5.构造函数证明不等式.
典型例题
例7.(2006年天津卷)函数
的定义域为开区间
,导函数
在
内的图象如图所示,则函数
在开区间
内有极小值点( )
A.1个
B.2个
C.3个
D. 4个
[考查目的]本题主要考查函数的导数和函数图象性质等基础知识的应用能力.
[解答过程]由图象可见,在区间
内的图象上有一个极小值点.
故选A.
例8 .(2007年全国一)设函数
在
及
时取得极值.
(Ⅰ)求a、b的值;
(Ⅱ)若对于任意的
,都有
成立,求c的取值范围.
思路启迪:利用函数
在
及
时取得极值构造方程组求a、b的值.
解答过程:(Ⅰ)
,
因为函数
在
及
取得极值,则有
,
.
即![]()
解得
,
.
(Ⅱ)由(Ⅰ)可知,
,
.
当
时,
;
当
时,
;
当
时,
.
所以,当
时,
取得极大值
,又
,
.
则当
时,
的最大值为
.
因为对于任意的
,有
恒成立,
所以
,
解得
或
,
因此
的取值范围为
.
例9.函数
的值域是_____________.
思路启迪:求函数的值域,是中学数学中的难点,一般可以通过图象观察或利用不等式性质求解,也可以利用函数的单调性求出最大、最小值。此例的形式结构较为复杂,采用导数法求解较为容易。
解答过程:由
得,
,即函数的定义域为
.
,
又
,
当
时,
,
函数
在
上是增函数,而
,
的值域是
.
例10.(2006年天津卷)已知函数
,其中
为参数,且
.
(1)当时
,判断函数
是否有极值;
(2)要使函数
的极小值大于零,求参数
的取值范围;
(3)若对(2)中所求的取值范围内的任意参数
,函数
在区间
内都是增函数,求实数
的取值范围.
[考查目的]本小题主要考查运用导数研究三角函数和函数的单调性及极值、解不等式等基础知识,考查综合分析和解决问题的能力,以及分类讨论的数学思想方法.
[解答过程](Ⅰ)当
时,
,则
在
内是增函数,故无极值.
(Ⅱ)
,令
,得
.
由(Ⅰ),只需分下面两种情况讨论.
①当![]()
时,随x的变化
的符号及
的变化情况如下表:
|
x |
|
0 |
|
|
|
|
|
+ |
0 |
- |
0 |
+ |
|
|
↗ |
极大值 |
↘ |
极小值 |
↗ |
因此,函数
在
处取得极小值
,且
.
要使
,必有
,可得
.
由于
,故
.
②当时
,随x的变化,
的符号及
的变化情况如下表:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
0 |
- |
0 |
+ |
|
|
|
极大值 |
|
极小值 |
|
因此,函数
处取得极小值
,且![]()
若
,则
.矛盾.所以当
时,
的极小值不会大于零.
综上,要使函数
在
内的极小值大于零,参数
的取值范围为
.
(III)解:由(II)知,函数
在区间
与
内都是增函数。
由题设,函数
内是增函数,则a须满足不等式组
![]()
![]()
或 ![]()
由(II),参数时
时,
.要使不等式
关于参数
恒成立,必有
,即
.
综上,解得
或
.
所以
的取值范围是
.
例11.(2006年山东卷)设函数f(x)=ax-(a+1)ln(x+1),其中a
-1,求f(x)的单调区间.
[考查目的]本题考查了函数的导数求法,函数的极值的判定,考查了应用数形结合的数学思想分析问题解决问题的能力
[解答过程]由已知得函数
的定义域为
,且![]()
(1)当
时,
函数
在
上单调递减,
(2)当
时,由
解得![]()
、
随
的变化情况如下表
|
|
|
|
|
|
|
- |
0 |
+ |
|
|
|
极小值 |
|
从上表可知
当
时,
函数
在
上单调递减.
当
时,
函数
在
上单调递增.
综上所述:当
时,函数
在
上单调递减.
当
时,函数
在
上单调递减,函数
在
上单调递增.
例12.(2006年北京卷)已知函数
在点
处取得极大值
,其导函数
的图象经过点
,
,如图所示.求:
(Ⅰ)
的值;
(Ⅱ)
的值.
[考查目的]本小题考查了函数的导数,函数的极值的判定,闭区间上二次函数的最值, 函数与方程的转化等基础知识的综合应用,考查了应用数形结合的数学思想分析问题解决问题的能力
[解答过程]解法一:(Ⅰ)由图像可知,在
上![]()
,在
上
,在
上
,
故
在
上递增,在
上递减,
因此
在
处取得极大值,所以![]()
(Ⅱ)![]()
由![]()
得![]()
解得![]()
解法二:(Ⅰ)同解法一
(Ⅱ)设![]()
又![]()
所以![]()
![]()
由
即
得![]()
所以![]()
例13.(2006年湖北卷)设
是函数
的一个极值点.
(Ⅰ)求
与
的关系式(用
表示
),并求
的单调区间;
(Ⅱ)设
,
.若存在
使得
成立,求
的取值范围.
[考查目的]本小题主要考查函数、不等式和导数的应用等知识,考查综合运用数学知识解决问题的能力.
[解答过程](Ⅰ)f `(x)=-[x2+(a-2)x+b-a ]e3-x,
由f `(3)=0,得 -[32+(a-2)3+b-a ]e3-3=0,即得b=-3-2a,
则 f `(x)=[x2+(a-2)x-3-2a-a ]e3-x
=-[x2+(a-2)x-3-3a ]e3-x=-(x-3)(x+a+1)e3-x.
令f `(x)=0,得x1=3或x2=-a-1,由于x=3是极值点,
所以x+a+1≠0,那么a≠-4.
当a<-4时,x2>3=x1,则
在区间(-∞,3)上,f `(x)<0, f (x)为减函数;
在区间(3,―a―1)上,f `(x)>0,f (x)为增函数;
在区间(―a―1,+∞)上,f `(x)<0,f (x)为减函数.
当a>-4时,x2<3=x1,则
在区间(-∞,―a―1)上,f `(x)<0, f (x)为减函数;
在区间(―a―1,3)上,f `(x)>0,f (x)为增函数;
在区间(3,+∞)上,f `(x)<0,f (x)为减函数.
(Ⅱ)由(Ⅰ)知,当a>0时,f (x)在区间(0,3)上的单调递增,在区间(3,4)上单调递减,那么f (x)在区间[0,4]上的值域是[min(f (0),f (4) ),f (3)],
而f (0)=-(2a+3)e3<0,f (4)=(2a+13)e-1>0,f (3)=a+6,
那么f (x)在区间[0,4]上的值域是[-(2a+3)e3,a+6].
又
在区间[0,4]上是增函数,
且它在区间[0,4]上的值域是[a2+
,(a2+
)e4],
由于(a2+
)-(a+6)=a2-a+
=(
)2≥0,所以只须仅须
(a2+
)-(a+6)<1且a>0,解得0<a<
.
故a的取值范围是(0,
).
例14 (2007年全国二)
已知函数![]()
在
处取得极大值,在
处取得极小值,且
.
(1)证明
;
(2)若z=a+2b,求z的取值范围。
[解答过程]求函数
的导数
.
(Ⅰ)由函数
在
处取得极大值,在
处取得极小值,知
是
的两个根.
所以![]()
当
时,
为增函数,
,由
,
得
.
(Ⅱ)在题设下,
等价于
即
.
化简得
.
此不等式组表示的区域为平面
上三条直线:
.
所围成的
的内部,其三个顶点分别为:
.
![]()
在这三点的值依次为
.
所以
的取值范围为
.
小结:本题的新颖之处在把函数的导数与线性
规划有机结合.
考点4 导数的实际应用
建立函数模型,利用
典型例题
例15. (2007年重庆文)
用长为18 cm的钢条围成一个长方体形状的框架,要求长方体的长与宽之比为2:1,问该长方体的长、宽、高各为多少时,其体积最大?最大体积是多少?
[考查目的]本小题主要考查函数、导数及其应用等基本知识,考查运用数学知识分析和解决实际问题的能力.
[解答过程]设长方体的宽为x(m),则长为2x(m),高为
.
故长方体的体积为
![]()
从而![]()
令V′(x)=0,解得x=0(舍去)或x=1,因此x=1.
当0<x<1时,V′(x)>0;当1<x<
时,V′(x)<0,
故在x=1处V(x)取得极大值,并且这个极大值就是V(x)的最大值。
从而最大体积V=V′(x)=9×12-6×13(m3),此时长方体的长为2 m,高为1.5 m.
答:当长方体的长为2 m时,宽为1 m,高为1.5 m时,体积最大,最大体积为3 m3。
例16.(2006年福建卷)统计表明,某种型号的汽车在匀速行驶中每小时的耗
油量
(升)关于行驶速度
(千米/小时)的函数解析式可以表示为:
已知甲、乙两地相距100千米.
(I)当汽车以40千米/小时的速度匀速行驶时,从甲地到乙地要耗油多少升?
(II)当汽车以多大的速度匀速行驶时,从甲地到乙地耗油最少?最少为多少升?
[考查目的]本小题主要考查函数、导数及其应用等基本知识,考查运用数学知识分析和解决实际问题的能力.
[解答过程](I)当
时,汽车从甲地到乙地行驶了
小时,
要耗没
(升).
答:当汽车以40千米/小时的速度匀速行驶时,从甲地到乙地耗油17.5升。
(II)当速度为
千米/小时时,汽车从甲地到乙地行驶了
小时,设耗油量为
升,依题意得![]()
![]()
令
得![]()
当
时,
是减函数;当
时,
是增函数.
当
时,
取到极小值![]()
因为
在
上只有一个极值,所以它是最小值.
答:当汽车以80千米/小时的速度匀速行驶时,从甲地到乙地耗油最少,最少为11.25升.