林敏燕+
導(dǎo)數(shù)綜合題在高考中一般是占著最后的位置,是考生望而生畏的試題.如何從這類(lèi)題中得到自己滿(mǎn)意的分?jǐn)?shù),是學(xué)生在高考復(fù)習(xí)中最關(guān)心的問(wèn)題.本文從2014年廣州一模理科數(shù)學(xué)第21題談起,希望能對(duì)考生的復(fù)習(xí)能起一定的指導(dǎo)作用.
先看題目:
21. 已知函數(shù)f(x)=(x2-2x+1)ex(其中e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)).
(1)求函數(shù)f(x)的單調(diào)區(qū)間;
(2)定義:若函數(shù)h(x)在區(qū)間[s,t](s<t)上的取值范圍為[s,t],則稱(chēng)區(qū)間[s,t]為函數(shù)h(x)的“域同區(qū)間”.試問(wèn)函數(shù)f(x)在(1,+∞)上是否存在“域同區(qū)間”?若存在,求出所有符合條件的“域同區(qū)間”;若不存在,請(qǐng)說(shuō)明理由.
分析:第一問(wèn)是最常規(guī)的求導(dǎo)問(wèn)題,它考查了二個(gè)函數(shù)之積的導(dǎo)數(shù)公式.直接對(duì)函數(shù)求導(dǎo),令導(dǎo)數(shù)大于零,小于零,即可得到單調(diào)區(qū)間.而要注意的是,一定要說(shuō)出函數(shù)f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間是什么,單調(diào)遞減區(qū)間是什么,不能說(shuō)在哪個(gè)區(qū)間上單調(diào)遞增,哪個(gè)區(qū)間單調(diào)遞減,雖然意思差不多,但是題目問(wèn)什么,你必須答什么,不然要被扣分.還有一點(diǎn)要注意,得到的不等式如何有二個(gè)或二個(gè)以上的區(qū)間,必須用逗號(hào)隔開(kāi),而不能并,如果寫(xiě)成并的話(huà),要被扣分.
第二問(wèn)要先理解題意,要搞明白題目需要我們做什么事情.從第一問(wèn)容易知道函數(shù)在(1,+∞)上是單調(diào)遞增的,從而問(wèn)題轉(zhuǎn)化為方程f(x)=x是否存在二個(gè)根.如果你無(wú)法判斷,也要把你的思路寫(xiě)出來(lái),把問(wèn)題的轉(zhuǎn)化寫(xiě)出來(lái).如果做到這一點(diǎn),你就可以得到6分了.很多同學(xué)就是看到這個(gè)超越方程根本沒(méi)有辦法求解,也就放棄了.
如果在考試中遇這一個(gè)自己根本沒(méi)有辦法解決的問(wèn)題,就像這樣的超越方程不可能求解,就要從反面來(lái)考慮,是不是不存在這樣的二個(gè)根呢?可以在草稿紙上畫(huà)一畫(huà)y=f(x)和y=x的圖像,看看它們的交點(diǎn)個(gè)數(shù).從草圖中可以看出,當(dāng)x=1時(shí),y=x的圖像在y=f(x)的圖像上方,當(dāng)x=2時(shí),y=x的圖像在y=f(x)的圖像下方,從而預(yù)測(cè)方程f(x)=x只有一個(gè)大于1的實(shí)根.
大致方向走對(duì)了,得分一般會(huì)在8分以上.有同學(xué)考慮到如果函數(shù)y=f(x)-x是單調(diào)遞增的就好了,這樣函數(shù)不可能有二個(gè)零點(diǎn)了.求導(dǎo)以后發(fā)現(xiàn),導(dǎo)數(shù)并不是恒大于零,又放棄了.其實(shí),如何堅(jiān)持做下去,也是可以找到出路的.這樣可以得到解法一.
能不能通過(guò)變形,使一個(gè)函數(shù)為單調(diào)函數(shù)呢?試一試,你會(huì)發(fā)現(xiàn)收獲很大.如果把方程二邊同時(shí)除以x,得到一個(gè)新函數(shù):g(x)=(x+■-2)ex-1(x>1),你會(huì)發(fā)現(xiàn),這個(gè)函數(shù)是單調(diào)遞增的,得到解法二;兩邊除以ex得到g(x)=(x-1)2-xe-x(x>1),你也會(huì)發(fā)現(xiàn),這個(gè)函數(shù)是單調(diào)遞增的,得到解法三.還有很多變形,同學(xué)們還可以再試一試.
解法一:(1)∵f(x)=(x-1)2ex,∴f ′(x)=(x2-1)ex,
∴ f ′(x)>0?圳x>1或x<-1; f ′(x)<0?圳-1<x<1.
故函數(shù)f(x)單調(diào)遞增區(qū)間是(-∞,-1),(1,+∞),f(x)單調(diào)遞減區(qū)間是(-1,1).
(2)假設(shè)[s,t]?哿(1,+∞)是“域同區(qū)間”,由于f(x)在(1,+∞)是增函數(shù),于是: f(s)=s, f(t)=t,即函數(shù)g(x)=f(x)-x在(1,+∞)有兩個(gè)不同零點(diǎn).
下面證明:g(x)=f(x)-x在(1,+∞)至多有一個(gè)零點(diǎn).
g′(x)=(x2-1)ex-1,g″(x)=(x2+2x-1)ex>0,
因此g′(x)=(x2-1)ex-1在(1,+∞)是增函數(shù).
g′(1)=-1<0,g′(2)=3e2-1>0,所以存在k∈(1,2)滿(mǎn)足g′(k)=0.
(a)當(dāng)x∈(1,k)時(shí),g′(x)<0,g(x)為減函數(shù).
因此當(dāng)x∈(1,k],g(x)<g(1)=-1<0,g(x)在(1,k]內(nèi)不存在零點(diǎn);
(b)當(dāng)x∈(k,+∞)時(shí),g′(x)>0,g(x)為增函數(shù),至多有一個(gè)零點(diǎn),
綜合(a)(b)可知,函數(shù)g(x)在(1,+∞)至多有一個(gè)零點(diǎn),因此假設(shè)不成立,f(x)在(1,+∞)不存在“域同區(qū)間”.
解法二:(1)同上;
(2)假設(shè)f(x)在(1,+∞)上存在“域同區(qū)間”,由(1)可知f(x)在(1,+∞)上增函數(shù),故有f(s)=s, f(t)=t,也就是說(shuō),方程(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根.
由(x-1)2ex-x=0,得■-1=0.設(shè)g(x)=(x+■-2)ex-1(x>1),則有:g′(x)=■ex>0.
故g(x)在(1,+∞)上單調(diào)遞增.所以g(x)在(1,+∞)上至多有一個(gè)零點(diǎn),與(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根矛盾,所以f(x)在(1,+∞)上不存在“域同區(qū)間”.
解法三:(1)同上;
(2)假設(shè)f(x)在(1,+∞)上存在“域同區(qū)間”,由(1)可知f(x)在(1,+∞)上增函數(shù),故有f(s)=s,f(t)=t,也就是說(shuō),方程(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根.
由(x-1)2ex-x=0,得(x-1)2=xe-x.
設(shè)g(x)=(x-1)2-xe-x(x>1),則g′(x)=(x-1)(2+e-x)>0.
故g(x)在(1,+∞)上單調(diào)遞增.所以g(x)在(1,+∞)上至多有一個(gè)零點(diǎn),與(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根矛盾,所以f(x)在(1,+∞)上不存在“域同區(qū)間”.
從這次廣州一模的考試中,我們可以得到解導(dǎo)數(shù)綜合題的基本策略:(1)第一問(wèn)必須做,導(dǎo)數(shù)要檢查一下,確保求導(dǎo)正確,并且要注意函數(shù)的定義域;(2)順著問(wèn)題進(jìn)行解答,把題意轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)式子,高考給分是看式子給分,沒(méi)有式子,看不到你的解題過(guò)程到了哪里;(3)試著對(duì)原式進(jìn)行等價(jià)變形,可能會(huì)有收獲.變形的基本原則是求導(dǎo)可以操作,最好容易判斷正負(fù).(4)如果出現(xiàn)恒成立的參數(shù)問(wèn)題,有二種思路:一是轉(zhuǎn)化為變量與參數(shù)分離;二是構(gòu)造新函數(shù),思路的基本原則是能求導(dǎo),并且能求出原函數(shù)的單調(diào)區(qū)間.
下面給出二個(gè)高考預(yù)測(cè)題,請(qǐng)同學(xué)們?cè)囈幌?
預(yù)測(cè)題1:已知函數(shù)f(x)=ex-■x2-x,其導(dǎo)函數(shù)為f ′(x).
(1)求f ′(x)的最小值;
(2)證明:對(duì)任意的x1,x2∈[0,+∞)和實(shí)數(shù)?姿1≥0,?姿2≥0且?姿1+?姿2=1,總有f(?姿1x1+?姿2x2)≤?姿1f(x1)+?姿2f(x2);
(3) 若x1,x2,x3滿(mǎn)足:x1≥0,x2≥0,x3≥0且x1+x2+x3=3,求f(x1)+f(x2)+f(x3)的最小值.
預(yù)測(cè)題2:已知函數(shù)f(x)=■x2+lnx,
(Ⅰ)當(dāng)-2<a<2時(shí),討論函數(shù)f(x)單調(diào)性;
(Ⅱ)當(dāng)a=1,且■<t<■時(shí),證明:曲線y=f(x)與其在點(diǎn)P(t,f(t))處的切線至少有兩個(gè)不同的公共點(diǎn).
參考答案:
預(yù)測(cè)題一:
解:(1)f ′(x)=ex-x-1,f″(x)=ex-1.
當(dāng)x∈(-∞,0)時(shí), f″(x)<0, f ′(x)單調(diào)減:當(dāng)x∈(0,+∞)時(shí), f″(x)>0,f ′(x)單調(diào)增.
所以f ′(x)的最小值是f ′(0)=1.
(2)設(shè)x1≤x2,構(gòu)造函數(shù)g(x)=?姿1f(x)+?姿2f(x2)-f(?姿1x+?姿2x2),x∈[0,x2].
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g ′(x)=?姿1f ′(x)-?姿1f ′(?姿1x+?姿2x2)=?姿1[f ′(x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)]=?姿1[f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)].
∵f ′(x)在[0,+∞)遞增,且?姿1x+?姿2x≤?姿1x+?姿2x2,∴f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)≤0.
即g ′(x)≤0,g (x)在[0,x2]遞減.
∴g (x)≥g (x2)=?姿1f (x2)+?姿2f (x2)-f (?姿1x2+?姿2x2)=0,
所以g (x1)=?姿1f (x1)+?姿2f (x2)-f (?姿1x1+?姿2x2)≥0,
即?姿1f (x1)+?姿2f (x2)≥f (?姿1x1+?姿2x2),當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2時(shí)等號(hào)成立.
(3)■[ f (x1)+ f (x2) f (x3)]=■[■ f (x1)+■ f (x2)]+■ f (x3)≥■f (■) +■ f (x3)≥ f (■■+■x3)=f (■)= f (1)=e-■,
即 f (x1)+ f (x2) +f (x3)≥3e-■,
所以當(dāng)x1=x2=x3時(shí), f (x1)+ f (x2)+ f (x3)取得最小值3e-■.
預(yù)測(cè)題二:
解:(1) f (x)的定義域是(0,+∞),
f ′(x)=■+x=■.
當(dāng)a≥0時(shí),f ′(x)>0, f (x)單調(diào)增.
當(dāng)a<0時(shí),f ′(x)<0?圳0<x<■;f ′(x)>0?圳x>■.
所以當(dāng)a<0時(shí), f (x)在(0,■)遞減,在(■,+∞)遞增.
(2)當(dāng)a=0時(shí),f (x)=■x2+lnx,f ′(x)=■+x.
設(shè)曲線y=f(x)在P(t,f(t))處的切線方程為:y-f(t)=f ′(t)(x-t),
則P(t,f(t))是曲線與該切線的公共點(diǎn).
構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-f(t)-f ′(t)(x-t),
g(4t)=8t2+ln4t-■t2-lnt-(t+■)3t=■t2+ln4-3<■×■+2-3<0,
g(48t)=24×48t2+ln48t-■t2-lnt-(t+■)47t>24×48×■+
ln48-1-47×■-47=24-47×■+ln48>0.
所以存在q∈(4t,48t),滿(mǎn)足g(q)=0,
即f(q)=f(t)-f ′(t)(q-t),
故(q,f(q))是曲線與切線的另一個(gè)公共點(diǎn).
(作者單位:華南師大附中汕尾學(xué)校)
責(zé)任編校徐國(guó)堅(jiān)
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g ′(x)=?姿1f ′(x)-?姿1f ′(?姿1x+?姿2x2)=?姿1[f ′(x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)]=?姿1[f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)].
∵f ′(x)在[0,+∞)遞增,且?姿1x+?姿2x≤?姿1x+?姿2x2,∴f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)≤0.
即g ′(x)≤0,g (x)在[0,x2]遞減.
∴g (x)≥g (x2)=?姿1f (x2)+?姿2f (x2)-f (?姿1x2+?姿2x2)=0,
所以g (x1)=?姿1f (x1)+?姿2f (x2)-f (?姿1x1+?姿2x2)≥0,
即?姿1f (x1)+?姿2f (x2)≥f (?姿1x1+?姿2x2),當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2時(shí)等號(hào)成立.
(3)■[ f (x1)+ f (x2) f (x3)]=■[■ f (x1)+■ f (x2)]+■ f (x3)≥■f (■) +■ f (x3)≥ f (■■+■x3)=f (■)= f (1)=e-■,
即 f (x1)+ f (x2) +f (x3)≥3e-■,
所以當(dāng)x1=x2=x3時(shí), f (x1)+ f (x2)+ f (x3)取得最小值3e-■.
預(yù)測(cè)題二:
解:(1) f (x)的定義域是(0,+∞),
f ′(x)=■+x=■.
當(dāng)a≥0時(shí),f ′(x)>0, f (x)單調(diào)增.
當(dāng)a<0時(shí),f ′(x)<0?圳0<x<■;f ′(x)>0?圳x>■.
所以當(dāng)a<0時(shí), f (x)在(0,■)遞減,在(■,+∞)遞增.
(2)當(dāng)a=0時(shí),f (x)=■x2+lnx,f ′(x)=■+x.
設(shè)曲線y=f(x)在P(t,f(t))處的切線方程為:y-f(t)=f ′(t)(x-t),
則P(t,f(t))是曲線與該切線的公共點(diǎn).
構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-f(t)-f ′(t)(x-t),
g(4t)=8t2+ln4t-■t2-lnt-(t+■)3t=■t2+ln4-3<■×■+2-3<0,
g(48t)=24×48t2+ln48t-■t2-lnt-(t+■)47t>24×48×■+
ln48-1-47×■-47=24-47×■+ln48>0.
所以存在q∈(4t,48t),滿(mǎn)足g(q)=0,
即f(q)=f(t)-f ′(t)(q-t),
故(q,f(q))是曲線與切線的另一個(gè)公共點(diǎn).
(作者單位:華南師大附中汕尾學(xué)校)
責(zé)任編校徐國(guó)堅(jiān)
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g ′(x)=?姿1f ′(x)-?姿1f ′(?姿1x+?姿2x2)=?姿1[f ′(x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)]=?姿1[f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)].
∵f ′(x)在[0,+∞)遞增,且?姿1x+?姿2x≤?姿1x+?姿2x2,∴f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)≤0.
即g ′(x)≤0,g (x)在[0,x2]遞減.
∴g (x)≥g (x2)=?姿1f (x2)+?姿2f (x2)-f (?姿1x2+?姿2x2)=0,
所以g (x1)=?姿1f (x1)+?姿2f (x2)-f (?姿1x1+?姿2x2)≥0,
即?姿1f (x1)+?姿2f (x2)≥f (?姿1x1+?姿2x2),當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2時(shí)等號(hào)成立.
(3)■[ f (x1)+ f (x2) f (x3)]=■[■ f (x1)+■ f (x2)]+■ f (x3)≥■f (■) +■ f (x3)≥ f (■■+■x3)=f (■)= f (1)=e-■,
即 f (x1)+ f (x2) +f (x3)≥3e-■,
所以當(dāng)x1=x2=x3時(shí), f (x1)+ f (x2)+ f (x3)取得最小值3e-■.
預(yù)測(cè)題二:
解:(1) f (x)的定義域是(0,+∞),
f ′(x)=■+x=■.
當(dāng)a≥0時(shí),f ′(x)>0, f (x)單調(diào)增.
當(dāng)a<0時(shí),f ′(x)<0?圳0<x<■;f ′(x)>0?圳x>■.
所以當(dāng)a<0時(shí), f (x)在(0,■)遞減,在(■,+∞)遞增.
(2)當(dāng)a=0時(shí),f (x)=■x2+lnx,f ′(x)=■+x.
設(shè)曲線y=f(x)在P(t,f(t))處的切線方程為:y-f(t)=f ′(t)(x-t),
則P(t,f(t))是曲線與該切線的公共點(diǎn).
構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-f(t)-f ′(t)(x-t),
g(4t)=8t2+ln4t-■t2-lnt-(t+■)3t=■t2+ln4-3<■×■+2-3<0,
g(48t)=24×48t2+ln48t-■t2-lnt-(t+■)47t>24×48×■+
ln48-1-47×■-47=24-47×■+ln48>0.
所以存在q∈(4t,48t),滿(mǎn)足g(q)=0,
即f(q)=f(t)-f ′(t)(q-t),
故(q,f(q))是曲線與切線的另一個(gè)公共點(diǎn).
(作者單位:華南師大附中汕尾學(xué)校)
責(zé)任編校徐國(guó)堅(jiān)
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