高二数学函数的定义域与值域、单调性与奇偶性知识精讲 苏教版
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高二数学函数的定义域与值域、单调性与奇偶性知识精讲 苏教版
一. 本周教学内容:
函数的定义域与值域、单调性与奇偶性
二. 教学目标:
理解函数的性质,能够运用函数的性质解决问题。
三. 教学重点:函数性质的运用.
四. 教学难点:函数性质的理解。
[学习过程] 一、知识归纳:
1. 求函数的解析式
(1)求函数解析式的常用方法: ①换元法( 注意新元的取值范围)
②待定系数法(已知函数类型如:一次、二次函数、反比例函数等) ③整体代换(配凑法)
④构造方程组(如自变量互为倒数、已知f (x )为奇函数且g (x )为偶函数等)
(2)求函数的解析式应指明函数的定义域,函数的定义域是使式子有意义的自变量的取值范围,同时也要注意变量的实际意义。
(3)理解轨迹思想在求对称曲线中的应用。
2. 求函数的定义域
求用解析式y =f (x )表示的函数的定义域时,常有以下几种情况: ①若f (x )是整式,则函数的定义域是实数集R ;
②若f (x )是分式,则函数的定义域是使分母不等于0的实数集;
③若f (x )是二次根式,则函数的定义域是使根号内的式子大于或等于0的实数集合; ④若f (x )是由几个部分的数学式子构成的,则函数的定义域是使各部分式子都有意义的实数集合;
⑤若f (x )是由实际问题抽象出来的函数,则函数的定义域应符合实际问题. 3. 求函数值域(最值)的一般方法: (1)利用基本初等函数的值域;
(2)配方法(二次函数或可转化为二次函数的函数);
(3)不等式法(利用基本不等式,尤其注意形如)0(>+=k x
k
x y 型的函数) (4)函数的单调性:特别关注)0(>+
=k x
k
x y 的图象及性质 (5)部分分式法、判别式法(分式函数) (6)换元法(无理函数) (7)导数法(高次函数) (8)反函数法 (9)数形结合法 4. 求函数的单调性 (1)定义法:
(2)导数法:
(3)利用复合函数的单调性:
(4)关于函数单调性还有以下一些常见结论: ①两个增(减)函数的和为_____;一个增(减)函数与一个减(增)函数的差是______; ②奇函数在对称的两个区间上有_____的单调性;偶函数在对称的两个区间上有_____的单调性;
③互为反函数的两个函数在各自定义域上有______的单调性;
(5)求函数单调区间的常用方法:定义法、图象法、复合函数法、导数法等 (6)应用:比较大小,证明不等式,解不等式。
5. 函数的奇偶性
奇偶性:定义:注意区间是否关于原点对称,比较f (x ) 与f (-x )的关系。
f (x ) -f (-x )=0⇔ f (x ) =f (-x ) ⇔f (x )为偶函数;
f (x )+f (-x )=0⇔ f (x ) =-f (-x ) ⇔f (x )为奇函数。
判别方法:定义法,图象法,复合函数法 应用:把函数值进行转化求解。
6. 周期性:定义:若函数f (x )对定义域内的任意x 满足:f (x+T )=f (x ),则T 为函数f (x )的周期。
其他:若函数f (x )对定义域内的任意x 满足:f (x+a )=f (x -a ),则2a 为函数f (x )的周期.
应用:求函数值和某个区间上的函数解析式。
二、典型例题分析
例1. 若集合A ={a 1,a 2,a 3},B ={b 1,b 2} 求从集合A 到集合B 的映射的个数。
分析:解决这类问题,关键是要掌握映射的概念:设A 、B 是两个集合,对于集合A 中的任何一个元素,按照某种对应法则f ,若集合B 中都有唯一确定的元素和它对应,这时对应法则f 叫做从集合A 到集合B 的映射。
这里要掌握关键的两个词“任何”、“唯一”。
对于本例,集合A ={a 1,a 2,a 3}中的每一个元素的象都有b 1或b 2这两种情形,由乘法原理可知,A 到B 的映射的个数共有N =2·2·2=8个。
例2. 线段|BC|=4,BC 的中点为M ,点A 与B 、C 两点的距离之和为6,设|AM|=y ,|AB|=x ,求y =f (x )的函数表达式及这函数的定义域。
解:1°若A 、B 、C 三点不共线,如图所示,由余弦定理可知,
x 2=22+y 2
-4ycos ∠AMB ①
(6-x )2=22+y 2-4ycos (180°-∠AMB ) ② ①+② x 2+(6-x )2=2y 2+8 ∴y 2=x 2-6x+14 又 x 2-6x+14=(x -3)2+5恒正,∴1462+-=x x y 又三点A 、B 、C 能构成三角形
⎪⎩
⎪
⎨⎧>-+->+>-+∴x x x x x x )6(4644)6(
∴1<x <5
2°若三点A 、B 、C 共线,由题意可知, x+4=6-x ,x =1 或4+6-x =x x =5 综上所述:1462+-=x x y )51(≤≤x
说明:第一,首先要分析三点A 、B 、C 是否在同一条直线上,因为由题意,A 、B 、C 不一定能构成三角形,它们也可在同一条直线上,所以要分两种情形来讨论。
第二,实际问题在求解析式时要特别注意函数的定义域。
例3. 设f (x )为定义在R 上的偶函数,当x ≤-1时,y =f (x )的图象是经过点(-2,0),斜率为1的射线,又在y =f (x )的图象中有一部分是顶点在(0,2),且过点(-1,1)的一段抛物线,试写出函数f (x )的表达式,并在图中作出其图象。
解:(1)当x ≤-1时,设f (x )=x+b
∵射线过点(-2,0) ∴0=-2+b 即b =2,∴f (x )=x+2
(2)当-1<x<1时,设f (x )=ax 2
+2 ∵抛物线过点(-1,1),∴1=a ·(-1)2+2,即a =-1 ∴f (x )=-x 2+2
(3)当x ≥1时,f (x )=-x+2
综上可知:f (x )=⎪⎩
⎪
⎨⎧≥+-<<---≤+1,211,21,22x x x x x x 作图由读者来完成。
例4. 求下列函数的定义域 (1)2
|1|)43(4
32-+--=
x x x y (2))103(log 2
2327---=x x y
解:(1)⎩
⎨⎧-≠≠⇒≠-+≥-≤⇒≥--3102|1|4
10432x x x x x x x 且或
∴x ≥4或x ≤-1且x ≠-3,即函数的定义域为(-∞,-3)∪(-3,-1)∪[4,+
∞]
(2)0327)
103(log 2
2≥---x x
,则3)103(log 2
2≤--x x
∴ 0<x 2
-3x -10≤8,即
⎪⎩⎪⎨⎧>-<⇒>--≤≤-⇒≤--5
2010363810322
x x x x x x x 或 ∴-3≤x <-2或5<x ≤6即定义域为[-3,-2]∪(5,6) 说明:求函数的定义域,我们常常可以从以下三个方面来考虑:若有分母则分母不为零、若有偶次根式则被开方数大于或等于零、若有对数式,则真数大于零、底数大于零且不等于1。
求函数的定义域,实质上就是求由以上不等式组成的不等式组的解集。
变、已知函数f (x )的定义域为[-1,4],求)21
(+x
f 的定义域。
解:4211<+≤
-x ,则21
3<≤-x
又
01≠x ,∴013<≤-x 或21
0<<x
则31-≤x 或2
1
>x 即为所求函数的定义域。
说明:此题实质上是求复合函数的定义域,我们把)21
(+=x
f y 看成是由y =f (u )、
21+=
x
u 两个函数复合而成的,因为-1≤u <4,则421
1<+≤-x ,从而求出x 的范围,另外,
对不等式进行倒数运算时,应注意不等式两边必须同号,取倒数后不等号的方向改变,这里也是学习时常常容易发生错误的地方,应加以重视。
例5. 若对于任何实数x ,不等式:a x x >-+-|2|2|1|恒成立,求实数a 的取值范围。
解:令f (x )=|x -1|+2|x -2|,去绝对值把f (x )表示成分段函数后为
5-<1
f (x )= 3-x 1≤x ≤2 3x -5 x >2
作出y =f (x )的图象如图,由此可知f (x )的最小值为1,f (x )>a 对一切实数x 恒成立,则a <1。
说明:该题看上去是一个不等式的问题,若用去绝对值分类讨论的方法来求解则比较繁锁,而如果注意到不等式左边是一个关于x 的函数,只要利用数形结合的思想求出此函数的最小值就很快解决了问题,这种解题思想应引起我们的注意。
另外,对于函数f (x )=|x -1|+2|x -2|只要把它写成分段函数的形式,作出函数的图象,则该函数的所有性质,包括函数的单调区间,值域等一切问题都可以迎刃而解了。
例6. 求函数x x x f 41332)(-+-=的值域。
解:令0413≥=-t x ,则13-4x =t 2
4
132t x -=
∴4)1(21
321322+--=+--=t t t y 该二次函数的对称轴为t =1,又t ≥0由二次函数的性质可知y ≤4,当且仅当t =1即x
=3时等式成立,∴原函数的值域为(-∞,4)。
说明:对于所有形如d cx b ax y +++=的函数,求值域时我们可以用换元法令
0≥=+t d cx 转化为关于t 的二次函数在区间[0,+∞)上的最值来处理。
这里要注意t
≥0的范围不能少。
如:已知f (x )的值域为]9
4
, 83[,试求函数)(21)(x f x f y -+=的值域。
该题我们只需要把f (x )看成是一个变量,则求值域时仍可用上述换元法,但是如果被开方数不是关于x 的一次式,而含x 的平方项,则就不能用上述换元法了。
如求函数241x x y --=的值域,若令t x =-21,则x 无法用t 来表示。
这里我们如果注意到x 的取值范围:-2≤x ≤2,则-1≤
2x ≤1的话,我们就可以用三角换元:令θcos 2
=x
θ∈[0,π],问题也就转
化为三角函数求最值了。
同样我们作三角换元时,要注意θ的限制条件,因为当θ取遍0到π之间的每一个值时,2
x
恰好可以取遍-1到1之间的每一个值,若不限制θ的范围,则根号无法直接去掉,就会给我们解题增添麻烦。
例7. 求下列函数的最值。
(1)372x x y --+=
(2)21||x x y -⋅=
解:(1)先求出函数的定义域:⎩
⎨⎧≥-≥+070
2x x
∴-2≤x ≤7,又在区间[-2,7]上函数21+=x y 单调递增,x y --=72单调递增,所以372x x y --+=在定义域内也单调递增。
当x =-2时,3min 3-=y ;当x =7时,3max 3=y
(2)∵21||x x -⋅≥0 ∴y 2
=x 2
(1-x 2
)由基本不等式可知:
y 2=x 2(1-x 2
)≤4
1
]2)1([
222=-+x x ,又y ≥0 ∴0min =y ,21max =y 。
说明:对于一些比较复杂的函数,求值域或最值时,如果我们能利用函数的单调性、奇
偶性或运用基本不等式,问题往往会很快得到解决。
在运用基本不等式求最值时,要注意“一正二定三相等”的条件,特别是要注意等号能否成立。
例8. 设a >0,x ∈[-1,1]时函数y =-x 2
-ax+b 有最小值-1,最大值1,求使函数取得最小值和最大值时相应的x 的值。
解:4
4)2(222
a b a x b ax x y +++-=+--=
∵a >0,∴ 2
a
x -=<0,又定义域为[-1,1] ∴x =1时1min -=y ,即-1-a+b =-1 ∴a -b =0
下面分a 的情形来讨论:
1°当0>2
a
-≥-1即0<a ≤2时, 当2a x -
=时,1max =y 即14
2=+b a ,则 ⎪⎩
⎪
⎨⎧==+b a b a 14
2
∴a 2
+4a -4=0,222±-=a
又a ∈(0,2) ∴222+-=a ,则21-=x
2°当2
a
-
<-1,即a >2时,当x =-1时1max =y ∴-1+a+b =1,a+b =2 又a =b ∴a =1 与a >2矛盾,舍去 综上所述:x =1时,1min -=y ,21-=x 时1max =y 。
例9. 已知函数y =f (x )=c bx ax ++1
2 (a ,b ,c ∈R ,a>0,b>0)是奇函数,当x>0时,f
(x )有最小值2,其中b ∈N 且f (1)<25
(1)试求函数f (x )的解析式;
(2)问函数f (x )的图象上是否存在关于点(1,0)对称的两点,若存在,求出点的坐标;若不存在,说明理由
解:(1)∵f (x )是奇函数,
∴f (-x )=-f (x ),即c bx c bx c
bx ax c bx ax -=+⇒+-+-=++1
122
∴c =0,∵a>0,b>0,x>0,∴f (x )=bx
x b a bx ax 1
12+=+≥22
b a , 当且仅当x =a
1
时等号成立,于是22
b a =2,∴a =b 2, 由f (1)<25得b a 1+<25即b
b 12+<25,∴2b 2-5b+2<0,解得21
<b <2,又b ∈N ,
∴b =1,∴a =1,∴f (x )=x+x
1
(2)设存在一点(x 0,y 0)在y =f (x )的图象上,并且关于(1,0)的对称点(2-x 0,
-y 0)也在y =f (x )的图象上,则⎪⎪⎩
⎪⎪
⎨⎧-=-+-=+0
02
000
2021
)2(1
y x
x y x x 消去y 0得x 02
-2x 0-1=0,x 0=1±2
∴y =f (x )的图象上存在两点(1+2,22),(1-2,-22)关于(1,0)对
称
例10. 已知奇函数f (x )的定义域为R ,且f (x )在[0,+∞)上是增函数,是否存在
实数m ,使f (cos2θ-3)+f (4m -2mcos θ)>f (0)对所有θ∈[0,2π
]都成立?若存
在,求出符合条件的所有实数m 的范围,若不存在,说明理由
解:∵f (x )是R 上的奇函数,且在[0,+∞)上是增函数,∴f (x )是R 上的增函数 于是不等式可等价地转化为f (cos2θ-3)>f (2mcos θ-4m ),
即cos2θ-3>2mcos θ-4m ,即cos 2
θ-mcos θ+2m -2>0 设t =cos θ,则问题等价地转化为函数
g (t )=t 2
-mt+2m -2=(t -2m )2-4
2
m +2m -2在[0,1]上的值恒为正,又转化
为函数g (t )在[0,1]上的最小值为正
∴当2m
<0,即m<0时,g (0)=2m -2>0⇒m>1与m<0不符;
当0≤2m ≤1时,即0≤m ≤2时,g (m )=-42
m +2m -2>0
⇒4-22<m<4+22,∴4-22<m ≤2 当2
m
>1,即m>2时,g (1)=m -1>0⇒m>1 ∴m>2 综上,符合题目要求的m 的值存在,其取值范围是m>4-22
另法(仅限当m 能够解出的情况)cos 2θ-mcos θ+2m -2>0对于θ∈[0,2
π
]恒成立,
等价于m>(2-cos 2
θ)/(2-cos θ) 对于θ∈[0,2
π
]恒成立 ∵当θ∈[0,
2
π
]时,(2-cos 2θ)/(2-cos θ) ≤4-22, ∴m>4-
例11. 设a 为实数,记函数f (
x )=
的最大值为g (a )。
(1
)设t
t 的取值范围并把f (x )表示为t 的函数m (t );
(2)求g (a );
(3)求满足g (a )=g (
1
a
)的所有实数a. 解:(1)∵
t
∴要使t 有意义,必须有1+x ≥0且1-x ≥0,即-1≤x ≤1. ∵t
2
=[2,4],t ≥0 ……① ∴t
的取值范围是,
2]12
x 2
-1 ∴m (t )=a (
12t 2-1)+t =1
2
at 2+t -a ,
t ∈,2] (2)由题意知g (a )即为函数m (t )=1
2
at 2+t -a ,
t ∈2]的最大值.
注意到直线t =-1a 是抛物线m (t )=1
at 2+t -a 的对称轴,分下列情况讨论.
<1>当a>0时,函数y =m (t ), t ∈
,2]的图像是开口向上的抛物线的一段,由t =-1
a
<0知m (t )在,2]上单调递增,
∴g (
a )=m (2)=a+2.
<2>当a =0时,m (t )=t , t ∈,
2], ∴g (a )=2. <3> 当a<0时,函数y =m (t ),
t ∈
2]的图像是开口向下的抛物线的一段,
若有t =-
1a ∈[0
],即a
,则g (a )=m
. 若有t =-1a ,2),即a ∈122⎛⎤-- ⎥ ⎝⎦
,则g (a )=m (-
1a )=-a -12a . 若有t =-1a ∈()2,+∞[0],即a ∈1
(,0)2
-,则
g (a )=m (
2)=a+2.
综上有g (a )=.12,;211,;22,2a a a a a a ⎧
+>-⎪⎪
⎪
--<≤-⎨⎪⎪
≤-⎪
⎩
(3)当a>-12时,g (a )=a+2>3
2
,
当212a -
<≤-时,-a ∈12,2⎡⎫⎪⎢⎪⎣⎭
,12a -∈2,1⎛⎤ ⎥ ⎝⎦,所以12a a -≠-, g (a )=12a a -->2)21()(a a -⋅-=2.因此当a>-2
2
时,g (a ) >2.
当a>0时,1a >0,由g (a )=g (1a )知a+2=1
a
+2解得a =1.
当a<0时,a a 1
⋅=1,因此a ≤-1或1a ≤-1,从而g (a )=2或g (1a )=2.
要使g (a )=g (1a ),必须有a ≤-22或1a ≤-22,即-2≤a ≤-2
2
此时g (a )=2=g (1
a ).
综上知,满足g (a )=g (1a )的所有实数a 为:-2≤a ≤-2
2
或a =1.
【模拟试题】 (一)选择题
1. 设f (x )是(-∞,+∞)上的奇函数,f (x+2)=-f (x ),当0≤x ≤1时,f (x )=x ,则f (7 5)等于( )
A. 0.5
B. -0.5
C. 1.5
D. -1.5
2. 已知定义域为(-1,1)的奇函数y =f (x )又是减函数,且f (a -3)+f (9-a 2
)<0,则a 的取值范围是( )
A. (22,3)
B. (3,10)
C. (22,4)
D.
(-2,3)
3. 若函数f (x )=
34-x mx (x ≠43
)在定义域内恒有f [f (x )]=x ,则m 等于( )
A. -3
B. 23
C. -2
3
D. 3
4 设函数y =f (x )的图象关于直线x =1对称,在x ≤1时,f (x )=(x+1)2
-1,则x>1时f (x )等于( )
A. f (x )=(x+3)2-1 B . f (x )=(x -3)2
-1
C. f (x )=(x -3)2+1
D. f (x )=(x -1)2
-1
5. 函数4
12
)
2
1(+
-=x x
y 的值域是 ( )
A. (-∞,1)
B. [1,+∞]
C. (0,1)
D. [0,1]
6. )
28(3
12
log x x y -+=的值域是 ( )
A. y ≥-2
B. y ≤-2
C. y ∈R
D. y ≥0
(二)填空题
7. 若f (x )为奇函数,且在(0,+∞)内是增函数,又f (-3)=0,则xf (x )<0的解集为_________。
8. 如果函数f (x )在R 上为奇函数,在(-1,0)上是增函数,且f (x+2)=-f (x ),
试比较f (
31),f (3
2),f (1)的大小关系_________。
(三)解答题
9. (1)已知f (x )是一次函数,且f[f (x )]=4x -1,求f (x )的解析式;
(2)已知11664)14(2++=+x x x f ,求f (x )的解析式;
10. 若函数3
45
2+++=
kx k kx y 的定义域为R ,试求实数k 的取值范围。
11. 求下列函数的值域
(1))lg(1x
x
e e y -+-= (2)3
2322
2+++-=
x x x x y
12. 定义在(-∞,4)上的减函数f (x )满足f (m -sinx )≤f (m 21+-4
7
+cos 2x )对任意x ∈R 都成立,求实数m 的取值范围。
13. 已知函数y =f (x )=c
bx ax ++1
2 (a ,b ,c ∈R ,a>0,b>0)是奇函数,当x>0时,f (x )
有最小值2,其中b ∈N 且f (1)5
(1)试求函数f (x )的解析式;
(2)问函数f (x )图象上是否存在关于点(1,0)对称的两点,若存在,求出点的坐标;若不存在,说明理由。
14. 已知函数y =f (x )是定义在R 上的周期函数,周期T =5,函数y =f (x )(-1≤x ≤1)是奇函数,又知y =f (x )在[0,1]上是一次函数,在[1,4]上是二次函数,且在x =2时,函数取得最小值,最小值为-5。
(1)证明 f (1)+f (4)=0; (2)试求y =f (x ),x ∈[1,4]的解析式; (3)试求y =f (x )在[4,9]上的解析式。
[参考答案]
1. B
2. A
3. D
4. B
5. C
6. A
7. (-3,0)∪(0,3) 8. f (
31)<f (3
2
)<f (1) 9. (1) 31
2)(-=x x f 或f (x )=-2x+1 (2) 2
25
)(2+-+=x x x x f
10. 0≤k <
4
3 11. 解:(1)(-∞,lg5) (2)[ 32-,32+
]
2
2
2
sin 4
4sin 712cos 474sin sin 147sin cos 4
m x m x x m x x m x x ⎧
⎪-≤-≤⎧⎪+≤⎨≥-++⎪⎩⎪-+⎪⎩即
对x ∈R 恒成立 ⎪⎩
⎪⎨⎧=≥≤∴21233m m m 或
∴m ∈[
23,3]∪{2
1
} 13. 解:(1)∵f (x )是奇函数,
∴f (-x )=-f (x ),即c bx c bx c
bx ax c bx ax -=+⇒+-+-=++1122
∴c =0,∵a>0,b>0,x>0,∴f (x )=bx
x b a bx ax 1
12+=+≥22
b a , 当且仅当x =a
1
时等号成立,于是22
b a =2,∴a =b 2, 由f (1)<25得b a 1+<25即b
b 12+<25,∴2b 2-5b+2<0,解得21
<b <2,又b ∈N ,
∴b =1,∴a =1,∴f (x )=x+x
1。
(2)设存在一点(x 0,y 0)在y =f (x )的图象上,并且关于(1,0)的对称点(2-x 0,
-y 0)也在y =f (x )图象上,则⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧-=-+-=+0
02
00
2021)2(1
y x
x y x x 消去y 0得x 02-2x 0-1=0,x 0=1±2。
∴y =f (x )图象上存在两点(1+2,22),(1-2,-22)关于(1,0)对。
14. (1)证明:∵y =f (x )是以5为周期的周期函数, ∴f (4)=f (4-5)=f (-1), 又y =f (x )(-1≤x ≤1)是奇函数,∴f (1)=-f (-1)=-f (4),∴f (1)+f
(4)=0
(2)解:当x ∈[1,4]时,由题意,可设
f (x )=a (x -2)2-5(a ≠0),由f (1)+f (4)=0
得a (1-2)2-5+a (4-2)2-5=0,
解得a =2,∴f (x )=2(x -2)2-5(1≤x ≤4)
(3)解:∵y =f (x )(-1≤x ≤1)是奇函数,
∴f (0)=-f (-0),∴f (0)=0,
又y =f (x ) (0≤x ≤1)是一次函数,
∴可设f (x )=kx (0≤x ≤1),
∵f (1)=2(1-2)2-5=-3, f (1)=k ·1=k ,∴k =-3
∴当0≤x ≤1时,f (x )=-3x ,
当-1≤x <0时,f (x )=-3x ,
当4≤x ≤6时,-1≤x -5≤1,∴f (x )=f (x -5)=-3(x -5)=-3x+15, 当6<x ≤9时,
1<x -5≤4,f (x )=f (x -5)=2[(x -5)-2]2-5=2(x -7)2-5 ∴f (x )=⎩⎨
⎧≤<--≤≤+-)96( 5)7(2)64( 1532x x x x。