数学(理)一轮复习 第二章 基本初等函数、导数及其应用 第讲 导数的综合应用

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第13讲 导数的综合应用
利用导数研究函数的零点和方程根的问题
(2016·高考北京卷节选)设函数f (x )=x 3+ax 2+bx +c . (1)求曲线y =f (x )在点(0,f (0))处的切线方程;
(2)设a =b =4,若函数f (x )有三个不同零点,求c 的取值范围. 【解】 (1)由f (x )=x 3+ax 2+bx +c ,得f ′(x )=3x 2+2ax +b . 因为f (0)=c ,f ′(0)=b ,
所以曲线y =f (x )在点(0,f (0))处的切线方程为y =bx +c . (2)当a =b =4时,f (x )=x 3+4x 2+4x +c , 所以f ′(x )=3x 2+8x +4。

令f ′(x )=0,得3x 2
+8x +4=0,解得x =-2或x =-23
.
f (x )与f ′(x )在区间(-∞,+∞)上的情况如下:
x (-∞,-2) -2 (-2,-错误!)
-错误!
(-错误!,+∞)
f ′(x ) +


f (x )
c
c -
错误!
所以,当c >0且c -32
27<0时,存在x 1∈(-4,-2),x 2∈(-2,
-错误!),x 3∈(-错误!,0),使得f (x 1)=f (x 2)=f (x 3)=0.
由f(x)的单调性知,当且仅当c∈(0,错误!)时,函数f(x)=x3+4x2+4x+c有三个不同零点.
错误!
利用导数研究方程根的方法
(1)研究方程根的情况,可以通过导数研究函数的单调性、最大值、最小值、变化趋势等.
(2)根据题目要求,画出函数图象的走势规律,标明函数极(最)值的位置.
(3)通过数形结合的思想去分析问题,可以使问题的求解有一个清晰、直观的整体展现.
设函数f(x)=错误!-k ln x,k>0。

(1)求f(x)的单调区间和极值;
(2)证明:若f(x)存在零点,则f(x)在区间(1,错误!]上仅有一个零点.
(1)由f(x)=错误!-k ln x(k>0),得x>0且f′(x)=x-错误!=错误!。

由f′(x)=0,
解得x=错误!(负值舍去).
f(x)与f′(x)在区间(0,+∞)上的变化情况如下:
x(0,错误!)k(错误!,+∞)
f′(x)-0+
f(x)错误!
所以,f(x)的单调递减区间是(0,k),单调递增区间是(k,+∞).f(x)在x=错误!处取得极小值f(错误!)=错误!,f(x)无极大值.(2)证明:由(1)知,f(x)在区间(0,+∞)上的最小值为f(k)
=错误!。

因为f(x)存在零点,
所以错误!≤0,从而k≥e.
当k=e时,f(x)在区间(1,错误!)上单调递减,且f(错误!)=0,所以x=e是f(x)在区间(1,错误!]上的唯一零点.
当k>e时,f(x)在区间(1,e)上单调递减,且f(1)=错误!>0,f(错误!)=错误!<0,
所以f(x)在区间(1,e]上仅有一个零点.
综上可知,若f(x)存在零点,则f(x)在区间(1,错误!]上仅有一个零点.
利用导数研究不等式问题(高频考点)导数在不等式中的应用问题是每年高考的必考内容,且常以解答题的形式考查,难度较大.
高考对利用导数研究不等式问题的考查有以下两个命题角度:
(1)证明不等式;
(2)不等式恒成立问题.
(2016·高考全国卷丙)设函数f(x)=ln x-x+1.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)证明当x∈(1,+∞)时,1<错误!<x;
(3)设c>1,证明当x∈(0,1)时,1+(c-1)x>c x。

【解】(1)由题设,f(x)的定义域为(0,+∞),f′(x)=错误!-1,令f′(x)=0解得x=1。

当0<x<1时,f′(x)>0,f(x)单调递增;当x>1时,f′(x)
<0,f(x)单调递减.
(2)证明:由(1)知f(x)在x=1处取得最大值,最大值为f(1)=0。

所以当x≠1时,ln x<x-1。

故当x∈(1,+∞)时,ln x<x-1,ln 错误!<错误!-1,即
1<错误!<x。

(3)证明:由题设c>1,设g(x)=1+(c-1)x-c x,则g′(x)=c-1-c x ln c,令g′(x)=0,
解得x0=错误!。

当x<x0时,g′(x)>0,g(x)单调递增;当x>x0时,g′(x)<0,g(x)单调递减.
由(2)知1<错误!<c,故0<x0<1。

又g(0)=g(1)=0,故当0<x<1时,g(x)>0。

所以当x∈(0,1)时,1+(c-1)x>c x。

错误!
(1)利用导数证明不等式的方法
证明f(x)<g(x),x∈(a,b),可以构造函数F(x)=f(x)-g(x),如果F′(x)<0,则F(x)在(a,b)上是减函数,同时若F(a)≤0,由减函数的定义可知,当x∈(a,b)时,有F(x)<0,即证明f (x)<g(x).
(2)利用导数解决不等式的恒成立问题的策略
①首先要构造函数,利用导数研究函数的单调性,求出最值,进而得出相应的含参不等式,从而求出参数的取值范围.
②也可分离变量,构造函数,直接把问题转化为函数的最值问
题.
角度一证明不等式
1.已知函数f(x)=m e x-ln x-1.
(1)当m=1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;
(2)当m≥1时,证明:f(x)>1.
(1)当m=1时,f(x)=e x-ln x-1,所以f′(x)=e x-错误!。

所以f(1)=e-1,f′(1)=e-1。

所以曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y-(e-1)=(e -1)(x-1),即y=(e-1)x。

(2)证明:当m≥1时,f(x)=m e x-ln x-1≥e x-ln x-1。

要证明f(x)>1,只需证明e x-ln x-2>0。

设g(x)=e x-ln x-2,则g′(x)=e x-错误!.
设h(x)=e x-错误!,则h′(x)=e x+错误!>0,
所以函数h(x)=g′(x)=e x-错误!在(0,+∞)上单调递增.因为g′错误!=e错误!-2<0,g′(1)=e-1>0,
所以函数g′(x)=e x-错误!在(0,+∞)上有唯一零点x0,且x0∈错误!。

因为g′(x0)=0,所以e x0=错误!,即ln x0=-x0.
当x∈(0,x0)时,g′(x)<0;当x∈(x0,+∞)时,g′(x)>0。

所以当x=x0时,g(x)取得最小值g(x0).
故g(x)≥g(x0)=e x0-ln x0-2=错误!+x0-2>0.
综上可知,当m≥1时,f(x)>1。

角度二不等式恒成立问题
2.e x≥k+x在R上恒成立,则实数k的取值范围为( )
A.k≤1 B.k≥1
C.k≤-1 D.k≥-1
A 由e x≥k+x,得k≤e x-x。

令f(x)=e x-x,
所以f′(x)=e x-1.
f′(x)=0时,x=0,f′(x)<0时,x<0,f′(x)>0时,x>0.
所以f(x)在(-∞,0)上是减函数,在(0,+∞)上是增函数.所以f(x)min=f(0)=1.
所以k的取值范围为k≤1,故选A。

3.(2017·长沙模拟)已知f(x)=x ln x,g(x)=-x2+ax-3.
(1)对一切x∈(0,+∞),2f(x)≥g(x)恒成立,求实数a的取值范围;
(2)证明:对一切x∈(0,+∞),ln x>错误!-错误!恒成立.
(1)由题意知2x ln x≥-x2+ax-3对一切x∈(0,+∞)恒成立,则a≤2ln x+x+错误!,
设h(x)=2ln x+x+错误!(x>0),则h′(x)=错误!.
①当x∈(0,1)时,h′(x)<0,h(x)单调递减.
②当x∈(1,+∞)时,h′(x)>0,h(x)单调递增,所以h(x)min =h(1)=4,对一切x∈(0,+∞),2f(x)≥g(x)恒成立,所以a≤h(x)min=4,即实数a的取值范围是(-∞,4].
(2)证明:问题等价于证明x ln x>错误!-错误!(x∈(0,+∞)).
又f(x)=x ln x,f′(x)=ln x+1,
当x∈错误!时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当x∈错误!时,f′(x)>0,f(x)单调递增,
所以f(x)min=f错误!=-错误!。

设m(x)=错误!-错误!(x∈(0,+∞)),则m′(x)=错误!,易知m(x)max=m(1)=-错误!,从而对一切x∈(0,+∞),ln x>错误!-错误!恒成立.
利用导数研究生活中的优化问题
某村庄拟修建一个无盖的圆柱形蓄水池(不计厚度).设该蓄水池的底面半径为r米,高为h米,体积为V立方米.假设建造成本仅与表面积有关,侧面的建造成本为100元/平方米,底面的建造成本为160元/平方米,该蓄水池的总建造成本为12 000π元(π为圆周率).
(1)将V表示成r的函数V(r),并求该函数的定义域;
(2)讨论函数V(r)的单调性,并确定r和h为何值时该蓄水池的体积最大.
【解】(1)因为蓄水池侧面的总成本为100·2πrh=200πrh (元),底面的总成本为160πr2元,所以蓄水池的总成本为(200πrh+160πr2)元.
又根据题意200πrh+160πr2=12 000π,
所以h=错误!(300-4r2),从而
V(r)=πr2h=错误!(300r-4r3).
因为r>0,又由h〉0可得r<5错误!,
故函数V(r)的定义域为(0,53).
(2)因为V(r)=错误!(300r-4r3),
所以V′(r)=错误!(300-12r2).
令V′(r)=0,解得r1=5,r2=-5(因为r2=-5不在定义域内,舍去).
当r∈(0,5)时,V′(r)>0,故V(r)在(0,5)上为增函数;
当r∈(5,5错误!)时,V′(r)<0,故V(r)在(5,5错误!)上为减函数.
由此可知,V(r)在r=5处取得最大值,此时h=8。

即当r=5,h=8时,该蓄水池的体积最大.
错误!
(2017·临沂模拟)某商场销售某种商品的经验表明,该商品每日的销售量y(单位:千克)与销售价格x(单位:元/千克)满足关系式y=错误!+10(x-6)2,其中3〈x〈6,a为常数.已知销售价格为5元/千克时,每日可售出该商品11千克.
(1)求a的值;
(2)若该商品的成本为3元/千克,试确定销售价格x的值,使商场每日销售该商品所获得的利润最大.
(1)因为x=5时,y=11,
所以a
2
+10=11,a=2。

(2)由(1)可知,该商品每日的销售量y=错误!+10(x-6)2.所以商场每日销售该商品所获得的利润
f(x)=(x-3)错误!
=2+10(x-3)(x-6)2,3<x<6.
从而f′(x)=10
=30(x-4)(x-6).
于是,当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x(3,4)4(4,6)
f′(x
)
+0-
f(x)单调递

极大
值42
单调递

由上表可得,x=4是函数f(x)在区间(3,6)内的极大值点,也是最大值点.
所以,当x=4时,函数f(x)取得最大值,且最大值等于42.
故当销售价格为4元/千克时,商场每日销售该商品所获得的利润最大.
——函数与导数的综合问题
(本题满分12分)已知函数f(x)=ax+b
x e x,a,b∈R,且a〉0。

(1)当a=2,b=1时,求函数f(x)的极值;
(2)设g(x)=a(x-1)e x-f(x),若存在x〉1,使得g(x)
+g ′(x )=0成立,求错误!的取值范围.
(1)
(2)
(1)当a =2,b =1时,f (x )=错误!e x , 定义域为(-∞,0)∪(0,+∞),
f ′(x )=错误!e x 。

(2分)
令f ′(x )=0,得x 1=-1,x 2=错误!,(3分) 当x 变化时,f (x )与f ′(x )的变化情况如下表
x (-∞,-1) -1 (-1,0) 错误!
错误!
错误!
f ′
(x ) +
0 -
- 0 +
f (x )
极大

极小

由表知f (x )的极大值是f (-1)=1e

f (x )的极小值是f 错误!=4错误!.(6分)
(2)因为g (x )=错误!e x ,
所以g ′(x )=错误!e x .(7分) 由g (x )+g ′(x )=0得
错误!
e x +错误!e x =0,
整理得2ax3-3ax2-2bx+b=0.(8分)
存在x〉1,使得g(x)+g′(x)=0成立等价于存在x〉1,使得2ax3-3ax2-2bx+b=0成立.
因为a〉0,所以错误!=错误!。

(10分)
设u(x)=错误!(x>1),则
u′(x)=错误!。

(11分)
因为x〉1时,u′(x)〉0恒成立,所以u(x)在(1,+∞)上是增函数,
即错误!的取值范围为(-1,+∞).(12分)
(1)本题构造函数u(x)是求错误!范围问题中的一种常用方法,解题过程中尽量采用分离参数的方法,转化为求函数的值域问题.
(2)学会利用导数法求给定区间上的函数的最值问题的步骤
第一步:(求导数)求函数f(x)的导数f′(x);
第二步:(求极值)求f(x)在给定区间上的单调性和极值;
第三步:(求端点值)求f(x)在给定区间上的端点值;
第四步:(求最值)将f(x)的各极值与f(x)的端点值进行比较,确定f(x)的最大值与最小值.
1.(2017·广州市高考模拟)已知y=f(x)为R上的连续可导函数,且xf′(x)+f(x)>0,则函数g(x)=xf(x)+1(x>0)的零点个数为( )
A.0 B.1
C.0或1 D.无数个
A 因为g(x)=xf(x)+1(x>0),g′(x)=xf′(x)+f (x)>0,所以g(x)在(0,+∞)上单调递增,因为g(0)=1,y=f(x)为R上的连续可导函数,所以g(x)为(0,+∞)上的连续可导函数,g(x)>g(0)=1,所以g(x)在(0,+∞)上无零点.
2.(2017·郑州市第一次质量预测)已知函数f(x)=x+错误!,g(x)=2x+a,若∀x1∈错误!,∃x2∈,使得f(x1)≥g(x2),则实数a的取值范围是( )
A.a≤1 B.a≥1
C.a≤2 D.a≥2
A 由题意知f(x)min错误!≥g(x)min(x∈),因为f(x)min=5,g (x)min=4+a,所以5≥4+a,即a≤1,故选A.
3.已知某生产厂家的年利润y(单位:万元)与年产量x(单位:万件)的函数关系式为y=-错误!x3+81x-234,则使该生产厂家获取最大年利润的年产量为________万件.
因为y′=-x2+81,所以当x〉9时,y′<0;当0<x〈9时,y′>0.所以函数y=-错误!x3+81x-234在(9,+∞)上单调递减,在(0,9)上单调递增,所以x=9是该函数的极大值点,又该函数在(0,+∞)上只有一个极大值点,所以该函数在x=9处取得最大值.9
4.(2017·烟台模拟)设函数f(x)=ax3-3x+1(x∈R),若对于任意x∈,都有f(x)≥0成立,则实数a的值为________.
(构造法)若x=0,则不论a取何值,f(x)≥0显然成立;
当x〉0时,即x∈(0,1]时,f(x)=ax3-3x+1≥0可化为a≥3
x2-错误!.
设g(x)=错误!-错误!,
则g′(x)=错误!,
所以g(x)在区间错误!上单调递增,在区间错误!上单调递减,
因此g(x)max=g错误!=4,从而a≥4。

当x〈0时,即x∈ 4
5.(2017·张掖市第一次诊断考试)已知函数f(x)=ln x-ax(a∈R).
(1)判断f(x)的单调性;
(2)当f(x)<0在(0,+∞)上恒成立时,求a的取值范围.
(1)f′(x)=1
x-a,函数f(x)=ln x-ax的定义域为(0,+∞).
当a≤0时,f′(x)>0,此时f(x)在(0,+∞)上是增函数,
当a>0时,x∈错误!时,f′(x)>0,此时f(x)在错误!上是增函数,x∈错误!时,f′(x)<0,此时f(x)在错误!上是减函数.
综上,当a≤0时,f(x)在(0,+∞)上是增函数,当a>0时,f (x)在错误!上是增函数,在错误!上是减函数.
(2)f(x)<0在(0,+∞)上恒成立,即a>错误!在(0,+∞)上恒成立.
设g(x)=错误!,则g′(x)=错误!,
当x∈(0,e)时,g′(x)>0,g(x)为增函数,
当x∈(e,+∞)时,g′(x)<0,g(x)为减函数,
故当x=e时,g(x)取得最大值错误!,
所以a的取值范围是错误!。

6.(2017·贵州省七校第一次联考)函数f(x)=(ax2+x)e x,其中e是自然对数的底数,a∈R。

(1)当a>0时,解不等式f(x)≤0;
(2)当a=0时,求整数t的所有值,使方程f(x)=x+2在上有解.(1)因为e x>0,所以不等式f(x)≤0即为ax2+x≤0,
又因为a>0,所以不等式可化为x错误!≤0,
所以不等式f(x)≤0的解集为错误!。

(2)当a=0时,方程即为x e x=x+2,由于e x>0,所以x=0不是方程的解,
所以原方程等价于e x-错误!-1=0.
令h(x)=e x-错误!-1,因为h′(x)=e x+错误!>0对于x∈(-∞,0)∪(0,+∞)恒成立,所以h(x)在(-∞,0)和(0,+∞)内是单调递增函数,
又h(1)=e-3<0,h(2)=e2-2>0,h(-3)=e-3-错误!<0,h (-2)=e-2>0,所以方程f(x)=x+2有且只有两个实数根,且分别在区间和上,
所以整数t的所有值为{-3,1}.
7.(2017·广西第一次质量检测)设函数f(x)=c ln x+错误!x2+bx (b,c∈R,c≠0),且x=1为f(x)的极值点.
(1)若x=1为f(x)的极大值点,求f(x)的单调区间(用c表示);
(2)若f(x)=0恰有两解,求实数c的取值范围.
f′(x)=错误!+x+b=错误!,又f′(1)=0,
所以f′(x)=错误!且c≠1,b+c+1=0.
(1)因为x=1为f(x)的极大值点,所以c>1,
当0<x<1时,f′(x)>0;当1<x<c时,f′(x)<0;
当x>c时,f′(x)>0,
所以f(x)的单调递增区间为(0,1),(c,+∞);单调递减区间为(1,c).
(2)①若c<0,则f(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增,f(x)=0恰有两解,则f(1)<0,即错误!+b<0,所以-错误!<c <0;
②若0<c<1,则f(x)极大值=f(c)=c ln c+1
2
c2+bc,f(x)极小值=f (1)=错误!+b,
因为b=-1-c,则f(x)极大值=c ln c+错误!+c(-1-c)=c ln c-c -错误!<0,
f(x)极小值=-错误!-c,从而f(x)=0只有一解;
③若c>1,则f(x)极小值=c ln c+错误!+c(-1-c)=c ln c-c-错误!<0,f(x)极大值=-错误!-c,则f(x)=0只有一解.
综上,使f(x)=0恰有两解的c的取值范围为-错误!<c<0.
8.(2016·高考四川卷)设函数f(x)=ax2-a-ln x,g(x)=错误!-
错误!,其中a∈R,e=2。

718…为自然对数的底数.
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)证明:当x〉1时,g(x)〉0;
(3)确定a的所有可能取值,使得f(x)〉g(x)在区间(1,+∞)内恒成立.
(1)f′(x)=2ax-错误!=错误!(x〉0).
当a≤0时,f′(x)〈0,f(x)在(0,+∞)内单调递减.
当a〉0时,由f′(x)=0有x=错误!。

当x∈错误!时,f′(x)〈0,f(x)单调递减;
当x∈错误!时,f′(x)>0,f(x)单调递增.
(2)证明:令s(x)=e x-1-x,则s′(x)=e x-1-1。

当x〉1时,s′(x)>0,所以e x-1>x,从而g(x)=错误!-错误!〉0。

(3)由(2)知,当x>1时,g(x)>0.
当a≤0,x>1时,f(x)=a(x2-1)-ln x〈0,
故当f(x)>g(x)在区间(1,+∞)内恒成立时,必有a>0.
当0<a〈错误!时,错误!>1.
由(1)有f错误!<f(1)=0,而g错误!〉0,
所以此时f(x)〉g(x)在区间(1,+∞)内不恒成立.
当a≥错误!时,令h(x)=f(x)-g(x)(x≥1),
当x〉1时,h′(x)=2ax-错误!+错误!-e1-x>x-错误!+错误!-错误!=x3-2x+1
x2>错误!>0,
因此,h(x)在区间(1,+∞)内单调递增.
又因为h(1)=0,所以当x>1时,h(x)=f(x)-g(x)〉0,即f (x)〉g(x)恒成立.
综上,a∈错误!。

9.(2017·贵州省适应性考试)设n∈N*,函数f(x)=错误!,函数g(x)=错误!(x>0).
(1)当n=1时,求函数y=f(x)的零点个数;
(2)若函数y=f(x)与函数y=g(x)的图象分别位于直线y=1的两侧,求n的取值集合A;
(3)对于∀n∈A,∀x1,x2∈(0,+∞),求|f(x1)-g(x2)|的最小值.
(1)当n=1时,f(x)=错误!,f′(x)=错误!(x>0).
由f′(x)>0得0<x<e;由f′(x)<0得x>e.
所以函数f(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,
因为f(e)=1
e
>0,f错误!=-e<0,所以函数f(x)在(0,e)上
存在一个零点;
当x∈(e,+∞)时,f(x)=错误!>0恒成立,
所以函数f(x)在(e,+∞)上不存在零点.
综上可得函数f(x)在(0,+∞)上存在唯一一个零点.(2)对函数f(x)=错误!求导,得f′(x)=错误!(x>0),
由f′(x)>0,得0<x<e 1
n;由f′(x)<0,得x>e错误!.
所以函数f (x )在(0,e 错误!)上单调递增,在(e 错误!,+∞)上单调递减,
则当x =e 错误!时,函数f (x )有最大值f (x )max =f (e 错误!)=错误!. 对函数g (x )=e x x n (x >0)求导,得g ′(x )=错误!(x >0), 由g ′(x )>0,得x >n ;由g ′(x )<0,得0<x <n .
所以函数g (x )在(0,n )上单调递减,在(n ,+∞)上单调递增. 则当x =n 时,函数g (x )有最小值g (x )min =g (n )=错误!错误!。

因为∀n ∈N *,函数f (x )的最大值f (e 1n )=1n e
<1, 即函数f (x )=错误!在直线y =1的下方,
故函数g (x )=错误!(x >0)在直线y =1的上方,
所以g (x )min =g (n )=错误!错误!>1,解得n <e 。

所以n 的取值集合A ={1,2}.
(3)对∀x 1,x 2∈(0,+∞),|f (x 1)-g (x 2)|的最小值等价于g (x )min -f (x )max =错误!错误!-错误!。

当n =1时,g (x )min -f (x )max =e -错误!;
当n =2时,g (x )min -f (x )max =e 24
-错误!; 因为错误!-错误!=错误!>0,
所以|f (x 1)-g (x 2)|的最小值为错误!-错误!=错误!.。

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