例4 (2007年高考全国卷Ⅱ理科22题)已知函数f (x)=x3-x.
(Ⅰ)求曲线y=f (x)在点M(t,f (t))处的切线方程;
(Ⅱ)设a>0,如果过点(a,b)可作曲线y=f (x)的三条切线,证明:-a<b<f (a).
分析 (Ⅰ)问比较简单,f ¢(x0)的几何意义是曲线f(x)在点(x0,f (x0))处的切线的斜率,利用这一几何意义就可以求切线方程.(Ⅱ)问中条件“过点可作曲线y=f (x)的三条切线”,可转化为该点代入切线方程后所得方程有三个相异的实根,而研究根的个数仍然需要借助导数.
解 (Ⅰ)求函数f (x)的导数:f ¢(x)=3x2-1.
曲线y=f (x)在点M(t,f (t))处的切线方程为:y-f (t)=f ¢(t)(x-t),
即y=(3t2-1)x-2t3.
(Ⅱ)如果有一条切线过点(a,b),则存在t,使b=(3t2-1)a-2t3.
于是,若过点(a,b)可作曲线y=f (x)的三条切线,则方程2t3-3at2+a+b=0有三个相异的实数根.
记g(t)= 2t3-3at2+a+b,则g¢(t)=6t2-6at=6t(t-a).
当t变化时,g(t),g¢(t)变化情况如下表:
|
t |
(-¥,0) |
0 |
(0,a) |
a |
(a,+¥) |
|
g¢(t) |
+ |
0 |
- |
0 |
+ |
|
g(t) |
↗ |
极大值a+b |
↘ |
极小值b-f (a) |
↗ |
由g(t)的单调性,当极大值a+b<0或极小值b-f (a)>0时,方程g(t)=0最多有一个实数根;
当a+b=0时,解方程g(t)=0得
,即方程g(t)=0只有两个相异的实数根;
当b-f (a)=0时,解方程g(t)=0得
,即方程g(t)=0只有两个相异的实数根.
综上,如果过(a,b)可作曲线y=f (x)三条切线,即g(t)=0有三个相异的实数根,则
即-a<b<f (a).
点评 利用导数研究一个三次方程f (x)=0根的个数问题是一类常见的题型,它可以看成是函数f (x)的图像与x轴的交点个数问题,因此与函数的极值有关.
由此可见,我们常常利用导数判断函数的单调性、求极值、求最值、求取值范围、证明不等式、求切线方程、判断方程根的个数,而这七个应用我们通过上面四个典型例题就可以学到.
例3 (2007年高考安徽卷理科18题)设a≥0,f (x)=x-1-ln2 x+2aln x(x>0).
(Ⅰ)令F(x)=x f ¢(x),讨论F(x)在(0,+¥)内的单调性并求极值;
(Ⅱ)求证:当x>1时,恒有x>ln2 x-2aln x+1.
分析 利用导数研究函数的单调性、极值和证明不等式是近年来高考中的常考题型,解题时有一套完整的流程,我们必须十分熟练.
(Ⅰ)解 根据求导法则有
,
故F(x)=x f ¢(x)=x-2ln x+2a(x>0),于是
,
列表如下:
|
x |
(0,2) |
2 |
(2,+¥) |
|
F¢(x) |
- |
0 |
+ |
|
F(x) |
↘ |
极小值F(2) |
↗ |
故知F(x)在(0,2)内是减函数,在(2,+¥)内是增函数,所以,在x=2处取得极小值F(2)=2-2ln2+2a.
(Ⅱ)证明 由a≥0知,F(x)的极小值F(2)=2-2ln2+2a>0.
于是由上表知,对一切x∈(0,+¥),恒有F(x)=x f ¢(x)>0.
从而当x>0时,恒有f ¢(x)>0,故f (x)在(0,+¥)内单调增加.
所以当x>1时,f (x)>f (1)=0,即x-1-ln2 x+2aln x>0.
故当x>1时,恒有x>ln2 x-2aln x+1.
点评 本题主要考查函数导数的概念与计算,利用导数研究函数的单调性、极值和证明不等式的方法,考查综合运用有关知识解决问题的能力.需要注意的是(Ⅱ)问中的不等式经移项后不必构造新的函数,因为这就是已知函数f (x),并且f (x)的单调性也不用再求导研究,因为可以利用(Ⅰ)问中F(x)的单调性和极小值就可以找到f ¢(x)>0,从而得出f (x)的单调性.