第4讲 导数的热点问题
(2014·课标全国Ⅰ)设函数f (x )=a e x
ln x +b e x -1
x
,曲线y =f (x )在点(1,f (1))处的切线方
程为y =e(x -1)+2. (1)求a ,b ; (2)证明:f (x )>1.
利用导数探求函数的极值、最值是函数的基本问题,高考中常与函数零点、方程根及不等式相结合,难度较大.
热点一 利用导数证明不等式
用导数证明不等式是导数的应用之一,可以间接考查用导数判定函数的单调性或求函数的最值,以及构造函数解题的能力. 例1 已知函数f (x )=-ln x +x -3. (1)求函数f (x )的单调区间;
(2)证明:在(1,+∞)上,f (x )+2>0;
(3)求证:ln 22×ln 33×ln 44×…×ln n n <1n (n ≥2,n ∈N *
).
思维升华 用导数证明不等式的方法
(1)利用单调性:若f (x )在[a ,b ]上是增函数,则①?x ∈[a ,b ],则f (a )≤f (x )≤f (b ),②对?x 1,x 2∈[a ,b ],且x 1 (2)利用最值:若f (x )在某个范围D 内有最大值M (或最小值m ),则对?x ∈D ,则f (x )≤M (或 f (x )≥m ). (3)证明f (x ) 跟踪演练1 已知函数f (x )=a ln x +bx (a ,b ∈R )在点(1,f (1))处的切线方程为x -2y -2=0. (1)求a ,b 的值; (2)当x >1时,f (x )+k x <0恒成立,求实数k 的取值范围. 热点二 利用导数讨论方程根的个数 方程的根、函数的零点、函数图象与x 轴的交点的横坐标是三个等价的概念,解决这类问题可以通过函数的单调性、极值与最值,画出函数图象的走势,通过数形结合思想直观求解. 例2 设函数f (x )=x e 2x +c ,e =2.718 28…是自然对数的底数,c ∈R . (1)求f (x )的单调区间、最大值. (2)讨论关于x的方程|ln x|=f(x)根的个数. 思维升华(1)函数y=f(x)-k的零点问题,可转化为函数y=f(x)和直线y=k的交点问题.(2)研究函数y=f(x)的值域,不仅要看最值,而且要观察随x值的变化y值的变化趋势. 跟踪演练2 已知函数f(x)=ln x-ax(a∈R).若函数f(x)无零点,求实数a的取值范围. 热点三利用导数解决生活中的优化问题 生活中的实际问题受某些主要变量的制约,解决生活中的优化问题就是把制约问题的主要变量找出来,建立目标问题即关于这个变量的函数,然后通过研究这个函数的性质,从而找到变量在什么情况下可以达到目标最优. 例3 某村庄拟修建一个无盖的圆柱形蓄水池(不计厚度).设该蓄水池的底面半径为r米,高为h米,体积为V立方米.假设建造成本仅与表面积有关,侧面的建造成本为100元/平方米,底面的建造成本为160元/平方米,该蓄水池的总建造成本为12 000π元(π为圆周率). (1)将V表示成r的函数V(r),并求该函数的定义域; (2)讨论函数V(r)的单调性,并确定r和h为何值时该蓄水池的体积最大. 思维升华 利用导数解决生活中的优化问题的一般步骤 (1)建模:分析实际问题中各量之间的关系,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式y =f (x ). (2)求导:求函数的导数f ′(x ),解方程f ′(x )=0. (3)求最值:比较函数在区间端点和使f ′(x )=0的点的函数值的大小,最大(小)者为最大(小)值. (4)作答:回归实际问题作答. 跟踪演练3 将边长为1 m 的正三角形薄铁皮沿一条平行于某边的直线剪成两块,其中一块是梯形,记s = 梯形的周长 2 梯形的面积 ,则s 的最小值是________. 已知f (x )=ax -ln x ,x ∈(0,e],g (x )=ln x x ,其中e 是自然常数,a ∈R . (1)讨论a =1时,函数f (x )的单调性和极值; (2)求证:在(1)的条件下,f (x )>g (x )+12 ; (3)是否存在正实数a ,使f (x )的最小值是3?若存在,求出a 的值;若不存在,请说明理由. 提醒:完成作业 专题二 第4讲 二轮专题强化练 专题二 第4讲 导数的热点问题 A 组 专题通关 1.已知a >0,函数f (x )=x 3 -ax 在[1,+∞)上是单调增函数,则a 的最大值是( ) A .0 B .1 C .2 D .3 2.已知R 上可导函数f (x )的图象如图所示,则不等式(x 2 -2x -3)·f ′(x )>0的解集为( ) A .(-∞,-2)∪(1,+∞) B .(-∞,-2)∪(1,2) C .(-∞,-1)∪(-1,0)∪(2,+∞) D .(-∞,-1)∪(-1,1)∪(3,+∞) 3.若不等式2x ln x ≥-x 2 +ax -3恒成立,则实数a 的取值范围为( ) A .(-∞,0) B .(-∞,4] C .(0,+∞) D .[4,+∞) 4.设函数f (x )=x 3 -4x +a (0-1 B .x 2<0 C .0 D .x 3>2 5.(2015·福建)“对任意x ∈? ????0,π2,k sin x cos x <x ”是“k <1”的( ) A .充分而不必要条件 B .必要而不充分条件 C .充分必要条件 D .既不充分也不必要条件 6.关于x 的方程x 3 -3x 2 -a =0有三个不同的实数解,则实数a 的取值范围是__________. 7.已知函数f (x )=-12x 2 +4x -3ln x 在[t ,t +1]上不单调,则t 的取值范围是____________. 8.已知函数f (x )=13x 3-x 2-3x +4 3,直线l :9x +2y +c =0,若当x ∈[-2,2]时,函数y = f (x )的图象恒在直线l 下方,则c 的取值范围是________. 9.已知函数f (x )=2ln x -x 2 +ax (a ∈R ). (1)当a =2时,求f (x )的图象在x =1处的切线方程; (2)若函数g (x )=f (x )-ax +m 在[1 e ,e]上有两个零点,求实数m 的取值范围. B 组 能力提高 10.对于R 上可导的任意函数f (x ),若满足1-x f ′ x ≤0,则必有( ) A .f (0)+f (2)>2f (1) B .f (0)+f (2)≤2f (1) C .f (0)+f (2)<2f (1) D .f (0)+f (2)≥2f (1) 11.已知f (x )=x e x ,g (x )=-(x +1)2 +a ,若?x 1,x 2∈R ,使得f (x 2)≤g (x 1)成立,则实数 a 的取值范围是______________. 12.已知函数f (x )=a ln(x +1)-x 2 在区间(0,1)内任取两个实数p ,q ,且p ≠q ,不等式 f p +1 -f q +1 p -q >1恒成立,则实数a 的取值范围为________. 13.(2015·课标全国Ⅰ)已知函数f (x )=x 3 +ax +14,g (x )=-ln x . (1)当a 为何值时,x 轴为曲线y =f (x )的切线; (2)用min{m ,n }表示m ,n 中的最小值,设函数h (x )=min{f (x ),g (x )}(x >0),讨论h (x )零点的个数. 学生用书答案精析 第4讲 导数的热点问题 高考真题体验 (1)解 函数f (x )的定义域为(0,+∞), f ′(x )=a e x ln x +a x e x -b x 2e x -1+b x ·e x -1. 由题意可得f (1)=2,f ′(1)=e.故a =1,b =2. (2)证明 由(1)知,f (x )=e x ln x +2x e x -1, 从而f (x )>1等价于x ln x >x e -x -2e . 设函数g (x )=x ln x ,则g ′(x )=1+ln x . 所以当x ∈(0,1 e )时,g ′(x )<0; 当x ∈(1 e ,+∞)时,g ′(x )>0. 故g (x )在(0,1 e )上单调递减, 在(1 e ,+∞)上单调递增, 从而g (x )在(0,+∞)上的最小值为g (1e )=-1 e . 设函数h (x )=x e -x -2e , 则h ′(x )=e -x (1-x ). 所以当x ∈(0,1)时,h ′(x )>0; 当x ∈(1,+∞)时,h ′(x )<0. 故h (x )在(0,1)上单调递增, 在(1,+∞)上单调递减, 从而h (x )在(0,+∞)上的最大值为h (1)=-1 e . 综上,当x >0时,g (x )>h (x ),即f (x )>1. 热点分类突破 例1 (1)解 f ′(x )= x -1 x (x >0) 解f ′(x )>0得x ∈(1,+∞);解f ′(x )<0得x ∈(0,1). f (x )的单调增区间为(1,+∞),单调减区间为(0,1). (2)证明 f (x )=-ln x +x -3, 所以f (1)=-2, 由(1)知f (x )=-ln x +x -3在(1,+∞)上单调递增, 所以当x ∈(1,+∞)时,f (x )>f (1). 即f (x )>-2,所以f (x )+2>0. (3)证明 由(1)可知, 当x ∈(1,+∞)时,f (x )>f (1),即-ln x +x -1>0, ∴0 ,则有0 . ∴ ln 22·ln 33·ln 44·…·ln n n <12·23·34·…·n -1n =1n (n ≥2,n ∈N * ). 跟踪演练1 解 (1)∵f (x )=a ln x +bx ,∴f ′(x )=a x +b . ∵直线x -2y -2=0的斜率为12,且过点(1,-12), ∴????? f 1 =-1 2,f ′ 1 =1 2 ,即????? b =-12,a +b =1 2 ,解得a =1,b =-1 2 . (2)由(1)得f (x )=ln x -x 2 . 当x >1时,f (x )+k x <0恒成立,即ln x -x 2+k x <0,等价于k 2 -x ln x . 令g (x )=x 2 2 -x ln x , 则g ′(x )=x -(ln x +1)=x -1-ln x . 令h (x )=x -1-ln x ,则h ′(x )=1-1x =x -1 x . 当x >1时,h ′(x )>0,函数h (x )在(1,+∞)上单调递增,故h (x )>h (1)=0. 从而,当x >1时,g ′(x )>0, 即函数g (x )在(1,+∞)上单调递增, 故g (x )>g (1)=12. 因此,当x >1时,k 2-x ln x 恒成立,则k ≤1 2. ∴所求k 的取值范围是(-∞,1 2 ]. 例2 解 (1)f ′(x )=e 2x -2x e 2x e 2x 2=1-2x e 2x , 由f ′(x )>0得x <1 2,由f ′(x )<0 得x >12 . 所以f (x )的单调递增区间为? ????-∞,12,递减区间为? ?? ??12,+∞. 所以f (x )max =f ? ????12=1 2e +c . (2)由已知|ln x |=f (x )得|ln x |-x e 2x =c , x ∈(0,+∞), 令g (x )=|ln x |-x e 2x ,y =c . ①当x ∈(1,+∞)时,ln x >0, 则g (x )=ln x -x e 2x . 所以g ′(x )=1x +2x -1 e 2x >0. 所以g (x )在(1,+∞)上单调递增. ②当x ∈(0,1)时,ln x <0,则g (x ) =-ln x - x e 2x . 所以g ′(x )=-1x -1-2x e 2x =1e 2x ???? ??-e 2x x + 2x -1 . 因为e 2x ∈(1,e 2 ),e 2x >1>x >0,所以-e 2x x <-1,而2x -1<1.所以g ′(x )<0,即g (x )在(0,1) 上单调递减. 由①②可知,当x ∈(0,+∞)时,g (x )≥g (1)=-1 e 2. 由数形结合知,当c <-1 e 2时, 方程|ln x |=f (x )根的个数为0; 当c =-1 e 2时,方程|ln x |= f (x )根的个数为1; 当c >-1 e 2时,方程|ln x |= f (x )根的个数为2. 跟踪演练2 解 函数f (x )无零点?方程ln x =ax , 即 ln x x =a 在(0,+∞)上无实数解. 令g (x )=ln x x ,则g ′(x )=1-ln x x 2 , 由g ′(x )=0,得x =e. 在区间(0,e)上,g ′(x )>0,函数g (x )单调递增;在区间(e ,+∞)上,g ′(x )<0,函数g (x )单调递减,故在区间(0,+∞)上g (x )的极大值为g (e)=1e , 注意到当x ∈(0,1)时,g (x )∈(-∞,0); 当x =1时,g (1)=0; 当x ∈(1,+∞)时,g (x )∈(0,1 e ], 故方程ln x x =a 无实数解?a >1e , 即所求实数a 的取值范围为(1 e ,+∞). 例3 解 (1)因为蓄水池侧面的总成本为100·2πrh =200πrh 元,底面的总成本为160πr 2 元. 所以蓄水池的总成本为(200πrh +160πr 2 )元. 又根据题意得200πrh +160πr 2 =12 000π, 所以h =15r (300-4r 2 ), 从而V (r )=πr 2h =π5(300r -4r 3 ). 因为r >0,又由h >0可得r <53, 故函数V (r )的定义域为(0,53). (2)因为V (r )=π5(300r -4r 3 ), 故V ′(r )=π5 (300-12r 2 ), 令V ′(r )=0,解得r 1=5,r 2=-5(因为r 2=-5不在定义域内,舍去). 当r ∈(0,5)时,V ′(r )>0,故V (r )在(0,5)上为增函数; 当r ∈(5,53)时,V ′(r )<0, 故V (r )在(5,53)上为减函数. 由此可知,V (r )在r =5处取得最大值,此时h =8. 即当r =5,h =8时,该蓄水池的体积最大. 跟踪演练3 323 3 解析 设剪成的两块中是正三角形的那一块边长为x m ,则梯形的周长为x +(1-x )+(1-x )+1=3-x ,梯形的面积为34-34 x 2 , ∴s = 3-x 2 34 1-x 2 =433·x 2 -6x +91-x 2 (0 -10x +3 1-x 2 2 . 令s ′=0,得x =1 3或x =3(舍去). 当x ∈(0,1 3)时,s ′<0, 当x ∈(1 3,1)时,s ′>0. ∴s min =s (13)=323 3. 高考押题精练 (1)解 ∵f (x )=x -ln x ,f ′(x )=1-1x =x -1 x , ∴当0 (2)证明 ∵f (x )的极小值为1,∴f (x )在(0,e]上的最小值为1,即[f (x )]min =1. 又g ′(x )=1-ln x x 2 , ∴当0 ∴[f (x )]min -[g (x )]max >1 2, ∴在(1)的条件下,f (x )>g (x )+1 2 . (3)解 假设存在正实数a ,使f (x )=ax -ln x (x ∈(0,e])有最小值3, 则f ′(x )=a -1x =ax -1 x . ①当0<1a a )上单调递减, 在(1 a ,e]上单调递增, [f (x )]min =f (1a )=1+ln a =3,a =e 2 ,满足条件; ②当1 a ≥e 时,f (x )在(0,e]上单调递减, [f (x )]min =f (e)=a e -1=3, a =4e (舍去),所以,此时f (x )无最小值. 综上,存在实数a =e 2 ,使得当x ∈(0,e]时 f (x )有最小值3. 二轮专题强化练答案精析 第4讲 导数的热点问题 1.D [函数的导数f ′(x )=3x 2 -a ,要使函数在[1,+∞)上是单调增函数,则有f ′(x )=3x 2 -a ≥0在[1,+∞)上恒成立,即a ≤3x 2 ,又3x 2 ≥3,所以a ≤3,即a 的最大值是3,故选D.] 2.D [由题图可知, ????? f ′ x >0,x ∈ 1,+∞ ∪ -∞,-1 ,f ′ x <0,x ∈ -1,1 , 不等式(x 2 -2x -3)f ′(x )>0等价于? ???? f ′ x >0, x 2 -2x -3>0或? ???? f ′ x <0, x 2 -2x -3<0,解得x ∈(-∞, -1)∪(3,+∞)或x ∈(-1,1).] 3.B [条件可转化为a ≤2ln x +x +3 x 恒成立. 设f (x )=2ln x +x +3 x , 则f ′(x )= x +3 x -1 x 2 (x >0). 当x ∈(0,1)时,f ′(x )<0,函数f (x )单调递减; 当x ∈(1,+∞)时,f ′(x )>0,函数f (x )单调递增, 所以f (x )min =f (1)=4. 所以a ≤4.] 4.C [求导得f ′(x )=3x 2 -4, 令f ′(x )=3x 2 -4=0,得x =±233 . 当x 变化时,f ′(x )和f (x )的变化情况如下表: x (-∞,-233) -23 3 (-233,23 3 ) 23 3 (23 3,+∞) f ′(x ) + 0 - 0 + f (x ) 极大值 极小值 又f (-1)=3+a >0,f (0)=a >0,f (1)=a -3<0,f (2)=a >0,由以上信息得f (x )的大致图象如图所示,可知0 ] 5.B [?x ∈? ????0,π2,k sin x cos x <x ??x ∈? ????0,π2,k <2x sin 2x ,令f (x )=2x -sin 2x .∴f ′(x )=2-2cos 2x >0,∴f (x )在? ????0,π2为增函数,∴f (x )>f (0)=0. ∴2x >sin 2x ,∴2x sin 2x >1,∴k ≤1,故选B.] 6.(-4,0) 解析 由题意知使函数f (x )=x 3 -3x 2 -a 的极大值大于0且极小值小于0即可, 又f ′(x )=3x 2 -6x =3x (x -2),令f ′(x )=0,得x 1=0,x 2=2,当x <0时,f ′(x )>0;当0 f ′(x )>0,所以当x =0时,f (x )取得极大值,即f (x )极大值=f (0)=-a ;当x =2时,f (x ) 取得极小值,即f (x )极小值=f (2) =-4-a ,所以? ?? ?? -a >0, -4-a <0,解得-4 7.0 解析 f ′(x )=-x +4-3x =-x 2 +4x -3x =- x -1 x -3 x , 由f ′(x )=0得函数的两个极值点1,3,则只要这两个极值点在区间(t ,t +1)内,函数在区间[t ,t +1]上就不单调,由t <1 解析 根据题意知13x 3-x 2 -3x +43<-92x -c 2 在x ∈[-2,2]上恒成立, 则-c 2>13x 3-x 2+32x +4 3 , 设g (x )=13x 3-x 2 +32x +43, 则g ′(x )=x 2 -2x +32 , 则g ′(x )>0恒成立,所以g (x )在[-2,2]上单调递增, 所以g (x )max =g (2)=3,则c <-6. 9.解 (1)当a =2时,f (x )=2ln x -x 2 +2x ,f ′(x )=2x -2x +2,切点坐标为(1,1), 切线的斜率k =f ′(1)=2,则切线方程为y -1=2(x -1),即y =2x -1. (2)g (x )=2ln x -x 2 +m , 则g ′(x )=2x -2x =-2 x +1 x -1 x . ∵x ∈[1 e ,e], ∴当g ′(x )=0时,x =1. 当1 e 故g (x )在x =1处取得极大值g (1)=m -1. 又g (1e )=m -2-1e 2,g (e)=m +2-e 2 , g (e)-g (1e )=4-e 2+1e 2<0,则g (e)< g (1e ). ∴g (x )在[1 e ,e]上的最小值是g (e). g (x )在[1 e ,e]上有两个零点的条件是 ????? g 1 =m -1>0,g 1e =m -2-1e 2≤0,解得1 e 2, ∴实数m 的取值范围是(1,2+1 e 2]. 10.A [由条件知,当x <1时,f ′(x )<0;当x >1时,f ′(x )>0,所以当x =1时,f (x )取得最小值,所以有f (0)>f (1),f (2)>f (1),故有f (0)+f (2)>2f (1).] 11.[-1 e ,+∞) 解析 f ′(x )=e x +x e x =e x (1+x ), 当x >-1时,f ′(x )>0,函数f (x )单调递增; 当x <-1时,f ′(x )<0,函数f (x )单调递减. 所以函数f (x )的最小值为f (-1)=-1 e . 而函数g (x )的最大值为a ,则由题意, 可得-1e ≤a 即a ≥-1e . 12.[15,+∞) 解析 f p +1 -f q +1 p -q =f p +1 -f q +1 p +1 - q +1 ,表示点(p +1,f (p +1))与点(q +1, f (q +1))连线的斜率,因为p ,q ∈(0,1),所以1 内任意两点连线的斜率大于1,即f ′(x )>1在(1,2)内恒成立.由定义域可知x >-1,所以 f ′(x )=a x +1-2x >1,即a x +1 >1+2x ,所以a >(1+2x )(x +1)成立.设y =(1+2x )·(x +1), 则y =2x 2 +3x +1=2(x +34)2-18,当1≤x ≤2时,函数y =2(x +34)2-18 的最大值为15,所以 a ≥15,即a 的取值范围为[15,+∞). 13.解 (1)设曲线y =f (x )与x 轴相切于点(x 0,0), 则f (x 0)=0,f ′(x 0)=0. 即??? ?? x 30+ax 0+14=0, 3x 20+a =0, 解得x 0=12,a =-34 . 因此,当a =-3 4 时,x 轴为曲线y =f (x )的切线. (2)当x ∈(1,+∞)时,g (x )=-ln x <0,从而h (x )=min{f (x ),g (x )}≤g (x )<0,故h (x )在(1,+∞)无零点. 当x =1时,若a ≥-54,则f (1)=a +5 4 ≥0,h (1)=min{f (1),g (1)}=g (1)=0,故x =1是 h (x )的零点;若a <-5 4 ,则f (1)<0,h (1)=min{f (1),g (1)}=f (1)<0,故x =1不是h (x )的 零点. 当x ∈(0,1)时,g (x )=-ln x >0.所以只需考虑f (x )在(0,1)的零点个数. (ⅰ)若a ≤-3或a ≥0,则f ′(x )=3x 2 +a 在(0,1)无零点,故f (x )在(0,1)单调.而f (0)=14,f (1)=a +5 4,所以当a ≤-3时,f (x )在(0,1)有一个零点;当a ≥0时,f (x )在(0,1)没有零点. (ⅱ)若-3 ????0, -a 3单调递减, 在? ? ? ?? -a 3,1单调递增, 故在(0,1)中,当x = -a 3时,f (x )取得最小值,最小值为f ? ? ??? -a 3=2a 3 -a 3+14 . ①若f ? ?? ?? -a 3>0,即-34 f (x )在(0,1)无零点; ②若f ? ?? ?? -a 3=0,即a =-34, 则f (x )在(0,1)有唯一零点; ③若f ? ?? ?? -a 3<0,即-3 -34,由于f (0)=14,f (1)=a +54,所以当-54 4时,f (x )在(0,1)有两个零点;当-3 4 时,f (x )在(0,1)有一个零点. 综上,当a >-34或a <-54时,h (x )有一个零点;当a =-34或a =-5 4 时, h (x )有两个零点;当-5