高考数学导数与三角函数压轴题综合归纳总结教师版
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导数与三角函数压轴题归纳总结
近几年的高考数学试题中频频出现含导数与三角函数零点问题,内容主要包括函数零点个数的确定、根据函数零点个数求参数范围、隐零点问题及零点存在性赋值理论.其形式逐渐多样化、综合化.
一、零点存在定理
例1.【2019全国Ⅰ理20】函数,为的导数.证明:
(1)在区间
存在唯一极大值点; (2)有且仅有2个零点.
【解析】(1)设()()g x f x '=,则()()()
2
11
cos ,sin 11g x x g x x x x '=-
=-+++. 当1,2x π⎛⎫∈- ⎪⎝⎭时,单调递减,而()00,02g g π⎛⎫
''>< ⎪⎝⎭
,
可得在1,2π⎛⎫
- ⎪⎝
⎭有唯一零点,设为.
则当()1,x α∈-时,()0g x '>;当,2x πα⎛⎫
∈ ⎪⎝⎭
时,.
所以在()1,α-单调递增,在,2πα⎛⎫ ⎪⎝⎭单调递减,故在1,2π⎛⎫
- ⎪⎝⎭存在唯一极大
值点,即()f x '在1,2π⎛⎫
- ⎪⎝
⎭存在唯一极大值点.
(2)()f x 的定义域为.
(i )由(1)知, ()f x '在()1,0-单调递增,而()00f '=,所以当时,
,故()f x 在单调递减,又,从而是()f x 在的唯
一零点.
()sin ln(1)f x x x =-+()f x '()f x ()f x '(1,)2
π-()f x ()g'x ()g'x α()0g'x <()g x ()g x (1,)-+∞(1,0)x ∈-()0f 'x <(1,0)-(0)=0f 0x =(1,0]-
(ii )当0,2x π⎛⎫
∈ ⎪⎝⎭
时,由(1)知,在单调递增,在单调递减,而
,02f π⎛⎫'< ⎪⎝⎭,所以存在,2πβα⎛⎫
∈ ⎪⎝⎭,使得,且当时,
;当,2x πβ⎛⎫∈ ⎪⎝⎭时,.故在单调递增,在,2πβ⎛⎫
⎪⎝⎭单调递
减.又,1ln 1022f ππ⎛⎫⎛⎫
=-+> ⎪ ⎪⎝⎭⎝
⎭,所以当时,.
从而()f x 在0,2π⎛⎤
⎥⎝⎦
没有零点.
(iii )当,2x ππ⎛⎤∈ ⎥⎝⎦时,()0f x '<,所以()f x 在,2ππ⎛⎤
⎥⎝⎦单调递减.而
()0,02f f ππ⎛⎫>< ⎪⎝⎭ ,所以()f x 在,2ππ⎛⎤
⎥⎝⎦
有唯一零点. (iv )当时,()l n 11x +>,所以<0,从而()f x 在没有零点.
综上, ()f x 有且仅有2个零点.
【变式训练1】【2020·天津南开中学月考】已知函数3()sin (),2
f x ax x a R =-∈且
在,0,2π⎡⎤
⎢⎥⎣⎦上的最大值为32π-,
(1)求函数f (x )的解析式;
(2)判断函数f (x )在(0,π)内的零点个数,并加以证明 【解析】(1)由已知得()(sin cos )f x a x x x =+对于任意的x∈(0, 2
π), 有sin cos 0x x x +>,当a=0时,f(x)=− 3
2
,不合题意; 当a<0时,x∈(0,
2π),f′(x)<0,从而f(x)在(0, 2
π
)单调递减, 又函数3
()sin 2f x ax x =- (a∈R)在[0, 2
π]上图象是连续不断的,
故函数在[0, 2
π
]上的最大值为f(0),不合题意;
()f 'x (0,)α,2απ⎛⎫ ⎪⎝⎭(0)=0f '()0f 'β=(0,)x β∈()0f 'x >()0f 'x <()f x (0,)β(0)=0f 0,2x ⎛π⎤∈ ⎥⎝⎦()0f x >(,)x ∈π+∞()f x (,)π+∞
当a>0时,x∈(0,
2π),f′(x)>0,从而f(x)在(0, 2
π
)单调递增, 又函数3
()sin 2f x ax x =-(a∈R)在[0, 2
π]上图象是连续不断的,
故函数在[0, 2π]上上的最大值为f(2π)=2πa−32=3
2π-,解得a=1,
综上所述,得3
()sin (),2
f x x x a R =-∈;
(2)函数f(x)在(0,π)内有且仅有两个零点。证明如下:
由(I)知,3()sin 2f x ax x =-从而有f(0)=− 3
2<0,f(2
π)=π−32>0,
又函数在[0,
2π]上图象是连续不断的,所以函数f(x)在(0, 2
π
)内至少存在一个零点,又由(I)知f(x)在(0, 2π)单调递增,故函数f(x)在(0, 2
π
)内仅有一个零点。
当
x∈[2π,π]时,令g(x)=f′(x)=sinx+xcosx , 由g(2π)=1>0,g(π)=−π<0,且g(x)在[2
π
,π]上的图象是连续不断的,
故存在m∈2
π
,π),使得g(m)=0.
由g′(x)=2cosx−xsinx,知x∈(2π,π)时,有g′(x)<0,从而g(x)在[2
π
,π]上单调递减。
当x∈2π,m),g(x)>g(m)=0,即f′(x)>0,从而f(x)在(2π
,m)内单调递增
故当x∈(2π,m)时,f(x)>f(π2)=π−32>0,从而(x)在(2
π
,m)内无零点;
当x∈(m,π)时,有g(x) π ,m)内单调递减。 又f(m)>0,f(π)<0且f(x)在[m,π]上的图象是连续不断的, 从而f(x)在[m,π]内有且仅有一个零点。 综上所述,函数f(x)在(0,π)内有且仅有两个零点。 【变式训练2】【2020·山东枣庄期末】已知函数()ln 2sin f x x x x =-+,()f x '为 ()f x 的导函数. (1)求证:()f x '在()0π,上存在唯一零点; (2)求证:()f x 有且仅有两个不同的零点.