人教版广东省惠州市第一中学高二数学选修2-2 第一章 导数及其应用 4 生活中的优化问题举例(共24
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第一章导数及其应用本章综述本章内容共分为四大节.第一大节是导数.第二大节是导数的运算,主要介绍了基本初等函数的导数公式,导数的四则运算法则.第三大节是导数的应用,主要是利用导数判断函数的单调性,求函数的极值和最值问题,利用函数解实际问题和物理问题.第四大节是定积分和微积分的基本定理,主要介绍利用定积分求曲线围成的平面图形的面积.导数是微积分的核心概念之一,它是研究函数的单调性,函数的极值与最大,最小值,曲线的凹凸性,函数图形的描绘,曲线的曲率,方程的近似解等问题的最一般,最有效的工具;定积分是微积分的另一个核心概念,它在几何学上的应用有:计算平面图形的面积,体积以及平面曲线的弧长等;在物理学上它可计算变力沿直线所做的功,水压力,引力等一些重要的物理量.实际上,微积分在物理、化学、生物、天文、地理以及经济等各种科学领域中都有广泛而重要的作用,它是大学数学课程中极其重要又非常基础的一部分内容.导数来源于实践,又应用于实践.如现实生活中的瞬时速度,膨胀率,增长率问题等等,都充分反映了导数的思想.利用导数还可以解决现实生活中的最优化问题,由于其应用广泛,所以其地位在中学数学中极其重要.因此,导数及其应用已成为近几年高考的热点.导数概念的核心是变化率,学习导数应从物理和几何两方面去理解导数的意义;必须熟记常数与基本初等函数的导数;正确地运用和、差、积、商及复合函数的求导法则,就可以求出一切初等函数的导数;学会利用导数解决速度、加速度、函数的单调性、极值、最值等问题的解法,并会利用其解决实际问题.学习导数时要借助于实例,沿着从平均速度、瞬时速度到函数瞬时变化率的线索,认识和理解导数的概念;通过例题,体会利用导数的定义求导数的方法;借助于图形去认识和理解导数的几何意义,以及用导数的几何意义去解决问题;结合图形去认识和理解导数在研究函数性质中的应用;借助图形了解定积分的思想方法等.学习本章时要注意导数与导函数的区别,以及圆的切线、圆锥曲线与函数切线的区别.同时,还应明确平均变化率与瞬时变化率的区别与联系.。
数学人教B 选修2-2第一章1.3.3 导数的实际应用1.学会解决实际问题的基本方法,注意首先通过分析、思考、总结、联想,建立问题涉及的变量之间的函数关系式,然后根据实际意义确定定义域.2.学会利用导数求解实际问题,感受导数在解决实际问题中的作用.求实际问题中的最值的主要步骤(1)列出实际问题的数学模型,写出实际问题中变量之间的函数关系y =f (x ); (2)求函数的导数f ′(x ),解方程________;(3)比较函数在区间______和使f ′(x )=0的点的取值大小,最大(小)者为最大(小)值.(1)求实际问题的最大(小)值时,一定要从问题的实际意义去考虑,不符合实际意义的理论值应舍去;(2)在实际问题中,有时会遇到函数在区间内只有一个点使f ′(x )=0的情形,如果函数在这点有极大(小)值,那么不与端点值比较,也可以知道这就是最大(小)值;(3)在解决实际优化问题中,不仅要注意将问题中涉及的变量关系用函数关系式给予表示,还应确定函数关系式中自变量的定义区间.【做一做1-1】内接于半径为R 的半圆的周长最大的矩形的边长为( ).A .R 2和32RB .55R 和455RC .45R 和75R D .以上都不对【做一做1-2】面积为S 的所有矩形中,其周长最小的是________.如何求解实际应用题?剖析:解应用题首先要在阅读材料、理解题意的基础上把实际问题抽象成数学问题.就是从实际问题出发,抽象概括,利用数学知识建立相应的数学模型;再利用数学知识对数学模型进行分析、研究,得到数学结论;然后再把数学结论返回到实际问题中进行检验,其思路如下:(1)审题:阅读理解文字表达的题意,分清条件和结论,找出问题的主要关系; (2)建模:将文字语言转化成数学语言,利用数学知识建立相应的数学模型; (3)解模:把数学问题化归为常规问题,选择合适的数学方法求解;(4)对结果进行验证评估,定性、定量分析,作出正确的判断,确定其答案.值得注意的是:在实际问题中,有时会遇到函数在定义区间内只有一个点使f ′(x )=0的情形,如果函数在这个点有极大(小)值,那么不与端点值比较也可以知道这就是最大(小)值.这里所说的也适用于开区间或无穷区间.题型一 利用导数求实际问题的最小值【例题1】为了在夏季降温和冬季供暖时减少能源损耗,房屋的屋顶和外墙需要建造隔热层.某幢建筑物要建造可使用20年的隔热层,每厘米厚的隔热层建造成本为6万元.该建筑物每年的能源消耗费用C (单位:万元)与隔热层厚度x (单位:cm)满足关系:C (x )=k3x +5(0≤x ≤10),若不建隔热层,每年能源消耗费用为8万元.设f (x )为隔热层建造费用与20年的能源消耗费用之和.(1)求k 的值及f (x )的表达式;(2)隔热层修建多厚时,总费用f (x )达到最小,并求最小值. 分析:根据题设条件构造函数关系,再应用导数求最值.反思:解答一道应用题重点要过三关:事理关(需要读懂题意,知道讲的是什么事件);文理关(需要把实际问题的文字语言转化为数学的符号语言,用数学式子表达数学关系);数理关(要求学生有对数学知识的检索能力,认定或构建相应的数学模型,完成由实际问题向数学问题的转化,进而借助数学知识进行解答).对于这类问题,往往因忽视了数学语言和普通语言的转换,从而造成了解决应用问题的最大思维障碍.题型二 利用导数求实际问题的最大值【例题2】如图所示,有一块半椭圆形钢板,其长半轴长为2r ,短半轴长为r ,计划将此钢板切割成等腰梯形的形状,下底AB 是半椭圆的短轴,上底CD 的端点在椭圆上,记CD =2x ,梯形面积为S .(1)求面积S 以x 为自变量的函数关系式,并写出其定义域; (2)求面积S 的最大值.分析:建立坐标系,求出椭圆方程,表示出梯形的面积,应用导数求最值.反思:本题的关键是建立直角坐标系,得到椭圆方程x 2r 2+y 24r 2=1(y ≥0),进而得到梯形面积S =2(x +r )·r 2-x 2.利用导数法解决实际问题,当遇到在定义区间内只有一个点使f ′(x )=0的情形时,若函数在这一点有极大(小)值,那么不与端点值比较,也可以知道这就是最大(小)值.题型三 易错辨析 易错点:在运用导数解决实际问题的过程中,常常因为忽略实际问题中函数的定义域而造成结果求解错误.解决问题的主要措施为:在准确理解题意的基础上,正确建模,在实际问题的定义域范围内求出问题的最优解.【例题3】某厂生产一种机器,其固定成本(即固定投入)为0.5万元.但每生产100台,需要增加可变成本(即另增加投入)0.25万元.市场对此产品的年需求量为500台,销售收入(单位:万元)函数为R (x )=5x -12x 2(0≤x ≤5),其中x 是产品售出的数量(单位:百台).(1)把利润表示为年产量的函数;(2)年产量是多少时,工厂所得利润最大?错解:(1)y =R (x )-C (x )=⎝⎛⎭⎫5x -12x 2-(0.5+0.25x )=-12x 2+194x -12(0≤x ≤5). (2)y ′=-x +194,令y ′=0,得x =194=4.75,∴4.75必为最大值点.∴年产量为475台时,工厂利润最大.1将8分为两数之和,使其立方之和为最小,则分法为( ). A .2和6 B .4和4C .3和5D .以上都不对2用边长为48 cm 的正方形铁皮做一个无盖的铁盒时,在铁皮的四角各截去一个面积相等的小正方形,然后把四边折起,就能焊成铁盒,当所做的铁盒容积最大时,在四角截去的正方形的边长为( ).A .6 cmB .8 cmC .10 cmD .12 cm3某车间要靠墙壁盖一间长方形小屋,现有砖只够砌20 m 长的墙壁,则应围成长为________ m ,宽为________ m 的长方形才能使小屋面积最大.4做一个容积为256的方底无盖水箱,当它的高为________时,最省材料. 答案: 基础知识·梳理(2)f ′(x )=0 (3)端点 【做一做1-1】B 设矩形的一边长为x ,则另一边长为2R 2-x 2,周长l =2x +4R 2-x 2(0<x <R ),∴l ′=2-4x R 2-x 2,令l ′=0,得x 1=55R ,x 2=-55R (舍去),当0<x <55R 时,l ′>0;当55R <x <R 时,l ′<0,所以当x =55R 时,l 取最大值,即矩形周长最大时边长为55R 和455R .【做一做1-2】以S 为边长的正方形 设矩形的一边长为x ,则另一边长为Sx ,周长f (x )=2⎝⎛⎭⎫x +S x ,f ′(x )=2⎝⎛⎭⎫1-Sx 2,令f ′(x )=0,得x =S ,易知当x =S 时,f (x )有极小值,也就是最小值. 典型例题·领悟【例题1】解:(1)设隔热层厚度为x cm ,由题设,每年能源消耗费用为C (x )=k3x +5,又C (0)=8,∴k =40,因此C (x )=403x +5,而建造费用C 1(x )=6x ,从而隔热层建造费用与20年的能源消耗费用之和为f (x )=20C (x )+C 1(x )=20×403x +5+6x =8003x +5+6x (0≤x ≤10)(2)f ′(x )=6- 2 400(3x +5)2,令f ′(x )=0,即 2 400(3x +5)2=6,得x 1=5,x 2=-253(舍去),当0<x <5时,f ′(x )<0,当5<x <10时,f ′(x )>0,故5是f (x )的最小值点,对应的最小值为f (5)=6×5+80015+5=70,即当隔热层修建5 cm 厚时,总费用达到最小值70万元.【例题2】解:(1)依题意,以AB 所在的直线为x 轴,AB 的中点O 为原点建立直角坐标系(如图所示),则点C 的横坐标为x ,点C 的纵坐标y 满足方程x 2r 2+y 24r 2=1(y ≥0),即y =2r 2-x 2(0<x <r ).S =12(2x +2r )·2r 2-x 2=2(x +r )·r 2-x 2, 其定义域为{x |0<x <r }.(2)记f (x )=4(x +r )2(r 2-x 2),0<x <r , 则f ′(x )=8(x +r )2(r -2x ). 令f ′(x )=0,得x =12r .因为当0<x <r2时,f ′(x )>0;当r2<x <r 时,f ′(x )<0, 所以f (12r )是f (x )的最大值.因此,当x =12r 时,S 也取得最大值,最大值为f (12r )=332r 2. 故梯形面积S 的最大值为332r 2.【例题3】错因分析:实际问题中,该厂生产的产品数量不一定在500台之内(含500台),应有x >5的情况,错解忽视了此种情况,就出现了错误.正解:(1)利润y =R (x )-C (x )=⎩⎨⎧⎝⎛⎭⎫5x -x 22-(0.5+0.25x )(0≤x ≤5),⎝⎛⎭⎫5×5-522-(0.5+0.25x )(x >5),=⎩⎪⎨⎪⎧-12x 2+4.75x -0.5(0≤x ≤5),12-0.25x (x >5).(2)0≤x ≤5时,y =-12x 2+4.75x -0.5,∴当x =4.75时,y max ≈10.78(万元);当x >5时,y =12-0.25x <12-0.25×5=10.75(万元). ∴年产量是475台时,工厂所得利润最大. 随堂练习·巩固1.B 设其中一个数为x ,则另一个数为8-x ,y =x 3+(8-x )3,0≤x ≤8,y ′=3x 2-3(8-x )2,令y ′=0即3x 2-3(8-x )2=0,得x =4.当0≤x <4时,y ′<0;当4<x ≤8时,y ′>0.所以当x =4时,y 最小.2.B 设截去的小正方形的边长为x cm ,铁盒的容积为V cm 3,由题意,得V =x (48-2x )2(0<x <24),V ′=12(24-x )(8-x ).令V ′=0,则在区间(0,24)内有解x =8,故当x =8时,V 有最大值.3.10 5 设长为x m ,宽为y m ,则x +2y =20,y =10-x 2.S =x ·y =x ⎝⎛⎭⎫10-x 2=10x -x 22,S ′=10-x ,令S ′=0,得x =10,∴x =10,y =5.4.4 设方底无盖水箱的底面边长为a ,高为h ,则V =a 2h =256,即h =256a 2.用料最省,即表面积最小.S 表=S 底+S 侧=a 2+4ah =a 2+4a 256a 2=a 2+1 024a .S ′=2a -1 024a2.令S ′=0,得2a -1 024a 2=0,解得a =8,此时h =25664=4.。
数学人教B 选修2-2第一章导数及其应用知识建构专题应用专题一 用导数的定义解题对于导数的定义,必须明确定义中包含的基本内容和Δx →0的方式,掌握用定义求导数的步骤以及用定义求导数的一些简单变形.应用若函数y =f (x )在点x 0处可导,则lim h →0f (x 0+h )-f (x 0-h )h =________.专题二 切线问题求切线实际考查的是导数的几何意义,这类问题可以是以小题也可以是以大题形式出现,有时以求函数的导数、导数的应用以及函数的其他知识等综合题形式出现,这时多为中档题.应用已知直线l 1为曲线y =x 2+x -2在点(1,0)处的切线,l 2为该曲线的另一条切线,且l 1⊥l 2.(1)求直线l 2的方程;(2)求由直线l 1,l 2和x 轴所围成的三角形的面积.提示:(1)求曲线上某点处的切线的步骤:先求曲线在这点处的导数,这点对应的导数值即为过此点切线的斜率,再由点斜式写出直线方程.(2)求面积用S =12ah 即可完成.专题三 函数的单调性与极值、最大(小)值 (1)求可导函数f (x )单调区间的步骤: ①求f ′(x );②解不等式f ′(x )>0(或f ′(x )<0); ③确认并指出函数的单调区间.(2)求可导函数f (x )在区间[a ,b ]上最大(小)值的步骤: ①求出f (x )在区间(a ,b )内的极值;②将f (x )在区间(a ,b )内的极值与f (a )、f (b )比较,确定f (x )的最大值与最小值.应用1设a 为实数,函数f (x )=e x -2x +2a ,x ∈R .(1)求f (x )的单调区间与极值;(2)求证:当a >ln 2-1,且x >0时,e x >x 2-2ax +1. 提示:先求导,利用导函数求解与证明.应用2设函数f (x )=ln x +ln(2-x )+ax (a >0). (1)当a =1时,求f (x )的单调区间;(2)若f (x )在区间(0,1]上的最大值为12,求a 的值.专题四 用定积分求平面图形的面积用定积分求平面图形的面积是定积分的一个重要应用,几种典型的平面图形的面积计算如下:设由一条曲线y =f (x )和直线x =a ,x =b (a <b )及y =0所围成的平面图形的面积为S .(1)如图①所示,f (x )>0,ba⎰f (x )d x >0,所以S =ba⎰f (x )d x .(2)如图②所示,f (x )<0,ba ⎰f (x )d x <0,所以S =()d baf x x ⎰=-b a⎰f (x )d x .(3)如图③所示,当a ≤x ≤c 时,f (x )≤0,ca ⎰f (x )d x <0;当c ≤x ≤b 时,f (x )≥0,bc⎰f (x )d x >0,所以S =()d caf x x ⎰+bc⎰f (x )d x =-ca⎰f (x )d x+bc⎰f (x )d x .由两条曲线f (x )和g (x ),直线x =a ,x =b (a <b )所围成的平面图形的面积为S .如图④所示,f (x )>g (x ),则S =ba⎰[f (x )-g (x )]d x .解题步骤如下:(1)画出图形;(2)确定图形范围,通过解方程组求出交点的横坐标,定出积分上、下限;(3)确定被积函数,特别要注意分清被积函数的位置;(4)写出平面图形面积的定积分表达式;(5)运用微积分基本定理公式计算定积分,求出平面图形的面积.应用计算由曲线y =x 2-2x +3与直线y =x +3所围成的图形的面积. 提示:先将图形面积借助于定积分表示出来,然后再求解. 真题放送1.(2011·福建高考卷)1⎰(e x +2x )d x 等于( ).A .1B .e -1C .eD .e +1 2.(2010·山东高考卷)由曲线y =x 2,y =x 3围成的封闭图形面积为( ).A .112B .14C .13D .7123.(2010·江西高考卷)在等比数列{a n }中,a 1=2,a 8=4,函数f (x )=x (x -a 1)(x -a 2)…(x -a 8),则f ′(0)=( ).A .26B .29C .212D .215 4.(2010·江西高考卷)如图,一个正五角星薄片(其对称轴与水面垂直)匀速地升出水面,记t 时刻五角星露出水面部分的图形面积为S (t )(S (0)=0),则导函数y =S ′(t )的图象大致为( ).5.(2011·陕西高考卷)设f (x )=2lg , 0,3d ,0,ax x x t t x >⎧⎪⎨+≤⎪⎩⎰若f (f (1))=1,则a =__________.6.(2011·陕西高考卷)如图,从点P 1(0,0)作x 轴的垂线交曲线y =e x 于点Q 1(0,1),曲线在Q 1点处的切线与x 轴交于点P 2.再从P 2作x 轴的垂线交曲线于点Q 2,依次重复上述过程得到一系列点:P 1,Q 1;P 2,Q 2;…;P n ,Q n ,记P k 点的坐标为(x k,0)(k =1,2,…,n ).(1)试求x k 与x k -1的关系(2≤k ≤n ); (2)求|P 1Q 1|+|P 2Q 2|+|P 3Q 3|+…+|P n Q n |.7.(2011·安徽高考卷)设f (x )=e x1+ax 2,其中a 为正实数.(1)当a =43时,求f (x )的极值点;(2)若f (x )为R 上的单调函数,求a 的取值范围. 答案: 专题应用 专题一应用:2f ′(x 0) 原式=lim h →0f (x 0+h )-f (x 0)+f (x 0)-f (x 0-h )h=lim h →0f (x 0+h )-f (x 0)h +lim -h →0f (x 0-h )-f (x 0)-h=f ′(x 0)+f ′(x 0)=2f ′(x 0). 专题二应用:解:(1)由已知得y ′=2x +1,由于曲线过点(1,0), 所以y ′|x =1=3.所以直线l 1的方程为y =3x -3.设直线l 2过曲线y =x 2+x -2上的点B (b ,b 2+b -2),则l 2的方程为y =(2b +1)x -b 2-2.因为l 1⊥l 2,所以2b +1=-13,b =-23.所以直线l 2的方程为y =-13x -229.(2)解方程组⎩⎪⎨⎪⎧y =3x -3,y =-13x -229,得⎩⎨⎧x =16,y =-52,所以直线l 1和l 2的交点坐标为⎝⎛⎭⎫16,-52. l 1,l 2与x 轴交点的坐标分别为(1,0),⎝⎛⎭⎫-223,0, 所以所求三角形的面积为S =12×⎝⎛⎭⎫1+223×⎪⎪⎪⎪-52=12512. 专题三应用1:(1)解:由f (x )=e x -2x +2a ,x R ,知f ′(x )=e x -2,x R .令f故f f (x )在x =ln 2处取得极小值,极小值为f (ln 2)=e ln 2-2ln 2+2a =2(1-ln 2+a ).(2)证明:设g (x )=e x -x 2+2ax -1,x R , 于是g ′(x )=e x -2x +2a ,x R .由(1)知当a >ln 2-1时,g ′(x )的最小值为g ′(ln 2)=2(1-ln 2+a )>0. 于是对任意x R ,都有g ′(x )>0,所以g (x )在R 内单调递增, 于是当a >ln 2-1时,对任意x (0,+∞),都有g (x )>g (0), 而g (0)=0,从而对任意x (0,+∞),g (x )>0. 即e x -x 2+2ax -1>0,故e x >x 2-2ax +1. 应用2:解:函数f (x )的定义域为(0,2), f ′(x )=1x -12-x+a .(1)当a =1时,f ′(x )=-x 2+2x (2-x ),所以f (x )的单调增区间为(0,2),单调减区间为(2,2),(2)当x (0,1]时,f ′(x )=2-2xx (2-x )+a >0,所以f (x )在区间(0,1]上单调递增,故f (x )在区间(0,1]上的最大值为f (1)=a ,因此a =12.专题四 应用:解:先画出草图,如图所示:由⎩⎪⎨⎪⎧y =x +3,y =x 2-2x +3. 解得x 1=0,x 2=3,从而所求图形的面积为S =⎠⎛03(x +3)d x -⎠⎛03(x 2-2x +3)d x =⎠⎛03[(x +3)-(x 2-2x +3)]d x =⎠⎛03(-x 2+3x )d x ,因为⎝⎛⎭⎫-13x 3+32x 2′=-x 2+3x , 所以S =⎝⎛⎭⎫-13x 3+32x 2|30=92. 真题放送1.C ∵被积函数e x +2x 的原函数为e x +x 2,∴∫10(e x +2x )d x =(e x +x 2)|10=(e 1+12)-(e 0+0)=e. 2.A 封闭图形面积为 ⎠⎛01(x 2-x 3)d x =⎝⎛⎭⎫13x 3-14x 4|10=112.3.C 函数f (x )的展开式中含x 项的系数为a 1a 2…a 8=(a 1·a 8)4=84=212,而f ′(0)=a 1a 2…a 8=212.4.A 当五角星匀速地升出水面时,五角星露出水面的面积S (t )单调递增,则S ′(t )>0,导函数的图象要在x 轴上方,排除选项B ;当露出部分到达图中的点B 和点C 之间时,S (t )增长速度变缓,S ′(t )图象要下降,排除选项C ;当露出部分在B 点上下一瞬间时,S (t )突然变大,此时在点B 处的S ′(t )不存在,排除选项D ,而选项A 符合条件,故选A.5.1 ∵1>0,∴f (1)=lg 1=0,∴f (f (1))=f (0).又∵0≤0.∴f (f (1))=f (0)=0+⎠⎛0a3t 2d t =t 3|a 0=a 3=1,∴a =1.6.解:(1)设P k -1(x k -1,0),由y ′=e x ,得曲线在Q k -1(x k -1,e x k -1)点处的切线方程为y -e x k -1=e x k -1(x -x k -1),令y =0,得x k =x k -1-1(2≤k ≤n ).(2)由x 1=0,x k -x k -1=-1,得x k =-(k -1),所以|P k Q k |=e x k =e -(k -1),于是S n =|P 1Q 1|+|P 2Q 2|+|P 3Q 3|+…+|P n Q n |=1+e -1+e -2+…+e -(n -1)=1-e -n 1-e -1=e -e 1-n e -1. 7.解:对f (x )求导得f ′(x )=e x 1+ax 2-2ax (1+ax 2)2.①(1)当a =43时,若f ′(x )=0,则4x 2-8x +3=0,解得x 1=32,x 2=12.结合①,可知所以x 1=32是极小值点,x 2=12是极大值点.(2)若f (x )为R 上的单调函数,则f ′(x )在R 上不变号.结合①与条件a >0,知ax 2-2ax +1≥0在R 上恒成立,因此Δ=4a 2-4a =4a (a -1)≤0,由此并结合a >0,知0<a ≤1.。
第一章导数及其应用
本章概览
内容提要
本章主要学习导数的概念、导数的几何意义、导数的运算、导数在研究函数中的应用、生活中的优化问题、定积分的概念、微积分基本定理以及定积分的简单应用等知识.
导数与微积分是中学选修内容中的重要知识,它与高等数学有较为密切的联系,也是进一步学习的必备基础知识.
导数的学习,为我们解决所学过的有关函数问题提供了一般性的方法,它的应用相当广泛,涉及代数、几何、物理以及生活实际等多个领域,运用它可以解决一些实际问题导数的概念、求导公式与法则是本章学习的重点,将实际问题转化成求解最大(小)值的数学模型,应用导数知识去解决它是本章学习之难点这也是提高分析问题、解决问题能力及学好数学的关键
学法指导
导数与定积分有着丰富的背景和广泛的应用
应多结合实例,通过实例去理解导数与定积分的有关概念以及导数与积分的内在联系深入理解和正确运用导数的概念、求导公式与法则是本章学习的基础,能对简单的初等函数进行求导是本章学习的重点。