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“高視角”觀看一類導數(shù)問題

2011-12-29 00:00:00徐國君
數(shù)學教學通訊·高中版 2011年11期


  摘要:在解決一類導數(shù)題的過程中,如果用常規(guī)方法就會帶來煩瑣的討論,并且學生不易掌握.筆者大膽下放部分相關的高等數(shù)學知識,實踐證明學生比較容易掌握和操作. 本文主要講述利用羅比達法則、函數(shù)的極限、函數(shù)的圖象等高等數(shù)學中的基本知識來解決這一類導數(shù)難題.
  關鍵詞:導數(shù);羅比達法則;函數(shù)極限;圖象
  
  筆者在進行導數(shù)教學的時候,留意到近幾年高考很多導數(shù)的所謂的“難題”,如果能夠?qū)W會利用高等數(shù)學中的導數(shù)知識畫出函數(shù)的大致圖象,結合圖象來解題會獲得事半功倍的效果. 下面筆者就講講如何利用好導數(shù)這個工具畫出函數(shù)的大致圖象.
  首先,我們先來看看函數(shù)的大致圖象有哪些要點需要我們關注,也就是畫圖時哪些是需要我們大致弄清楚的. 筆者發(fā)現(xiàn),要畫出函數(shù)的大致圖象不外乎要關注以下幾點:
  一、得到函數(shù)的單調(diào)區(qū)間,極值點、極值
  實現(xiàn)這點并不難,只要能夠準確求導就可以了.
  二、得出函數(shù)與坐標軸的交點
  函數(shù)圖象與y軸的交點一般不難求出,但是與x軸的交點往往不能輕易求出,我們的原則是能求盡量求出.
  三、?搖求出函數(shù)在所給區(qū)間端點的函數(shù)值或函數(shù)值的變化趨勢
  在這個過程中,值得提出的是有些區(qū)間比如[a,b],函數(shù)在區(qū)間端點的函數(shù)值f(a),f(b)很容易求出,但是有時區(qū)間為開區(qū)間(a,b),此時函數(shù)值f(a),f(b)可能不存在,這時我們可以求出■f(x)和■f(x),再利用這些極限值來解決問題.當我們遇到的區(qū)間是(a,+∞),(-∞,a),(-∞,+∞)這些結構時,我們也需要求出■f(x)和■f(x),再利用這些極限值來解決問題. 當然,在求函數(shù)極限時,可能會遇到■,■的形式,這時我們就要利用羅必達法則來求出函數(shù)的極限.下面先講講羅必達法則:
  定理1:(羅必達法則I)假設函數(shù)f(x)和g(x)在x0的鄰域可微,且g′(x0)≠0,且■f(x)=0,■g(x)=0,■■=A,則■■=■■=A.
  定理2:(羅必達法則Ⅱ)假設函數(shù)f(xqxcB2eqlrozlr88eRcZSzGWFHQ0dKdDiPSzVrQk5ATU=)和g(x)在x0的鄰域可微,且g′(x0)≠0,且■f(x)=∞,■g(x)=∞,■■=A,則■■=■■=A.
  以上兩個定理的證明方法,讀者可以參考高校數(shù)學分析教材,在此筆者不再累述.下面筆者結合近幾年高考題講講如何利用上述方法做出函數(shù)的大致圖象解決導數(shù)綜合問題.
  例1(2005全國卷Ⅱ)已知a≥0,函數(shù)f(x)=(x2-2ax)ex.
 ?。?)當x為何值時,f(x)取得最小值?證明你的結論;
 ?。?)設f(x)在[-1,1]上是單調(diào)函數(shù),求a的取值范圍.
  解:(1)易得f′(x)=(x2+2x-2ax-2a)·ex. 令f′(x)=0,得[x2+2(1-a)x-2a]ex=0,從而x2+2(1-a)x-2a=0,解得x1=a-1-■,x2=a-1+■.
  當x變化時,f(x),f′(x)的變化如表1:
  所以f(x)在x=x1處取得極大值,在x=x2處取得極小值.
  當a≥0時,x1<-1,x2≥0,f(x)在(x1,x2)上為減函數(shù),在(x2,+∞)上為增函數(shù),且■f(x)=0,■f(x)=+∞;易得函數(shù)與坐標軸交點坐標為(0,0),(2a,0).
  利用以上信息,所以我們可以得到函數(shù)的大致圖象,如圖1.
  所以由圖1可得,函數(shù)在x=x2處取得最小值.
  (2)利用(1)所得到的函數(shù)大致圖象可知,要使得f(x)在[-1,1]上為單調(diào)函數(shù)的充要條件是x2≥1,且必為遞減函數(shù). 于是,a-1+■≥1,解得a≥■,即f(x)在[-1,1]上為單調(diào)函數(shù)的充要條件是a≥■,a的取值范圍是■,+∞.
  例2(2006年全國卷Ⅱ)設函數(shù)f(x)=(x+1)ln(x+1),若對所有的x≥0,都有f(x)≥ax成立,求實數(shù)a的取值范圍.
  解:(1)當x=0時,不等式f(x)≥ax即為f(0)=0≥a·0=0,顯然成立,此時a∈R.
 ?。?)當x∈(0,+∞)時,不等式f(x)≥ax變形為a≤■,所以問題就轉(zhuǎn)化為當x∈(0,+∞)時,不等式a≤■恒成立,則只需a≤■min.
  下面令g(x)=■,其中x∈(0,+∞). 易得g′(x)=■=■>0,?搖因為當x∈(0,+∞)時,x>ln(x+1)恒成立(證明略). 于是g(x)在x∈(0,+∞)上遞增,且■g(x)=■■. 由于■(x+1)ln(x+1)=0,■x=0,所以我們利用羅必達法則可得■g(x)=■■=■■=1.
  我們利用以上信息得到函數(shù)g(x)在x∈(0,+∞)上的大致圖象如下:
  ■
  圖2
  結合圖象可得,當x∈(0,+∞)時,a≤(g(x))min=■g(x)=1.
  例3(2008遼寧卷22)設函數(shù)f(x)=■-lnx+ln(x+1).
  (1)求f(x)的單調(diào)區(qū)間和極值;
  (2)是否存在實數(shù)a,使得關于x的不等式f(x)≥a的解集為(0,+∞)?若存在,求a的取值范圍;若不存在,試說明理由.
  解:(1)f′(x)=■-■-■+■=-■. 當x∈(0,1)時,f′(x)>0;
  當x∈(1,+∞)時,f′(x)<0.所以f(x)在(0,1)單調(diào)遞增,在(1,+∞)單調(diào)遞減.
  由此知f(x)在(0,+∞)的極大值為f(1)=ln2,沒有極小值.
  所以結合圖象可得,要使得關于x的不等式f(x)≥a的解集為(0,+∞),只需要a≤0.
  導數(shù)是一個很強大的數(shù)學工具,在新課程中導數(shù)也占據(jù)著重要的地位.我們一線數(shù)學教師應該充分引導學生利用好這個工具解決問題. 有必要時,可以下放一些高等數(shù)學中的知識,比如上述的羅必達法則,非常實用,操作性也很強.這樣會使得學生解決問題的能力加強,也會使得學生在高考中盡顯優(yōu)勢.

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