.故g′(x)在(0,+∞)上存在唯一的零点.设此零点为α,则α∈(1,2). 当x∈(0,α)时,g′(x)<0;当x∈(α,+∞)时,g′(x)>0.所以g(x) 在(0,+∞)的最小值为g (α).又由g ′(α)=0,可得e α=α+2,所以g (α)=α+1∈(2,3). 由于①式等价于k 16.(文)(2013·唐山一中第一学期第二次月考)已知函数f (x )=a ln x -ax -3(a ∈R ). (1)若a =-1,求函数f (x )的单调区间并比较f (x )与f (1)的大小关系; (2)若函数y =f (x )的图象在点(2,f (2))处的切线的倾斜角为45°, 对于任意的t ∈[1,2],函数g (x )=x 3+x 2[f ′(x )+m 2]在区间(t,3)上总不 是单调函数,求m 的取值范围; (3)求证:ln22×ln33×ln44×…×ln n n <1n (n ≥2,n ∈N *). [解析] (1)当a =-1时,f (x )=-ln x +x -3,f ′(x )=x -1x (x >0), 由f ′(x )>0得x >1;由f ′(x )<0得0 所以,f (x )的单调增区间为[1,+∞),减区间为(0,1], 可知f (x )min =f (1),所以f (x )≥f (1). (2)∵f ′(x )=a (1-x )x (x >0),tan45° =1, ∴f ′(2)=-a 2=1,得a =-2,∴f (x )=-2ln x +2x -3, ∴g (x )=x 3+(m 2+2)x 2-2x , ∴g ′(x )=3x 2+(m +4)x -2. ∵g (x )在区间(t,3)上总不是单调函数,且g ′(0)=-2,∴????? g ′(t )<0,g ′(3)>0. 由题意知:对于任意的t ∈[1,2],g ′(t )<0恒成立, 所以,????? g ′(1)<0,g ′(2)<0,g ′(3)>0.∴-373 (3)证明如下:由(1)可知, 当x ∈(1,+∞)时f (x )>f (1),即-ln x +x -1>0, ∴0 ∵n ≥2,n ∈N * ,则有0 (n ≥2,n ∈N *). (理)(2012·山东文,22)已知函数f (x )=ln x +k e x (k 为常数,e = 2.71828…是自然对数的底数),曲线y =f (x )在点(1,f (1))处的切线与x 轴平行. (1)求k 的值; (2)求f (x )的单调区间; (3)设g (x )=xf ′(x ),其中f ′(x )为f (x )的导函数.证明:对任意x >0,g (x )<1+e -2. [分析] (1)根据导数几何意义,利用f ′(x )=0求解. (2)利用f ′(x )>0?单调递增区间,f ′(x )<0?单调递减区间. (3)易得g (x )=1e x (1-x -x ln x ),直接对g (x )求导,研究其在(0,+ ∞)上的单调性,进而求极值、最值,证g (x )max <1+e -2是一条思路,但当对g (x )求导后发现几乎无法处理g ′(x )>0(g ′(x )<0)思路受阻.受 (2)的启发,研究h (x )=1-x -x ln x ,利用x ∈(0,+∞)时1e x <1这一条 件以及h (x )最大值来证就顺理成章了. [解析] (1)解:由f (x )=ln x +k e x , 得f ′(x )=1-kx -x ln x x e x ,x ∈(0,+∞), 由于曲线y =f (x )在(1,f (1))处的切线与x 轴平行. 所以f ′(1)=0,因此k =1. (2)解:由(1)得f ′(x )=1x e x (1-x -x ln x ),x ∈(0,+∞), 令h (x )=1-x -x ln x ,x ∈(0,+∞), 当x ∈(0,1)时,h (x )>0;当x ∈(1,+∞)时,h (x )<0. 又e x >0, 所以x ∈(0,1)时,f ′(x )>0; x ∈(1,+∞)时,f ′(x )<0. 因此f (x )的单调递增区间为(0,1),单调递减区间为(1,+∞). (3)证明:因为g (x )=xf ′(x ). 所以g (x )=1e x (1-x -x ln x ),x ∈(0,+∞). 由(2)h (x )=1-x -x ln x , 求导得h ′(x )=-ln x -2=-(ln x -lne -2), 所以当x ∈(0,e -2)时,h ′(x )>0,函数h (x )单调递增; 当x ∈(e -2,+∞)时,h ′(x )<0,函数h (x )单调递减. 所以当x ∈(0,+∞)时,h (x )≤h (e -2)=1+e -2. 又当x ∈(0,+∞)时,0<1e x <1, 所以当x ∈(0,+∞)时,1e x h (x )<1+e -2,即g (x )<1+e -2. 综上所述结论成立. [点评] 本题考查了导数的运算、切线方程、利用导数研究函数 的极值、研究函数的单调区间、利用导数证明不等式等. 备选题库 1.若函数f (x )=x 3-6bx +3b 在(0,1)内有极小值,则实数b 的取值范围是( ) A .(0,1) B .(-∞,1) C .(0,+∞) D.? ?? ??0,12 [答案] D [解析] ∵f ′(x )=3x 2-6b ,由题意知,函数f ′(x )图象如右图. ∴????? f ′(0)<0,f ′(1)>0. ∴????? -6b <0,3-6b >0.∴00,b >0,且函数f (x )=4x 3-ax 2-2bx +2在x =1处有极值,则ab 的最大值等于( ) A .2 B .3 C .6 D .9 [答案] D [解析] f ′(x )=12x 2-2ax -2b =0的一根为x =1,即12-2a -2b =0. ∴a +b =6,∴ab ≤(a +b 2)2=9,当且仅当a =b =3时“=”号成 立. 3.f (x )是定义在(0,+∞)上的非负可导函数,且满足xf ′(x )+f (x )≤0.对任意正数a 、b ,若a A .af (b )≤bf (a ) B .bf (a )≤af (b ) C .af (a )≤f (b ) D .bf (b )≤f (a ) [答案] A [解析] ∵xf ′(x )+f (x )≤0,又f (x )≥0, ∴xf ′(x )≤-f (x )≤0. 设y =f (x )x ,则y ′=x ·f ′(x )-f (x )x 2 ≤0, 故y =f (x )x 为减函数或为常数函数. 又a ∵a 、b >0,∴a ·f (b )≤b ·f (a ). [点评] 观察条件式xf ′(x )+f (x )≤0的特点,可见不等式左边是 函数y =xf (x )的导函数,故可构造函数y =xf (x )或y =f (x )x 通过取导数利 用条件式来得到函数的单调性推得结论,请再练习下题: