第3章 第3讲 导数的应用(二)
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2023年高考数学总复习第三章导数及其应用第2节导数与函数的单调性考试要求 1.了解函数的单调性与导数的关系;能利用导数研究函数的单调性,会求函数的单调区间(其中多项式函数不超过三次);2.利用导数研究函数的单调性,并会解决与之有关的方程(不等式)问题.1.函数的单调性与导数的关系函数y=f(x)在某个区间内可导,则:(1)若f′(x)>0,则f(x)在这个区间内单调递增;(2)若f′(x)<0,则f(x)在这个区间内单调递减;(3)若f′(x)=0,则f(x)在这个区间内是常数函数.2.利用导数求函数单调区间的基本步骤(1)确定函数f(x)的定义域;(2)求导数f′(x);(3)由f′(x)>0(或<0)解出相应的x的取值范围.当f′(x)>0时,f(x)在相应的区间内是单调递增函数;当f′(x)<0时,f(x)在相应的区间内是单调递减函数.3.单调性的应用若函数y=f(x)在区间(a,b)上单调,则y=f′(x)在该区间上不变号.若函数f(x)在区间(a,b)上递增,则f′(x)≥0,所以“f′(x)>0在(a,b)上成立”是“f(x)在(a,b)上单调递增”的充分不必要条件.1.思考辨析(在括号内打“√”或“×”)(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.()(3)函数在(a,b)内单调递减与函数的单调递减区间为(a,b)是不同的.()(4)函数f(x)=x-sin x在R上是增函数.()答案(1)×(2)√(3)√(4)√解析(1)f(x)在(a,b)内单调递增,则有f′(x)≥0.2.(易错题)函数f(x)=x+ln(2-x)的单调递增区间为()A.(-∞,1)B.(-∞,2)C.(1,+∞)D.(2,+∞)答案A解析由f(x)=x+ln(2-x),得f′(x)=1-12-x=1-x2-x(x<2).令f′(x)>0,即1-x2-x>0,解得x<1.∴函数f(x)=x+ln(2-x)的单调递增区间为(-∞,1).3.(2017·浙江卷)函数y=f(x)的导函数y=f′(x)的图像如图所示,则函数y=f(x)的图像可能是()答案D解析设导函数y=f′(x)与x轴交点的横坐标从左往右依次为x1,x2,x3,由导函数y=f′(x)的图像易得当x∈(-∞,x1)∪(x2,x3)时,f′(x)<0;当x∈(x1,x2)∪(x3,+∞)时,f′(x)>0(其中x1<0<x2<x3),所以函数f(x)在(-∞,x1),(x2,x3)上单调递减,在(x1,x2),(x3,+∞)上单调递增,观察各选项,只有D选项符合.4.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.R答案B解析由f(x)>2x+4,得f(x)-2x-4>0,设F(x)=f(x)-2x-4,则F′(x)=f′(x)-2,因为f′(x)>2,所以F′(x)>0在R上恒成立,所以F(x)在R上递增,而F(-1)=f(-1)-2×(-1)-4=2+2-4=0,故不等式f(x)-2x-4>0等价于F(x)>F(-1),所以x>-1,故选B.5.(易错题)若函数f(x)=13x3-32x2+ax+4的单调递减区间为[-1,4],则实数a的值为________.答案-4解析f′(x)=x2-3x+a,且f(x)的单调递减区间为[-1,4],∴f′(x)=x2-3x+a≤0的解集为[-1,4],∴-1,4是方程f′(x)=0的两根,则a=(-1)×4=-4.6.(2021·青岛检测)已知函数f(x)=sin2x+4cos x-ax在R上单调递减,则实数a 的取值范围是________.答案[3,+∞)解析f′(x)=2cos2x-4sin x-a=2(1-2sin2x)-4sin x-a=-4sin2x-4sin x+2-a=-(2sin x+1)2+3-a.由题设,f′(x)≤0在R上恒成立.因此a≥3-(2sin x+1)2恒成立,则a≥3.考点一不含参函数的单调性1.函数f(x)=x+3x+2ln x的单调递减区间是()A.(-3,1)B.(0,1)C.(-1,3)D.(0,3)答案B 解析法一函数的定义域是(0,+∞),f ′(x )=1-3x 2+2x ,令f ′(x )=1-3x 2+2x<0,得0<x <1,故所求函数的单调递减区间为(0,1),故选B.法二由题意知x >0,故排除A 、C 选项;又f (1)=4<f (2)=72+2ln 2,故排除D选项.故选B.2.函数f (x )=(x -3)e x 的单调递增区间为________.答案(2,+∞)解析f (x )的定义域为R ,f ′(x )=(x -2)e x ,令f ′(x )>0,得x >2,∴f (x )的单调递增区间为(2,+∞).3.已知定义在区间(0,π)上的函数f (x )=x +2cos x ,则f (x )的单调递增区间为________.答案0,π6,5π6,π解析f ′(x )=1-2sin x ,x ∈(0,π),令f ′(x )=0,得x =π6或x =5π6,当0<x <π或5π<x <π时,f ′(x )>0,∴f (x )0,π6,5π6,π.感悟提升确定函数单调区间的步骤:(1)确定函数f (x )的定义域;(2)求f ′(x );(3)解不等式f ′(x )>0,解集在定义域内的部分为单调递增区间;(4)解不等式f ′(x )<0,解集在定义域内的部分为单调递减区间.考点二讨论含参函数的单调性例1已知函数f (x )=12ax 2-(a +1)x +ln x ,a >0,试讨论函数y =f (x )的单调性.解函数f (x )的定义域为(0,+∞),f′(x)=ax-(a+1)+1x=ax2-(a+1)x+1x=(ax-1)(x-1)x.(1)当0<a<1时,1a>1,∴x∈(0,1)f′(x)>0;x f′(x)<0,∴函数f(x)在(0,1)(2)当a=1时,1a=1,∴f′(x)≥0在(0,+∞)上恒成立,∴函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;(3)当a>1时,0<1a<1,∴x(1,+∞)时,f′(x)>0;x f′(x)<0,∴函数f(x)(1,+∞).综上,当0<a<1时,函数f(x)在(0,1)减;当a=1时,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增;当a>1时,函数f(x)(1,+∞).感悟提升 1.含参数的函数的单调性,要依据参数对不等式解集的影响进行分类讨论.遇二次三项式常考虑二次项系数、对应方程的判别式以及根的大小关系,以此来确定分界点,分情况讨论.2.划分函数的单调区间时,要在函数定义域内讨论,还要确定导数为0的点和函数的间断点.3.个别导数为0的点不影响所在区间的单调性,如f(x)=x3,f′(x)=3x2≥0(f′(x)=0在x=0时取到),f(x)在R上是增函数.训练1已知f (x )=a (x -ln x )+2x -1x 2,a >0,讨论f (x )的单调性.解f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=a -a x -2x 2+2x 3=(ax 2-2)(x -1)x 3=a (x -1)x 3x -2a x +2a (1)当0<a <2时,2a>1,当x (0,1)∪2a,+∞时,f ′(x )>0,当x 1,2a 时,f ′(x )<0.(2)当a =2时,2a =1,在x ∈(0,+∞)内,f ′(x )≥0,f (x )递增.(3)当a >2时,0<2a <1,当x 0,2a ∪(1,+∞)时,f ′(x )>0,当x 2a,1时,f ′(x )<0.综上所述,当0<a <2时,f (x )在(0,1)2a ,+∞内递增,在1,2a 内递减.当a =2时,f (x )在(0,+∞)内递增;当a >2时,f (x )0,2a (1,+∞)2a,1.考点三根据函数单调性求参数值(范围)例2(经典母题)已知x =1是f (x )=2x +bx +ln x 的一个极值点.(1)求函数f (x )的单调递减区间;(2)设函数g (x )=f (x )-3+ax,若函数g (x )在区间[1,2]内单调递增,求实数a 的取值范围.解(1)f (x )=2x +bx+ln x ,定义域为(0,+∞).∴f ′(x )=2-b x 2+1x =2x 2+x -bx2.因为x=1是f(x)=2x+bx+ln x的一个极值点,所以f′(1)=0,即2-b+1=0.解得b=3,经检验,适合题意,所以b=3.所以f′(x)=2x2+x-3x2,令f′(x)<0,得0<x<1.所以函数f(x)的单调递减区间为(0,1).(2)g(x)=f(x)-3+ax=2x+ln x-ax(x>0),g′(x)=2+1x+ax2(x>0).因为函数g(x)在[1,2]上单调递增,所以g′(x)≥0在[1,2]上恒成立,即2+1x+ax2≥0在[1,2]上恒成立,所以a≥-2x2-x在[1,2]上恒成立,所以a≥(-2x2-x)max,x∈[1,2].因为在[1,2]上,(-2x2-x)max=-3,所以a≥-3.所以实数a的取值范围是[-3,+∞).迁移在本例(2)中,若函数g(x)在区间[1,2]上不单调,求实数a的取值范围.解∵函数g(x)在区间[1,2]上不单调,∴g′(x)=0在区间(1,2)内有解,则a=-2x2-x=-+18在(1,2)内有解,易知该函数在(1,2)上是减函数,∴a=-2x2-x的值域为(-10,-3),因此实数a的取值范围为(-10,-3).感悟提升 1.已知函数的单调性,求参数的取值范围,应用条件f′(x)≥0(或f′(x)≤0),x∈(a,b)恒成立,解出参数的取值范围(一般可用不等式恒成立的理论求解),应注意参数的取值是f′(x)不恒等于0的参数的范围.2.如果能分离参数,则尽可能分离参数后转化为参数值与函数最值之间的关系.3.若函数y =f (x )在区间(a ,b )上不单调,则转化为f ′(x )=0在(a ,b )上有解.训练2(1)若函数y =x 3+x 2+mx +1是R 上的单调函数,则实数m 的取值范围是()A.13,+∞ B.-∞,13C.13,+∞ D.-∞,13(2)(2022·郑州调研)设函数f (x )=12x 2-9ln x 在区间[a -1,a +1]上单调递减,则实数a 的取值范围是________.答案(1)C(2)(1,2]解析(1)由y =x 3+x 2+mx +1是R 上的单调函数,所以y ′=3x 2+2x +m ≥0恒成立,或y ′=3x 2+2x +m ≤0恒成立,显然y ′=3x 2+2x +m ≥0恒成立,则Δ=4-12m ≤0,所以m ≥13.(2)易知f (x )的定义域为(0,+∞),且f ′(x )=x -9x.又x >0,令f ′(x )=x -9x ≤0,得0<x ≤3.因为函数f (x )在区间[a -1,a +1]上单调递减,a -1>0,a +1≤3,解得1<a ≤2.考点四与导数有关的函数单调性的应用角度1比较大小例3(1)已知函数f (x )=x sin x ,x ∈R ,则π5f (1),f -π3的大小关系为()A.-π3f (1)>π5B.f (1)>-π3π5C.π5f (1)>-π3D.-π3π5>f (1)(2)已知y =f (x )是定义在R 上的奇函数,且当x <0时不等式f (x )+xf ′(x )<0成立,若a =30.3·f (30.3),b =log π3·f (log π3),c =log 319·则a ,b ,c 的大小关系是()A.a >b >cB.c >b >aC.a >c >bD.c >a >b答案(1)A(2)D解析(1)因为f (x )=x sin x ,所以f (-x )=(-x )·sin(-x )=x sin x =f (x ),所以函数f (x )是偶函数,所以又当x f ′(x )=sin x +x cos x >0,所以函数f (x )f (1)<f (1)> A.(2)设g (x )=xf (x ),则g ′(x )=f (x )+xf ′(x ),又当x <0时,f (x )+xf ′(x )<0,∴x <0时,g ′(x )<0,g (x )在(-∞,0)上单调递减.由y =f (x )在R 上为奇函数,知g (x )在R 上为偶函数,∴g (x )在(0,+∞)上是增函数,∴c =g (-2)=g (2),又0<log π3<1<30.3<3<2,∴g (log π3)<g (30.3)<g (2),即b <a <c .角度2解不等式例4已知f (x )在R 上是奇函数,且f ′(x )为f (x )的导函数,对任意x ∈R ,均有f (x )>f ′(x )ln 2成立,若f (-2)=2,则不等式f (x )>-2x -1的解集为()A.(-2,+∞)B.(2,+∞)C.(-∞,-2)D.(-∞,2)答案D解析f (x )>f ′(x )ln 2⇔f ′(x )-ln 2·f (x )<0.令g(x)=f(x)2x,则g′(x)=f′(x)-f(x)·ln22x,∴g′(x)<0,则g(x)在(-∞,+∞)上是减函数.由f(-2)=2,且f(x)在R上是奇函数,得f(2)=-2,则g(2)=f(2)22=-12,又f(x)>-2x-1⇔f(x)2x>-12=g(2),即g(x)>g(2),所以x<2.感悟提升 1.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. 2.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;题目中若存在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.训练3(1)已知函数f(x)=3x+2cos x.若a=f(32),b=f(2),c=f(log27),则a,b,c的大小关系是()A.a<b<cB.c<b<aC.b<a<cD.b<c<a(2)(2021·西安模拟)函数f(x)的导函数为f′(x),对任意x∈R,都有f′(x)>-f(x)成立,若f(ln2)=12,则满足不等式f(x)>1e x的x的取值范围是()A.(1,+∞)B.(0,1)C.(ln2,+∞)D.(0,ln2)答案(1)D(2)C解析(1)由题意,得f′(x)=3-2sin x.因为-1≤sin x≤1,所以f′(x)>0恒成立,所以函数f(x)是增函数.因为2>1,所以32>3.又log 24<log 27<log 28,即2<log 27<3,所以2<log 27<32,所以f (2)<f (log 27)<f (32),即b <c <a .(2)对任意x ∈R ,都有f ′(x )>-f (x )成立,即f ′(x )+f (x )>0.令g (x )=e x f (x ),则g ′(x )=e x [f ′(x )+f (x )]>0,所以函数g (x )在R 上单调递增.不等式f (x )>1e x 即e xf (x )>1,即g (x )>1.因为f (ln 2)=12,所以g (ln 2)=e ln 2f (ln 2)=2×12=1.故当x >ln 2时,g (x )>g (ln 2)=1,所以不等式g (x )>1的解集为(ln 2,+∞).1.如图是函数y =f (x )的导函数y =f ′(x )的图像,则下列判断正确的是()A.在区间(-2,1)上f (x )单调递增B.在区间(1,3)上f (x )单调递减C.在区间(4,5)上f (x )单调递增D.在区间(3,5)上f (x )单调递增答案C解析在区间(4,5)上f ′(x )>0恒成立,∴f (x )在区间(4,5)上单调递增.2.函数f (x )=ln x -ax (a >0)的单调递增区间为()D.(-∞,a)答案A解析函数f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=1x-a,令f′(x)=1x-a>0,得0<x<1a,所以f(x)3.函数y=f(x)的图像如图所示,则y=f′(x)的图像可能是()答案D解析由函数f(x)的图像可知,f(x)在(-∞,0)上单调递增,f(x)在(0,+∞)上单调递减,所以在(-∞,0)上,f′(x)>0;在(0,+∞)上,f′(x)<0,选项D满足. 4.(2021·德阳诊断)若函数f(x)=e x(sin x+a)在R上单调递增,则实数a的取值范围为()A.[2,+∞)B.(1,+∞)C.[-1,+∞)D.(2,+∞)答案A解析因为f(x)=e x(sin x+a),所以f′(x)=e x(sin x+a+cos x).要使函数f(x)在R上单调递增,需使f′(x)≥0恒成立,即sin x+a+cos x≥0恒成立,所以a≥-sin x-cos x.因为-sin x-cos x=-2sin所以-2≤-sin x-cos x≤2,所以a≥ 2.5.(2021·江南十校联考)已知函数f(x)=ax2-4ax-ln x,则f(x)在(1,4)上不单调的一个充分不必要条件可以是()A.a>-12B.0<a<116C.a>116或-12<a<0 D.a>116答案D解析f′(x)=2ax-4a-1x=2ax2-4ax-1x,令g(x)=2ax2-4ax-1,则函数g(x)=2ax2-4ax-1的对称轴方程为x=1,若f(x)在(1,4)上不单调,则g(x)在区间(1,4)上有零点.当a=0时,显然不成立;当a≠0>0,(1)=-2a-1<0,(4)=16a-1>0,<0,(1)=-2a-1>0,(4)=16a-1<0,解得a>116或a<-12.∴a>116是f(x)在(1,4)上不单调的一个充分不必要条件.6.已知函数y=f(x+1)是偶函数,当x∈(1,+∞)时,函数f(x)=sin x-x,设a=b=f(3),c=f(0),则a,b,c的大小关系为()A.b<a<cB.c<a<bC.b<c<aD.a<b<c答案A解析由函数y=f(x+1)是偶函数,可得函数f(x)的图像关于直线x=1对称,则a=b=f(3),c=f(0)=f(2),又当x∈(1,+∞)时,f′(x)=cos x-1≤0,所以f(x)=sin x-x在(1,+∞)上为减函数,所以b<a<c,故选A.7.若函数f (x )=ax 3+3x 2-x +1恰好有三个单调区间,则实数a 的取值范围为________.答案(-3,0)∪(0,+∞)解析依题意知,f ′(x )=3ax 2+6x -1有两个不相等的零点,≠0,=36+12a >0,解得a >-3且a ≠0.8.(2022·哈尔滨调研)若函数f (x )=2x 2-ln x 在其定义域的一个子区间(k -1,k +1)内不是单调函数,则实数k 的取值范围是________.答案1解析f ′(x )=4x -1x =(2x -1)(2x +1)x(x >0),令f ′(x )>0,得x >12;令f ′(x )<0,得0<x <12.-1≥0,-1<12<k +1,解之得1≤k <32.9.设f (x )是定义在R 上的奇函数,f (2)=0,当x >0时,有xf ′(x )-f (x )x 2<0恒成立,则不等式x 2f (x )>0的解集是__________________.答案(-∞,-2)∪(0,2)解析令φ(x )=f (x )x,∵当x >0时,f (x )x ′=x ·f ′(x )-f (x )x 2<0,∴φ(x )=f (x )x 在(0,+∞)上为减函数,又f (2)=0,即φ(2)=0,∴在(0,+∞)上,当且仅当0<x <2时,φ(x )>0,此时x 2f (x )>0.又f(x)为奇函数,∴h(x)=x2f(x)也为奇函数,由数形结合知x∈(-∞,-2)时,f(x)>0.故x2f(x)>0的解集为(-∞,-2)∪(0,2).10.已知函数f(x)=ln x+ke x(k为常数),曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与x轴平行.(1)求实数k的值;(2)求函数f(x)的单调区间.解(1)f′(x)=1x-ln x-ke x(x>0).又由题意知f′(1)=1-ke=0,所以k=1.(2)由(1)知,f′(x)=1x-ln x-1e x(x>0).设h(x)=1x-ln x-1(x>0),则h′(x)=-1x2-1x<0,所以h(x)在(0,+∞)上单调递减.由h(1)=0知,当0<x<1时,h(x)>0,所以f′(x)>0;当x>1时,h(x)<0,所以f′(x)<0.综上f(x)的单调增区间是(0,1),减区间为(1,+∞).11.讨论函数g(x)=(x-a-1)e x-(x-a)2的单调性.解g(x)的定义域为R,g′(x)=(x-a)e x-2(x-a)=(x-a)(e x-2),令g′(x)=0,得x=a或x=ln2,①当a>ln2时,x∈(-∞,ln2)∪(a,+∞)时,f′(x)>0,x∈(ln2,a)时,f′(x)<0;②当a=ln2时,f′(x)≥0恒成立,∴f(x)在R上单调递增;③当a<ln2时,x∈(-∞,a)∪(ln2,+∞)时,f′(x)>0,x∈(a,ln2)时,f′(x)<0,综上,当a>ln2时,f(x)在(-∞,ln2),(a,+∞)上单调递增,在(ln2,a)上单调递减;当a=ln2时,f(x)在R上单调递增;当a<ln2时,f(x)在(-∞,a),(ln2,+∞)上单调递增,在(a,ln2)上单调递减.12.已知a=ln33,b=e-1,c=3ln28,则a,b,c的大小关系为()A.b>c>aB.a>c>bC.a>b>cD.b>a>c答案D解析依题意,得a=ln33=ln33,b=e-1=ln ee,c=3ln28=ln88.令f(x)=ln xx(x>0),则f′(x)=1-ln xx2,易知函数f(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减.所以f(x)max=f(e)=1e=b,且f(3)>f(8),即a>c,所以b>a>c.13.(2021·成都诊断)已知函数f(x)是定义在R上的偶函数,其导函数为f′(x).若x>0时,f′(x)<2x,则不等式f(2x)-f(x-1)>3x2+2x-1的解集是________.答案1解析令g(x)=f(x)-x2,则g(x)是R上的偶函数.当x>0时,g′(x)=f′(x)-2x<0,则g(x)在(0,+∞)上递减,于是在(-∞,0)上递增.由f(2x)-f(x-1)>3x2+2x-1得f(2x)-(2x)2>f(x-1)-(x-1)2,即g (2x )>g (x -1),于是g (|2x |)>g (|x -1|),则|2x |<|x -1|,解得-1<x <13.14.(2021·全国乙卷)已知函数f (x )=x 3-x 2+ax +1.(1)讨论f (x )的单调性;(2)求曲线y =f (x )过坐标原点的切线与曲线y =f (x )的公共点的坐标.解(1)由题意知f (x )的定义域为R ,f ′(x )=3x 2-2x +a ,对于f ′(x )=0,Δ=(-2)2-4×3a =4(1-3a ).①当a ≥13时,Δ≤0,f ′(x )≥0在R 上恒成立,所以f (x )在R 上单调递增;②当a <13时,令f ′(x )=0,即3x 2-2x +a =0,解得x 1=1-1-3a 3,x 2=1+1-3a 3,令f ′(x )>0,则x <x 1或x >x 2;令f ′(x )<0,则x 1<x <x 2.所以f (x )在(-∞,x 1)上单调递增,在(x 1,x 2)上单调递减,在(x 2,+∞)上单调递增.综上,当a ≥13时,f (x )在R 上单调递增;当a <13时,f (x )∞(1+1-3a 3,+∞)上单调递增,在.(2)记曲线y =f (x )过坐标原点的切线为l ,切点为P (x 0,x 30-x 20+ax 0+1).因为f ′(x 0)=3x 20-2x 0+a ,所以切线l 的方程为y -(x 30-x 20+ax 0+1)=(3x 20-2x 0+a )(x -x 0).由l 过坐标原点,得2x 30-x 20-1=0,解得x 0=1,所以切线l 的方程为y =(1+a )x .=(1+a )x ,=x 3-x 2+ax +1,=1,=1+a=-1,=-1-a .所以曲线y=f(x)过坐标原点的切线与曲线y=f(x)的公共点的坐标为(1,1+a)和(-1,-1-a).。