高中数学高考复习:第二章第10讲 变化率与导数、导数的计算

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第10讲变化率与导数、导数的计算
[学生用书P45]
1.导数的概念
(1)函数y=f(x)在x=x0处的导数
称函数y=f(x)在x=x0处的瞬时变化率
lim Δx→0f(x0+Δx)-f(x0)
Δx
=lim
Δx→0
Δy
Δx
为函数y=f(x)在x=x0处的导数,
记作f′(x0)或y′| x=x
0,即f′(x0)=lim
Δx→0
Δy
Δx
=lim
Δx→0
f(x0+Δx)-f(x0)
Δx
.
(2)导数的几何意义
函数f(x)在点x0处的导数f′(x0)的几何意义是在曲线y=f(x)上点P(x0,y0)处的切线的斜率(瞬时速度就是位移函数s(t)对时间t的导数).相应地,切线方程为y-y0=f′(x0)(x-x0).
(3)函数f(x)的导函数
称函数f′(x)=lim
Δx→0f(x+Δx)-f(x)
Δx
为f(x)的导函数.
2.基本初等函数的导数公式
3.导数的运算法则
(1)[f(x)±g(x)]′=f′(x)±g′(x);
(2)[f(x)·g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x);
(3)⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤f (x )g (x )′=f ′(x )g (x )-f (x )g ′(x )[g (x )]2(g (x )≠0).
4.复合函数的导数
复合函数y =f (g (x ))的导数和函数y =f (u ),u =g (x )的导数间的关系为y x ′=y u ′·u x ′,即y 对x 的导数等于y 对u 的导数与u 对x 的导数的乘积.
1.辨明三个易误点
(1)利用公式求导时要特别注意不要将幂函数的求导公式(x n )′=nx n
-1
与指数函数的求导
公式(a x )′=a x ln a 混淆.
(2)求曲线切线时,要分清在点P 处的切线与过P 点的切线的区别,前者只有一条,而后者包括了前者.
(3)曲线的切线与曲线的交点个数不一定只有一个,这和研究直线与二次曲线相切时有差别.
2.导数运算的技巧
(1)要准确地把函数分割为基本函数的和、差、积、商及其复合运算的形式,再利用运算法则求导数;
(2)对于不具备求导法则结构形式的,要适当恒等变形,转化为较易求导的结构形式,再求导数.但必须注意变形的等价性,避免不必要的运算失误.对数函数的真数是根式或者分式时,可用对数的运算性质将真数转化为有理式或整式,然后再求解比较方便;当函数表达式含有三角函数时,可优先考虑利用三角公式进行化简后再求导.
1.教材习题改编 函数y =x cos x -sin x 的导数为( ) A .x sin x B .-x sin x C .x cos x
D .-x cos x
B [解析] y ′=x ′cos x +x (cos x )′-(sin x )′=cos x -x sin x -cos x =-x sin x .
2.(2017·豫东、豫北十所名校联考)已知f (x )=2e x sin x ,则曲线f (x )在点(0,f (0))处的切线方程为( )
A .y =0
B .y =2x
C .y =x
D .y =-2x
B [解析] 因为f (x )=2e x sin x ,所以f (0)=0,f ′(x )=2e x ·(sin x +cos x ),所以f ′(0)
=2,所以曲线f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=2x.
3.(2017·开封市第一次模拟)已知直线y=kx+1与曲线y=x3+mx+n相切于点A(1,3),则n=()
A.-1 B.1
C.3 D.4
C[解析] 对于y=x3+mx+n,y′=3x2+m,所以k=3+m,又k+1=3,1+m+n =3,可解得n=3.
4.(2016·高考天津卷)已知函数f(x)=(2x+1)e x,f′(x)为f(x)的导函数,则f′(0)的值为________.
[解析] 因为f(x)=(2x+1)e x,
所以f′(x)=2e x+(2x+1)e x=(2x+3)e x,
所以f′(0)=3e0=3.
[答案] 3
5.若曲线y=e-x上点P处的切线平行于直线2x+y+1=0,则点P的坐标是________.[解析] 设P(x0,y0),因为y=e-x,所以y′=-e-x,
所以点P处的切线斜率为k=-e-x0=-2,
所以-x0=ln 2,所以x0=-ln 2,
所以y0=e ln 2=2,所以点P的坐标为(-ln 2,2).
[答案] (-ln 2,2)
导数的计算[学生用书P46]
[典例引领]
求下列函数的导数:
(1)y=(3x2-4x)(2x+1);(2)y=x2sin x;
(3)y=3x e x-2x+e;(4)y=ln x
x2+1
;(5)y=ln(2x-5).
【解】(1)因为y=(3x2-4x)(2x+1)=6x3+3x2-8x2-4x=6x3-5x2-4x,所以y′=18x2-10x-4.
(2)y′=(x2)′sin x+x2(sin x)′=2x sin x+x2cos x.
(3)y′=(3x e x)′-(2x)′+e′=(3x)′e x+3x(e x)′-(2x)′=3x e x ln 3+3x e x-2x ln 2
=(ln 3+1)·(3e)x-2x ln 2.
(4)y′=(ln x)′(x2+1)-ln x(x2+1)′
(x2+1)2

1
x(x
2+1)-2x ln x
(x2+1)2
=x2+1-2x2ln x x(x2+1)2
.
(5)令u=2x-5,y=ln u,
则y′=(ln u)′u′=
1
2x-5
·2=
2
2x-5
,即y′=
2
2x-5
.
求下列函数的导数:
(1)y=x n e x;(2)y=
cos x
sin x;(3)y=e
x ln x;
(4)y=(1+sin x)2.
[解] (1)y′=nx n-1e x+x n e x=x n-1e x(n+x).
(2)y′=
-sin2x-cos2x
sin2x=-
1
sin2x.
(3)y′=e x ln x+e x·
1
x=e
x




1
x+ln x.
(4)y′=2(1+sin x)·(1+sin x)′=2(1+sin x)·cos x
.
导数的几何意义(高频考点)[学生用书P46] 导数的几何意义是每年高考的必考内容,考查题型既有选择题也有填空题,也常出现在解答题的第(1)问中,难度偏小.
高考对导数几何意义的考查主要有以下三个命题角度:
(1)已知切点求切线方程;
(2)已知切线方程(或斜率)求切点坐标; (3)已知切线方程求参数值.
[典例引领]
(1)(2016·高考全国卷丙)已知f (x )为偶函数,当x <0时,f (x )=ln(-x )+3x ,则曲
线y =f (x )在点(1,-3)处的切线方程是________.
(2)(2017·重庆适应性测试(二))若直线y =ax 是曲线y =2ln x +1的一条切线,则实数a =________.
【解析】 (1)由题意可得当x >0时,f (x )=1n x -3x ,则f ′(x )=1
x -3,f ′(1)=-2,则
在点(1,-3)处的切线方程为y +3=-2(x -1),即y =-2x -1.
(2)依题意,设直线y =ax 与曲线y =2ln x +1的切点的横坐标为x 0,则有y ′|x =x 0=2
x 0
,于
是有⎩⎪⎨⎪⎧a =2x 0ax 0=2ln x 0+1
,解得x 0=e ,a =2x 0
=2e -12.
【答案】 (1)y =-2x -1 (2)2e -12
(1)求曲线切线方程的步骤
①求出函数y =f (x )在点x =x 0处的导数,即曲线y =f (x )在点P (x 0,f (x 0))处切线的斜率; ②由点斜式方程求得切线方程为y -f (x 0)=f ′(x 0)·(x -x 0). (2)求曲线的切线方程需注意两点
①当曲线y =f (x )在点P (x 0,f (x 0))处的切线垂直于x 轴(此时导数不存在)时,切线方程为x =x 0;
②当切点坐标不知道时,应首先设出切点坐标,再求解.
[题点通关]
角度一 已知切点求切线方程
1.(2017·广州市五校联考)曲线y =e 12x 在点(4,e 2)处的切线与坐标轴所围三角形的面积为( )
A.9
2e 2 B .4e 2 C .2e 2
D .e 2
D [解析] 因为y ′=12e 12x ,所以k =12e 12×4=12e 2,所以切线方程为y -e 2=12e 2(x -4),令x =0,得y =-e 2,
令y =0,得x =2,所以所求面积为S =1
2×2×|-e 2|=e 2.
角度二 已知切线方程(或斜率)求切点坐标
2.(2017·郑州市第二次质量检测)曲线f (x )=x 3-x +3在点P 处的切线平行于直线y =2x -1,则P 点的坐标为( )
A .(1,3)
B .(-1,3)
C .(1,3)和(-1,3)
D .(1,-3)
C [解析] f ′(x )=3x 2-1,令f ′(x )=2,则3x 2-1=2,解得x =1或x =-1,所以P (1,3)或(-1,3),经检验,点(1,3),(-1,3)均不在直线y =2x -1上,故选C.
角度三 已知切线方程求参数值
3.曲线f (x )=e x 在x =0处的切线与曲线g (x )=ax 2-a (a ≠0)相切,则a =________,切点坐标为________.
[解析] 曲线f (x )在x =0处的切线方程为y =x +1. 设其与曲线g (x )=ax 2-a 相切于点(x 0,ax 20-a ). 则g ′(x 0)=2ax 0=1,且ax 20-a =x 0+1. 解得x 0=-1,a =-1
2,切点坐标为(-1,0).
[答案] -1
2
(-1,0)
[学生用书P47]
——导数与其他知识的交汇
抛物线y =x 2在x =1处的切线与两坐标轴围成的三角形区域为D (包含三角形内
部与边界).若点P (x ,y )是区域D 内的任意一点,则x +2y 的取值范围是________.
【解析】 由于y ′=2x ,所以抛物线在x =1处的切线方程为y -1=2(x -1),即y =2x -1.
画出可行域(如图).设x +2y =z ,则y =-12x +12z ,可知当直线y =-12x +1
2z 经过点
A ⎝⎛⎭⎫12,0,
B (0,-1)时,z 分别取到最大值和最小值,此时最大值z max =1
2
,最小值z min =-2,
故取值范围是⎣
⎡⎦⎤-2,12.
【答案】 ⎣
⎡⎦⎤-2,12
(1)本题以y =x 2在x =1处的切线问题为条件,利用导数的几何意义求得
切线方程,构造出求x +2y 的取值范围的可行域,充分体现了导数与线性规划的交汇.
(2)利用导函数的特性,在求解有关奇(偶)函数问题中,发挥出奇妙的作用. (3)导数还可以与数列、向量、解析几何等交汇.
(2017·武汉高三月考)已知曲线f (x )=x n +
1(n ∈N *)与直线x =1交于点P ,
设曲线y =f (x )在点P 处的切线与x 轴交点的横坐标为x n ,则log 2 017x 1+log 2 017x 2+…+log 2
017x 2 016的值为________.
[解析] f ′(x )=(n +1)x n ,k =f ′(1)=n +1,点P (1,1)处的切线方程为y -1=(n +1)(x -1),令y =0,得x =1-1n +1=n n +1,即x n =n
n +1
.
所以x 1·x 2·…·x 2 016=12×23×34×…×2 0152 016×2 0162 017=1
2 017.
则log 2 017x 1+log 2 017x 2+…+log 2 017x 2 016 =log 2 017(x 1·x 2·…·x 2 016)=log 2 0171
2 017
=-1. [答案] -1
[学生用书P334(独立成册)]
1.函数y =x 2cos x 在x =1处的导数是( ) A .0 B .2cos 1-sin 1 C .cos 1-sin 1
D .1
B [解析] 因为y ′=(x 2cos x )′=(x 2)′cos x +x 2(cos x )′=2x cos x -x 2sin x , 所以y ′|x =1=2cos 1-sin 1.
2.(2017·赣州高三月考)已知t 为实数,f (x )=(x 2-4)(x -t )且f ′(-1)=0,则t 等于( ) A .0 B .-1 C.12
D .2
C [解析] 依题意得,f ′(x )=2x (x -t )+(x 2-4)=3x 2-2tx -4, 所以f ′(-1)=3+2t -4=0,即t =1
2
.
3.(2017·郑州市第一次质量预测)函数f (x )=e x cos x 的图象在点(0,f (0))处的切线方程是( )
A .x +y +1=0
B .x +y -1=0
C .x -y +1=0
D .x -y -1=0
C [解析] 依题意,f (0)=e 0cos 0=1,因为f ′(x )=e x cos x -e x sin x ,所以f ′(0)=1,所以切线方程为y -1=x -0,即x -y +1=0.
4.已知函数f (x )的导函数f ′(x ),且满足关系式f (x )=x 2+3xf ′(2)+ln x ,则f ′(2)的值等于( )
A .2
B .-2 C.94
D .-94
D [解析] 由已知条件f (x )=x 2+3xf ′(2)+ln x ,知f ′(x )=2x +3f ′(2)+1
x ,令x =2,则
f ′(2)=2×2+3f ′(2)+12,即2f ′(2)=-92,所以f ′(2)=-9
4
.
5.设函数f (x )在(0,+∞)内可导,且f (e x )=x +e x ,则f ′(2 017)=( ) A .1 B .2 C.1
2 017
D.2 0182 017
D [解析] 令e x =t ,则x =ln t ,所以f (t )=ln t +t ,故f (x )=ln x +x .求导得f ′(x )=1
x +1,
故f ′(2 017)=12 017+1=2 018
2 017
.
6.设函数f (x )=a e x
ln x +b e x -
1
x
,曲线y =f (x )在点(1,f (1))处的切线方程为y =e(x -1)+2,
则a -b 的值为( )
A .-1
B .0
C .1
D .2
A [解析] 函数f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=a e x ln x +a x e x -b x 2e x -1+b x e x -
1.由题意
可得f (1)=2,f ′(1)=e.故a =1,b =2.所以a -b =-1,故选A.
7.函数y =sin x
x
的导数为________.
[解析] y ′=(sin x )′x -sin x ·x ′x 2=x cos x -sin x
x 2.
[答案]
x cos x -sin x x 2
8.(2017·武汉市调研测试)曲线f (x )=x ln x 在点M (1,f (1))处的切线方程为________. [解析] 由题意,得f ′(x )=ln x +1,所以f ′(1)=ln 1+1=1,即切线的斜率为1.因为f (1)=0,所以所求切线方程为y -0=x -1,即x -y -1=0.
[答案] x -y -1=0
9.(2017·兰州市诊断考试)已知曲线y =x 24-3ln x 的一条切线的斜率为-12,则切点的横
坐标为________.
[解析] 因为y ′=x 2-3x (x >0),所以令x 2-3x =-1
2,
解得x =2或x =-3(舍去),所以x =2. [答案] 2
10.若曲线f (x )=ax 3+ln x 存在垂直于y 轴的切线,则实数a 的取值范围是________. [解析] 由题意,可知f ′(x )=3ax 2+1x ,又存在垂直于y 轴的切线,所以3ax 2+1
x =0,即a
=-1
3x
3(x >0),故a ∈(-∞,0).
[答案] (-∞,0) 11.求下列函数的导数: (1)y =(3x 3-4x )(2x +1); (2)y =x +cos x x +sin x

(3)y =x sin ⎝⎛⎭⎫2x +π2cos ⎝⎛⎭⎫2x +π
2;
(4)y =ln (2x +3)
x 2+1
.
[解] (1)法一:因为y =(3x 3-4x )(2x +1)=6x 4+3x 3-8x 2-4x ,所以y ′=24x 3+9x 2-16x -4.
法二:y ′=(3x 3-4x )′(2x +1)+(3x 3-4x )(2x +1)′=(9x 2-4)(2x +1)+(3x 3-4x )·2=24x 3+
9x 2-16x -4.
(2)y ′=(x +cos x )′(x +sin x )-(x +cos x )(x +sin x )′
(x +sin x )2
=(1-sin x )(x +sin x )-(x +cos x )(1+cos x )
(x +sin x )2

-x cos x -x sin x +sin x -cos x -1
(x +sin x )2
.
(3)因为y =x sin ⎝⎛⎭⎫2x +π2cos ⎝⎛⎭⎫2x +π
2
=12x sin(4x +π)=-1
2x sin 4x , 所以y ′=-12sin 4x -1
2x ·4·cos 4x
=-1
2
sin 4x -2x cos 4x .
(4)y ′=[ln (2x +3)]′(x 2+1)-(x 2+1)′ln (2x +3)(x 2+1)2
=(2x +3)′
2x +3·(x 2+1)-2x ln (2x +3)
(x 2+1)2
=2(x 2+1)-2x (2x +3)ln (2x +3)(2x +3)(x 2+1)2.
12.已知函数f (x )=x 3+x -16.
(1)求曲线y =f (x )在点(2,-6)处的切线的方程;
(2)如果曲线y =f (x )的某一切线与直线y =-1
4x +3垂直,求切点坐标与切线的方程.
[解] (1)可判定点(2,-6)在曲线y =f (x )上. 因为f ′(x )=(x 3+x -16)′=3x 2+1.
所以f (x )在点(2,-6)处的切线的斜率为k =f ′(2)=13. 所以切线的方程为y =13(x -2)+(-6), 即y =13x -32.
(2)因为切线与直线y =-1
4x +3垂直,
所以切线的斜率k =4. 设切点的坐标为(x 0,y 0), 则f ′(x 0)=3x 20+1=4,所以x 0=±
1. 所以⎩
⎪⎨⎪⎧x 0=1,y 0=-14或⎩⎪⎨⎪⎧x 0=-1,
y 0=-18,
即切点坐标为(1,-14)或(-1,-18),
切线方程为y =4(x -1)-14或y =4(x +1)-18.
即y =4x -18或y =4x -14.
13.(2017·沈阳检测)已知函数y =x 2的图象在点(x 0,x 20)处的切线为l ,若l 也与函数y =ln x ,x ∈(0,1)的图象相切,则x 0必满足( )
A .0<x 0<12
B.12<x 0<1
C.22<x 0< 2
D.2<x 0< 3
D [解析] 令f (x )=x 2,f ′(x )=2x ,f (x 0)=x 20,所以直线l 的方程为y =2x 0(x -x 0)+x 20=
2x 0x -x 20,因为l 也与函数y =ln x (x ∈(0,1))的图象相切,令切点坐标为(x 1,ln x 1),y ′=1x
,所以l 的方程为y =1x 1x +ln x 1-1,这样有⎩⎪⎨⎪⎧2x 0=1x 1,1-ln x 1=x 20,
所以1+ln(2x 0)=x 20,x 0∈(1,+∞),令g (x )=x 2-ln(2x )-1,x ∈(1,+∞),所以该函数的零点就是x 0,又因为g ′(x )=2x -1x
=2x 2-1x
,所以g (x )在(1,+∞)上单调递增,又g (1)=-ln 2<0,g (2)=1-ln 22<0,g (3)=2-ln 23>0,从而2<x 0<3,选D.
14.(2017·浙江省宁波四中高三月考)给出定义:若函数f (x )在D 上可导,即f ′(x )存在,且导函数f ′(x )在D 上也可导,则称f (x )在D 上存在二阶导函数,记f ″ (x )=(f ′(x ))′.若f ″(x )<
0在D 上恒成立,则称f (x )在D 上为凸函数.以下四个函数在⎝
⎛⎭⎫0,π2上是凸函数的是________(把你认为正确的序号都填上).
①f (x )=sin x +cos x ;②f (x )=ln x -2x ;③f (x )=-x 3+2x -1;④f (x )=x e x .
[解析] ①中,f ′(x )=cos x -sin x ,f ″(x )=-sin x -cos x =-2sin ⎝⎛⎭
⎫x +π4<0在区间⎝⎛⎭⎫0,π2上恒成立;②中,f ′(x )=1x -2(x >0),f ″(x )=-1x 2<0在区间⎝
⎛⎭⎫0,π2上恒成立;③中,f ′(x )=-3x 2+2,f ″(x )=-6x 在区间⎝
⎛⎭⎫0,π2上恒小于0.故①②③为凸函数.④中,f ′(x )=e x +x e x ,f ″(x )=2e x +x e x =e x (x +2)>0在区间⎝
⎛⎭⎫0,π2上恒成立,故④中函数不是凸函数.
[答案] ①②③
15.设函数y =x 2-2x +2的图象为C 1,函数y =-x 2+ax +b 的图象为C 2,已知过C 1与C 2的一个交点的两切线互相垂直,求a +b 的值.
[解] 对于C 1:y =x 2-2x +2,有y ′=2x -2,
对于C 2:y =-x 2+ax +b ,有y ′=-2x +a ,
设C 1与C 2的一个交点为(x 0,y 0),
由题意知过交点(x 0,y 0)的两条切线互相垂直.
所以(2x 0-2)·(-2x 0+a )=-1,
即4x 20-2(a +2)x 0+2a -1=0,①
又点(x 0,y 0)在C 1与C 2上,
故有⎩
⎪⎨⎪⎧y 0=x 20-2x 0+2,y 0=-x 20+ax 0+b , ⇒2x 20-(a +2)x 0+2-b =0.②
由①②消去x 0,可得a +b =52
. 16.(2017·河北省唐山一中月考)已知函数f (x )=ax 3+3x 2-6ax -11,g (x )=3x 2+6x +12和直线m :y =kx +9,且f ′(-1)=0.
(1)求a 的值;
(2)是否存在k ,使直线m 既是曲线y =f (x )的切线,又是曲线y =g (x )的切线?如果存在,求出k 的值;如果不存在,请说明理由.
[解] (1)由已知得f ′(x )=3ax 2+6x -6a ,
因为f ′(-1)=0,所以3a -6-6a =0,所以a =-2.
(2)存在.由已知得,直线m 恒过定点(0,9),若直线m 是曲线y =g (x )的切线,则设切点为(x 0,3x 20+6x 0+12).
因为g ′(x 0)=6x 0+6,
所以切线方程为y -(3x 20+6x 0+12)=(6x 0+6)(x -x 0),
将(0,9)代入切线方程,解得x 0=±1.
当x 0=-1时,切线方程为y =9;
当x 0=1时,切线方程为y =12x +9.
由(1)知f (x )=-2x 3+3x 2+12x -11,
①由f ′(x )=0得-6x 2+6x +12=0,解得x =-1或x =2.
在x=-1处,y=f(x)的切线方程为y=-18;
在x=2处,y=f(x)的切线方程为y=9,
所以y=f(x)与y=g(x)的公切线是y=9.
②由f′(x)=12得-6x2+6x+12=12,
解得x=0或x=1.
在x=0处,y=f(x)的切线方程为y=12x-11;
在x=1处,y=f(x)的切线方程为y=12x-10,
所以y=f(x)与y=g(x)的公切线不是y=12x+9.
综上所述,y=f(x)与y=g(x)的公切线是y=9,此时k=0.。

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