李昭平
函數(shù)、導數(shù)、不等式三者之間有著緊密的聯(lián)系.導數(shù)是研究函數(shù)性質的有力工具, 尤其是處理高次函數(shù)、分式函數(shù)、根式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)以及它們的復合型函數(shù)問題時,更能體現(xiàn)其應用價值、思維價值和工具價值.不等式貫穿于函數(shù)的單調性、極值、最值等問題之中,同時導數(shù)又為一些用傳統(tǒng)方法難以處理的不等式問題提供了求解的新思路和新途徑.可以說,導數(shù)的引入,拓寬了高考對函數(shù)與不等式問題的命題空間,以致在近年來的高考中,函數(shù)、導數(shù)、不等式的交匯成為考查的重點、難點和創(chuàng)新點.
考點1. 函數(shù)基本知識及其聯(lián)系問題
例1. 已知某質點在運動過程中,熱量Q隨位移x變化的規(guī)律是Q(x)=ax3+bx2+cx+d,其圖像關于坐標原點對稱,如圖1是其圖像的一部分,求Q(x)的解析式.
[解析]∵Q(x)的圖像關于坐標原點對稱,∴Q(-x)=-Q(x),
即-ax3+bx2-cx+d-ax3-bx2-cx-d,∴b=d=0.
因此Q(x)=ax3+cx,Q′(x)=3ax2+c.
由圖像可知,當x=時,
Q(x)有極小值-1,所以 Q′()=a+c=0,Q()=a+=-1,解得a=4,c=-3,Q(x)=4x3-3x.
[點評]函數(shù)基本知識主要包括函數(shù)的奇偶性、單調性、周期性、對稱性、圖像、極值、最值等.本題以物理知識為背景,給出質點的運動軌跡(即原函數(shù)的圖像),融函數(shù)的奇偶性、導數(shù)、極值的考查于一體,從原函數(shù)圖像上發(fā)現(xiàn)其極值點而得到Q′()=0是解題的關鍵.
考點2. 函數(shù)圖像的切線及其聯(lián)系問題
例2. 反比例函數(shù)f(x)(x>0)和二次函數(shù)g(x)的圖像如圖2所示, 在它們交點P處的反比例曲線的切線的傾斜角為120°,求f(x)+g(x)的最小值.
[解析]由題意可設f(x)=,
g(x)=ax2. 則 f′(x)=-.由導數(shù)的幾何意義可知:-=tan120°,所以k= .
因此 f(x)= ,P(1,).
將P(1,)代入 g(x)=ax2中,得a=.
故h(x)=f(x)+g(x)=+x2,x≠0. h′(x)=-+2x=0,x=.
當x>時,h′(x)>0;0 [點評]本題考查函數(shù)的圖像、函數(shù)的解析式和圖像的切線,利用導數(shù)的幾何意義(f′(1)=tan120°)確定待定系數(shù)k是解題的關鍵.函數(shù)f(x)在x0處的導數(shù)f′(x0)的幾何意義就是曲線y=f(x)在點(x0,f(x0))處的切線斜率,以此點為切點的切線方程是y-f(x0)=f′(x0)(x-x0). 考點3. 函數(shù)與數(shù)列的交匯問題 例3. 已知函數(shù)f(x)=2x-2-x,數(shù)列{an}滿足f(log2an)=-2n. (1)求an=g(n)的導函數(shù)g′(n); (2)判斷數(shù)列{an}的單調性. [解析](1)由已知,有an-=-2n,即a 2 n+2nan-1=0, 解得an=-n±. 而an>0,所以an=-n. 于是g′(n)=-1. (2)因為=<1(n∈N),所以 g′(n)= -1<0(n∈N), 故數(shù)列{an}是單減數(shù)列. [點評]本題考查了復合函數(shù)、數(shù)列以及函數(shù)單調的導數(shù)式條件.數(shù)列是特殊的函數(shù),將an=g(n)視為n的函數(shù),利用函數(shù)導數(shù)的符號判斷數(shù)列{an}的單調性. 考點4. 函數(shù)圖像的公切線問題 例4. 設函數(shù) f(x)=ex的反函數(shù)為g(x),點P(x1,y1),Q(x2,y2)分別為函數(shù)f(x)的圖像C1和g(x)的圖像C2上的兩個動點, 過P、Q的直線為l,當l為曲線C1、C2的公切線時,求x1,x2滿足的關系以及x1的取值范圍. [解析]f(x)=ex,f′(x)=ex;g(x)=lnx,g′(x)=. 過P(x1,),Q(x2,lnx2)的公切線l的方程有兩種表達式:y-=(x-x1)和y-lnx2=(x-x2),即y=x+(1-x1)和y=x+lnx2-1,因此 =,=(1-x1)=lnx2-1,解得x2=,=. 由=>0x1<-1或x1>1,當x1>1時,>e>e1 故x1,x2滿足的關系是的取值范圍是x2=;x1的取值范圍是(,-1)∪(1,). [點評]本題是超越型函數(shù)圖像的公切線問題,用傳統(tǒng)方法難以求解. 這里根據(jù)導數(shù)的幾何意義得到公切線l的兩種表達式,從而構建方程,獲得x1,x2的關系, 進一步求出x1的取值范圍.一般地,如果直線l切曲線y=f(x)和y=g(x)分別于點P(x1,y1),Q(x2,y2),則l有兩種表示方法:y-f(x1)=f′(x1)(x-x1)和y-g(x2)=g′(x2)(x-x2), 即它們表示同一條直線,我們常常以此構建方程組f′(x1)=g′(x2),f(x1)-x1f′(x1)=g(x2)-x2g′(x2)來解決公切線問題. 考點5. 超越型不等式的證明問題 例5. 設f(x)=x-sinx,若x∈[0,],∈(0,),試證明 ≥f(). [解析]- f()=-+sin=-sin-sinx+sin. 令g(x)=-sin- sinx+sin,則g′(x)=-cosx+cos=(cos-cosx). ∵x∈[0,],∈(0,),∴∈(0,),而cosx在[0,]內單調遞減, 所以由g′(x)=(cos-cosx)=0,得x=. 當
g′(x)<0,g(x)單調遞減. 因此g()是g(x)在[0,]上的最小值.
于是g(x)≥g()=0,-f()≥0,
即當x∈[0,],∈(0,)時, ≥f()成立.
[點評]本題中的超越型不等式用傳統(tǒng)方法難以證明,導數(shù)為這類問題的研究和解決提供了新思路. 由于導數(shù)在這類問題中的應用往往是隱性的,需要我們去創(chuàng)造條件、去構造模式(主要是構造新函數(shù),此題中就是函數(shù)g(x)),這就常常導致我們只重視用傳統(tǒng)方法思考,而忽視導數(shù)的應用. 不等式的證明除常見的比較法、分析法、綜合法、反證法外,構造函數(shù)、利用導數(shù)知識處理是一種非常重要的方法.在涉及指數(shù)、對數(shù)、分式、三角等復雜的不等式證明問題中,有著其他方法不可比擬的優(yōu)越性,因此要重點關注.
類型6. 含參數(shù)的恒成立不等式問題
例6. 已知函數(shù)f(x)=x3-x2+(a+1)x+1,其中a為實數(shù). 若不等式f′(x)>x2-x-a+1對任意a∈(0,+∞)都恒成立,求實數(shù)x的取值范圍.
[解析]因為f′(x)=ax2-3x+(a+1),所以f′(x)>x2-x-a+1就是ax2-3x+(a+1)>x2-x-a+1,即(x2+2)a-2x-x2>0.
令g(a)=(x2+2)a-2x-x2,則g′(a)=x2+2>0,g(a)在a∈(0,+∞)上單增,(x2+2)a-2x-x2>0在a∈(0,+∞)恒成立g(0)≥0, 所以-2x-x2≥0,解得-2x≤x≤0,即為實數(shù)x的取值范圍.
[點評]本題涉及整式函數(shù)型恒成立不等式, 主要考查多項式函數(shù)的求導法則、導數(shù)與函數(shù)單調性的關系. 一要注意三次函數(shù)的導函數(shù)則是二次函數(shù), 二次函數(shù)是我們熟悉的模型,這是導數(shù)的降次功能. 二要注意構造新函數(shù)g(a),活用導數(shù)知識求出g(a)的值域,順利實現(xiàn)解題目標.一般地,不等式f(x)
考點7. 函數(shù)式中待定字母的取值范圍問題
例7. 函數(shù)f(x)=x2eax,其中a∈R.
(1)當a=1時,求函數(shù)f(x)的單調區(qū)間;
(2)若函數(shù)f(x)在(-∞,-1]上遞增,求實數(shù)a的取值范圍.
[解析](1)f(x)=x2ex,f′(x)=2xex+x2ex=(x2+2x)ex. 由f′(x)>0,得x2+2x>0,x<-2或x>0;由f′(x)<0,得x2+2x <0,-2 (2)f(x)=x2eax,f′(x)=2xeax+ax2eax=(ax2+2x)eax. 若函數(shù)f(x)=在(-∞,-1]上遞增,則在(-∞,-1]上f′(x)=(ax2+2x)eax≥0,即ax2+2x≥0. 因為x∈(-∞,-1],所以x2>0,ax2+2x≥0變?yōu)閍≥-,a≥(-)max. -在x∈(-∞,-1]上是減函數(shù),最大值為-=2,故a≥2, 即為實數(shù)a的取值范圍. [點評]縱觀近年來的高考題不難發(fā)現(xiàn),“已知函數(shù)的單調性特征,反過來確定函數(shù)式中待定字母的取值范圍”試題在高考中頻頻出現(xiàn),而且試題的深度、廣度和難度也在不斷增大. 這種逆向設置的問題, 有一定的開發(fā)性,能有效考查學生對函數(shù)、導數(shù)、不等式思想方法的掌握程度、思維水平和綜合能力. 顯然, 這些試題用單調性的定義求解,將會十分復雜,甚至無法求解. 而運用導數(shù)符號與函數(shù)單調性的關系來處理則是一種有效途徑. 對于可導函數(shù)f(x)在區(qū)間D上單增(或單減)的充要條件是:在x∈D上恒有f′(x)≥0(或f′(x)≤0),且f′(x)在D的任意子區(qū)間上都不恒為零. 在高中階段, 主要出現(xiàn)的是有一個或多個(有限個)使f′(x)=0的點x的情況. 比如, 函數(shù)f(x)=x3在(-∞,+∞)上單增,f′(x)=3x2≥0在(-∞,+∞)上恒成立, 其中有一個x0=0,使f′(x0)=0成立. 注意f′(x)>0(或f′(x)<0)是f(x)為增(或減)函數(shù)的充分而非必要的條件, 避免當做充要條件使用. 這里不能由不等式ax2+2x>0求實數(shù)a的取值范圍. 考點8. 分類討論待定字母的取值范圍問題 例8. 求函數(shù)f(x)=xln(-x)+(a-1)x(a∈R)在區(qū)間[-e2,-e-1]上的最大值g(a). [解析]f′(x)=ln(-x)+ a. 由f′(x)=ln(-x)+ a=0 ,得x=-e-a. ①若-e-a<-e2,即a<-2,函數(shù)在[-e2,-e-1]上遞減,g(a)=f(-e2) =-(a+1)e2. ②若-e2≤-e-a<-e-1,即-2≤a<1時,g(a)=f(-e-a)=e-a. ③若-e-a≥-e-1,函數(shù)在[-e2,-e-1]上遞增,g(a)=f(-e-1)=. 故g(a)=-(a+1)e2, (a<-2)e-a, (-2≤a<1). (a≥1) [點評]本題中a為任意實數(shù),f′(x)的零點x=-e-a是否在所給的區(qū)間[-e2,-e-1]內,有a待于的取值,必須對零點x=-e-a與區(qū)間[-e2,-e-1]的位置關系進行分類討論. 一般地,分類討論有“三步曲”:一是選擇分類對像,即對什么東西進行分類(這里零點x=-e-a與區(qū)間[-e2,-e-1]的位置關系由a確定,因此選擇a為分類對像);二是確定分類標準,即怎樣分類(這里根據(jù)零點x=-e-a在區(qū)間[-e2,-e-1]的左邊、內部、右邊分成a<-2、-2≤a<1和a≥1三類);三是深化分類層次(就是在一級分類中再進行二級分類,即分類中分類,本題不涉及). 導數(shù)、不等式在函數(shù)的應用中, 常常涉及到待定的字母,函數(shù)的單調性、極值、最值以及圖像的形狀等等都與字母的取值有關, 此時要牢記對待定字母的分類討論, 切實把握分類討論的“三步曲”,否則極易出錯.
考點9. 函數(shù)的零點個數(shù)問題
例9. 試判斷函數(shù)f(x)=x2-8lnx-8的零點個數(shù).
[解析]函數(shù)f(x)的定義域是(0,+∞). 由f′(x)=2x-=0,得x=±2,取x=2.
當0
如圖3,當x逐漸靠近零時,f(x)越來越大;當x大于2,并逐漸大時,f(x)也越來越大.因此函數(shù)f(x)有兩個零點.
[點評]超越函數(shù)的零點個數(shù)用傳統(tǒng)方法處理往往不易,導數(shù)是很好的工具.解題的基本步驟是:求f′(x)=0的根x0;判斷在根x0的兩側f′(x)的符號;確定x0是極大值點,還是極小值點,或不是極值點;求最值;畫出f(x)的草圖,觀察即可.
考點10. 函數(shù)圖像的交點個數(shù)問題
例10. 已知f(x)=-x2+8x,g(x)=6lnx+m,是否存在實數(shù)m,使得函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點?若存在,請求出m的取值范圍; 若不存在,請說明理由.
[解析]函數(shù)的y=f(x)圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像的交點個數(shù)問題,就是方程f(x)=g(x)在(0,+∞)上實根的個數(shù)問題,進一步就是函數(shù)h(x)=g(x)-f(x) 的圖像與x軸交點的個數(shù)問題.
因為h(x)=6lnx+m+x2-8x,所以h′(x)=+2x-8=(x>0),
當0
變式1:如果“函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點”變?yōu)椤昂瘮?shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有兩個不同交點”,怎樣解答呢?
變式2:如果“函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點”變?yōu)椤昂瘮?shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有三個不同交點”,怎樣解答呢?
[點評]用導數(shù)探討函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像的交點個數(shù)問題,也是近年來高考考查的熱點內容之一. 解題的主要步驟是:①構造函數(shù)h(x)=g(x)-f(x);②求導h′(x)=g′(x)-f′(x);③研究函數(shù)h(x)的單調性和極值(必要時研究函數(shù)圖像端點的極限情況);④畫出函數(shù)h(x)的草圖,觀察與x軸的交點情況,列出相應的不等式(組);⑤解不等式(組)獲解.
以上對函數(shù)、導數(shù)、不等式在2014年高考中的考點作了十個方面的預測. 這些試題很好地體現(xiàn)了函數(shù)、導數(shù)與不等式的聯(lián)系,以及解函數(shù)、導數(shù)與不等式問題的核心思想方法,有一定的價值.高考題無非是知識與思想方法的重新排列組合,盡管我們無法猜到原題,但萬變不離其宗,熟練把握了這十種題型,可以在高考中以不變應萬變.
(作者單位:安徽省太湖中學)
責任編校 徐國堅
考點9. 函數(shù)的零點個數(shù)問題
例9. 試判斷函數(shù)f(x)=x2-8lnx-8的零點個數(shù).
[解析]函數(shù)f(x)的定義域是(0,+∞). 由f′(x)=2x-=0,得x=±2,取x=2.
當0
如圖3,當x逐漸靠近零時,f(x)越來越大;當x大于2,并逐漸大時,f(x)也越來越大.因此函數(shù)f(x)有兩個零點.
[點評]超越函數(shù)的零點個數(shù)用傳統(tǒng)方法處理往往不易,導數(shù)是很好的工具.解題的基本步驟是:求f′(x)=0的根x0;判斷在根x0的兩側f′(x)的符號;確定x0是極大值點,還是極小值點,或不是極值點;求最值;畫出f(x)的草圖,觀察即可.
考點10. 函數(shù)圖像的交點個數(shù)問題
例10. 已知f(x)=-x2+8x,g(x)=6lnx+m,是否存在實數(shù)m,使得函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點?若存在,請求出m的取值范圍; 若不存在,請說明理由.
[解析]函數(shù)的y=f(x)圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像的交點個數(shù)問題,就是方程f(x)=g(x)在(0,+∞)上實根的個數(shù)問題,進一步就是函數(shù)h(x)=g(x)-f(x) 的圖像與x軸交點的個數(shù)問題.
因為h(x)=6lnx+m+x2-8x,所以h′(x)=+2x-8=(x>0),
當0
變式1:如果“函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點”變?yōu)椤昂瘮?shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有兩個不同交點”,怎樣解答呢?
變式2:如果“函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點”變?yōu)椤昂瘮?shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有三個不同交點”,怎樣解答呢?
[點評]用導數(shù)探討函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像的交點個數(shù)問題,也是近年來高考考查的熱點內容之一. 解題的主要步驟是:①構造函數(shù)h(x)=g(x)-f(x);②求導h′(x)=g′(x)-f′(x);③研究函數(shù)h(x)的單調性和極值(必要時研究函數(shù)圖像端點的極限情況);④畫出函數(shù)h(x)的草圖,觀察與x軸的交點情況,列出相應的不等式(組);⑤解不等式(組)獲解.
以上對函數(shù)、導數(shù)、不等式在2014年高考中的考點作了十個方面的預測. 這些試題很好地體現(xiàn)了函數(shù)、導數(shù)與不等式的聯(lián)系,以及解函數(shù)、導數(shù)與不等式問題的核心思想方法,有一定的價值.高考題無非是知識與思想方法的重新排列組合,盡管我們無法猜到原題,但萬變不離其宗,熟練把握了這十種題型,可以在高考中以不變應萬變.
(作者單位:安徽省太湖中學)
責任編校 徐國堅
考點9. 函數(shù)的零點個數(shù)問題
例9. 試判斷函數(shù)f(x)=x2-8lnx-8的零點個數(shù).
[解析]函數(shù)f(x)的定義域是(0,+∞). 由f′(x)=2x-=0,得x=±2,取x=2.
當0
如圖3,當x逐漸靠近零時,f(x)越來越大;當x大于2,并逐漸大時,f(x)也越來越大.因此函數(shù)f(x)有兩個零點.
[點評]超越函數(shù)的零點個數(shù)用傳統(tǒng)方法處理往往不易,導數(shù)是很好的工具.解題的基本步驟是:求f′(x)=0的根x0;判斷在根x0的兩側f′(x)的符號;確定x0是極大值點,還是極小值點,或不是極值點;求最值;畫出f(x)的草圖,觀察即可.
考點10. 函數(shù)圖像的交點個數(shù)問題
例10. 已知f(x)=-x2+8x,g(x)=6lnx+m,是否存在實數(shù)m,使得函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點?若存在,請求出m的取值范圍; 若不存在,請說明理由.
[解析]函數(shù)的y=f(x)圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像的交點個數(shù)問題,就是方程f(x)=g(x)在(0,+∞)上實根的個數(shù)問題,進一步就是函數(shù)h(x)=g(x)-f(x) 的圖像與x軸交點的個數(shù)問題.
因為h(x)=6lnx+m+x2-8x,所以h′(x)=+2x-8=(x>0),
當0
變式1:如果“函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點”變?yōu)椤昂瘮?shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有兩個不同交點”,怎樣解答呢?
變式2:如果“函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有一個交點”變?yōu)椤昂瘮?shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像有且只有三個不同交點”,怎樣解答呢?
[點評]用導數(shù)探討函數(shù)y=f(x)的圖像與函數(shù)y=g(x)的圖像的交點個數(shù)問題,也是近年來高考考查的熱點內容之一. 解題的主要步驟是:①構造函數(shù)h(x)=g(x)-f(x);②求導h′(x)=g′(x)-f′(x);③研究函數(shù)h(x)的單調性和極值(必要時研究函數(shù)圖像端點的極限情況);④畫出函數(shù)h(x)的草圖,觀察與x軸的交點情況,列出相應的不等式(組);⑤解不等式(組)獲解.
以上對函數(shù)、導數(shù)、不等式在2014年高考中的考點作了十個方面的預測. 這些試題很好地體現(xiàn)了函數(shù)、導數(shù)與不等式的聯(lián)系,以及解函數(shù)、導數(shù)與不等式問題的核心思想方法,有一定的價值.高考題無非是知識與思想方法的重新排列組合,盡管我們無法猜到原題,但萬變不離其宗,熟練把握了這十種題型,可以在高考中以不變應萬變.
(作者單位:安徽省太湖中學)
責任編校 徐國堅