一轮复习函数的单调性与最值学案

第三讲 函数的单调性与最值ZHI SHI SHU LI SHUANG JI ZI CE 知识梳理·双基自测 知识点一 函数的单调性 1．单调函数的定义增函数 减函数定义一般地，设函数f (x )的定义域为I ，如果对于定义域I 内某个区间D 上的任意两个自变量的值x 1，x 2当x 1<x 2时，都有f (x 1)<f (x 2)，那么就说函数f (x )在区间D 上是增函数当x 1<x 2时，都有f (x 1)>f (x 2)，那么就说函数f (x )在区间D 上是减函数图象描述自左向右看图象是上升的自左向右看图象是下降的如果函数y ＝f (x )在区间D 上是增函数或减函数，那么就说函数y ＝f (x )在这一区间具有(严格的)单调性，区间D 叫做函数y ＝f (x )的单调区间．知识点二 函数的最值 前提 设函数y ＝f (x )的定义域为I ，如果存在实数M 满足条件 (1)对于任意x ∈I ，都有f (x )≤M ； (2)存在x 0∈I ，使得f (x 0)＝M(1)对于任意x ∈I ，都有f (x )≥M ； (2)存在x 0∈I ，使得f (x 0)＝M结论M 为最大值 M 为最小值函数y ＝f (u )，u ＝φ(x )，在函数y ＝f [φ(x )]的定义域上，如果y ＝f (u )，u ＝φ(x )的单调性相同，则y ＝f [φ(x )]单调递增；如果y ＝f (u )，u ＝φ(x )的单调性相反，则y ＝f [φ(x )]单调递减．2．单调性定义的等价形式 设任意x 1，x 2∈[a ，b ]，x 1≠x 2. (1)若有(x 1－x 2)[f (x 1)－f (x 2)]>0或f x 1?－f ?x 2?x 1－x 2>0，则f (x )在闭区间[a ，b ]上是增函数．(2)若有(x 1－x 2)[f (x 1)－f (x 2)]<0或f ?x 1?－f ?x 2?x 1－x 2<0，则f (x )在闭区间[a ，b ]上是减函数．3．函数单调性的常用结论(1)若f (x )，g (x )均为区间A 上的增(减)函数，则f (x )＋g (x )也是区间A 上的增(减)函数． (2)若k >0，则kf (x )与f (x )单调性相同，若k <0，则kf (x )与f (x )单调性相反． (3)函数y ＝f (x )(f (x )>0)在公共定义域内与y ＝－f (x )，y ＝1f ?x ?的单调性相反． (4)函数y ＝f (x )(f (x )≥0)在公共定义域内与y ＝f ?x ?的单调性相同． 题组一 走出误区1．(多选题)下列结论不正确的是( ABCD )A ．函数y ＝f (x )在[1，＋∞)上是增函数，则函数的单调递增区间是[1，＋∞)B ．函数y ＝1x的单调递减区间是(－∞，0)∪(0，＋∞)C ．对于任意两个函数值f (x 1)、f (x 2)，当f (x 1)>f (x 2)时都有x 1>x 2，则y ＝f (x )为增函数D ．已知函数y ＝f (x )是增函数，则函数y ＝f (－x )与y ＝1f x ?都是减函数 [解析] 对于A ：单调区间是定义域的子区间，如y ＝x 在[1，＋∞)上是增函数，但它的单调递增区间是R ，而不是[1，＋∞)．对于B ．多个单调区间不能用“∪”符号连接，而应用“，”或“和”连接．对于C ．设f (x )＝⎩⎪⎨⎪⎧x x ∈[0，1]，1 x ∈?1，2?，如图．当f (x 1)>f (x 2)时都有x 1>x 2，但y ＝f (x )不是增函数． 对于D ．当f (x )＝x 时，y ＝1f ?x ?＝1x ，有两个减区间，但y ＝1x并不是减函数，而y ＝f (－x )是由y ＝f (t )与t ＝－x 复合而成是减函数．故选A 、B 、C 、D ．题组二 走进教材2．(必修1P 44AT9改编)函数y ＝(2m －1)x ＋b 在R 上是减函数，则( B ) A ．m >12B ．m <12C ．m >－12D ．m <－12[解析] 使y ＝(2m －1)x ＋b 在R 上是减函数，则2m －1<0，即m <12.3．(必修1P 32T5改编)已知f (x )＝－2x 2＋x ，x ∈[－1,3]，则其单调递减区间为[14，3]；f (x )min ＝－15.4．(必修1P 32T3改编)设定义在[－1,7]上的函数y ＝f (x )的图象如图所示，则函数y ＝f (x )在增区间为[－1,1]和[5,7].题组三 考题再现5．(2019·北京)下列函数中，在区间(0，＋∞)上单调递增的是( A ) A ．y ＝x 12 B ．y ＝2－xC ．y ＝log 12xD ．y ＝1x[解析] 对于幂函数y ＝x α，当α>0时，y ＝x α在(0，＋∞)上单调递增，当α<0时，y ＝x α在(0，＋∞)上单调递减，所以选项A 正确；选项D 中的函数y ＝1x 可转化为y ＝x －1，所以函数y ＝1x在(0，＋∞)上单调递减，故选项D 不符合题意；对于指数函数y ＝a x(a >0，且a ≠1)，当0<a <1时，y ＝a x在(－∞，＋∞)上单调递减，当a >1时，y ＝a x 在(－∞，＋∞)上单调递增，而选项B 中的函数y ＝2－x可转化为y ＝(12)x ，因此函数y ＝2－x在(0，＋∞)上单调递减，故选项B 不符合题意；对于对数函数y ＝log a x (a >0，且a ≠1)，当0<a <1时，y ＝log a x 在(0，＋∞)上单调递减，当a >1时，y ＝log a x 在(0，＋∞)上单调递增，因此选项C 中的函数y ＝log 12x 在(0，＋∞)上单调递减，故选项C 不符合题意，故选A ．6．(2015·浙江卷，10)已知函数f (x )＝⎩⎪⎨⎪⎧x ＋2x－3，x ≥1，lg?x 2＋1?，x <1，则f [f (－3)]＝0，f (x )的最小值是22－3.[解析] 由题意知，f (－3)＝1，f (1)＝0，即f [f (－3)]＝0.易得f (x )在(－∞，0)上单调递减，在(0,1)上单调递增，在(1，2)上单调递减，在(2，＋∞)上单调递增，所以f (x )min ＝min{f (0)，f (2)}＝22－3.KAO DIAN TU PO HU DONG TAN JIU 考点突破·互动探究考点一 函数的单调性考向1 函数单调性的判断与证明——自主练透例1 (1)(多选题)(2020·广东省名校联考改编)设函数f (x )在R 上为增函数，则下列结论中不正确的是( ACD )A ．y ＝|f (x )|在R 上为增函数B ．y ＝2－f (x )在R 上为减函数C ．y ＝－[f (x )]3在R 上为增函数 D ．y ＝log 12f (x )在R 上为减函数(2)已知a >0，函数f (x )＝x ＋a x(x >0)，证明：函数f (x )在(0，a ]上是减函数，在[a ，＋∞)上是增函数．[解析] (1)A 错，比如f (x )＝x 在R 上为增函数，但y ＝|f (x )|＝|x |在(0，＋∞)上为增函数，在(－∞，0)上为减函数；C 错，比如f (x )＝x 在R 上为增函数，但y ＝－[f (x )]3＝－x 3在R 上为减函数；D 错，比如f (x )＝x 在R 上为增函数，但log 12 x 在(0，＋∞)上为减函数，而在(－∞，0]上没意义．故选A 、C 、D ．(2)证明：设x 1，x 2是任意两个正数，且x 1<x 2，则f (x 1)－f (x 2)＝(x 1＋a x 1)－(x 2＋a x 2)＝x 1－x 2x 1x 2(x 1x 2－a )． 当0<x 1<x 2≤a 时，0<x 1x 2<a ，又x 1－x 2<0， 所以f (x 1)－f (x 2)>0，即f (x 1)>f (x 2)． 所以函数f (x )在(0，a ]上是减函数； 当a ≤x 1<x 2时，x 1x 2>a ，又x 1－x 2<0， 所以f (x 1)－f (x 2)<0，即f (x 1)<f (x 2)． 所以函数f (x )在[a ，＋∞)上是增函数． 考向2 求函数的单调区间——师生共研例2 求下列函数的单调区间． (1)f (x )＝－x 2＋2|x |＋3； (2)f (x )＝log 12 (－x 2＋4x ＋5)；(3)f (x )＝x －ln x .[分析] (1)可用图象法或化为分段函数或用化为复合函数求解； (2)复合函数求解； (3)导数法．[解析] (1)解法一：(图象法)∵f (x )＝⎩⎪⎨⎪⎧－x 2＋2x ＋3?x ≥0?，－x 2－2x ＋3?x <0?，其图象如图所示，所以函数y ＝f (x )的单调递增区间为(－∞，－1]和[0,1]；单调递减区间为[－1,0]和[1，＋∞)．解法二：(化为分段函数求解)f (x )＝⎩⎪⎨⎪⎧－x 2＋2x ＋3?x ≥0?－x 2－2x ＋3?x <0?＝⎩⎪⎨⎪⎧－?x －1?2＋4?x ≥0?－?x ＋1?2＋4?x <0?y ＝－(x －1)2＋4(x ≥0)图象开口向下，对称轴为x ＝1，∴增区间为(0,1)，减区间为(1，＋∞)； y ＝－(x ＋1)2＋4(x <0)图象开口向下，对称轴为x ＝－1，∴增区间为(－∞，－1)，减区间为(－1,0)；∴f (x )的增区间为(0,1)、(－∞，－1)，减区间为(1，＋∞)、(－1,0)．解法三：(复合函数法)函数由y ＝－u 2＋2u ＋3(u ≥0)和u ＝|x |复合而成，y ＝－u 2＋2u ＋3(u ≥0)的对称轴为u ＝1，由|x |＝1得x ＝±1.x (－∞，－1) (－1,0) (0,1) (1，＋∞) u (1，＋∞)(0,1)(0,1)(1，＋∞)u ＝|x | y ＝－u 2＋2u ＋3f (x )∴f (x )在增区间为(－∞，－1)，(0,1)，减区间为(－1,0)，(1，＋∞)．(2)由－x 2＋4x ＋5>0得－1<x <5.令u ＝－x 2＋4x ＋5，x ∈(－1,5)，则f (x )＝log 12 u .∵x ∈(－1,2]，u 为增函数；x ∈(2,5)时，u 为减函数．又y ＝log 12 u 在(0，＋∞)上为减函数，据复合函数“同增异减”的性质知f (x )的单调递增区间为(2,5)；单调递减区间为(－1,2]．(3)由题意，得x 0.y0.y ′＝1－1x ＝x －1x.x (0,1) 1 (1，＋∞)y ′ －0 ＋ y极小值由上表可知，函数的单调递增区间为(1，＋∞)，单调递减区间为(0,1)． [引申1]本例(1)f (x )＝|－x 2＋2x ＋3|的增区间为(－1,1)和(3，＋∞).[解析] 作出f (x )＝|－x 2＋2x ＋3|的图象，由图可知所示增区间为(－1,1)和(3，＋∞)．[引申2]本例(2)f (x )＝log a (－x 2＋4x ＋5)(a >1)的增区间为(－1,2].名师点拨 ?求函数的单调区间(确定函数单调性)的方法(1)利用已知函数的单调性，即转化为已知单调性的函数的和、差或复合函数，再求单调区间． (2)定义法：先求定义域，再利用单调性定义求解．(3)图象法：如果f (x )是以图象形式给出的，或者f (x )的图象易作出，可由图象直接写出它的单调区间．(4)导数法：利用导数取值的正负确定函数的单调区间．(5)求复合函数的单调区间的一般步骤是：①求函数的定义域；②求简单函数的单调区间；③求复合函数的单调区间，依据是“同增异减”．注意：(1)求函数单调区间，定义域优先．(2)单调区间只能用区间表示，不能用集合或不等式表示；如有多个单调区间应分别写，不能用并集符号“∪”连接，也不能用“或”连接．〔变式训练1〕(1)f (x )＝x1－x在( C )A ．(－∞，1)∪(1，＋∞)上是增函数B ．(－∞，1)∪(1，＋∞)上是减函数C ．(－∞，1)和(1，＋∞)上是增函数D ．(－∞，1)和(1，＋∞)上是减函数(2)下列函数中，满足“?x 1，x 2∈(0，＋∞)且x 1≠x 2，(x 1－x 2)·[f (x 1)－f (x 2)]<0”的是( C ) A ．f (x )＝2xB ．f (x )＝|x －1|C ．f (x )＝1x－xD ．f (x )＝ln(x ＋1)(3)函数f (x )＝(a －1)x ＋2在R 上单调递增，则函数g (x )＝a |x －2|的单调递减区间是(－∞，2].(4)函数y ＝f (x )(x ∈R )的图象如图所示，则函数g (x )＝f (log a x )(0<a <1)的单调减区间是( B )A ．[0，12]B ．[a ，1]C ．(－∞，0)∪[12，＋∞)D ．[a ，a ＋1][解析] (1)f (x )＝x －1＋11－x ＝11－x －1＝－1x －1－1，f (x )在(－∞，1)和(1，＋∞)上都为增函数，故选C ．(2)由已知得f (x )在(0，＋∞)上为减函数的是f (x )＝1x－x ，故选C ．(3)由已知得a －1>0，∴a >1，∴g (x )＝a|x －2|减区间为g ＝|x －2|减区间，(－∞，2]，故填(－∞，2]．(4)设g (x )＝f (t )，t ＝log a x (0<a <1)，由图象知，y ＝f (t )的增区间为[0，12]，即0≤log a x ≤12，∴a≤x ≤1.故选B ．考向3 函数单调性的应用——多维探究 角度1 利用函数的单调性比较大小例3 已知函数f (x )的图象关于直线x ＝1对称，当x 2>x 1>1时，[f (x 2)－f (x 1)](x 2－x 1)<0恒成立，设a ＝f (－12)，b ＝f (2)，c ＝f (e)，则a ，b ，c 的大小关系为( D )A ．c >a >bB ．c >b >aC ．a >c >bD ．b >a >c[解析] 由已知得f (x )在(1，＋∞)上单调递减，又f (－12)＝f (52)，∵e>52>2，∴f (e)<f (52)<f (2)，即c <a <b .故选D ．角度2 利用单调性求参数的取值范围例4 (1)(2020·江西赣州南康中学高三上第三次月考)若f (x )＝lg(x 2－2ax ＋1＋a )在区间(－∞，1]上单调递减，则a 的取值范围为( A )A ．[1,2)B ．[1,2]C ．[1，＋∞)D ．[2，＋∞)(2)(2020·广东汕头湖南区第一次模拟)如果函数g (x )＝⎩⎪⎨⎪⎧2m －1?x ＋34，x ≥1，m x ，x <1在R 上单调递减，那么实数m 的取值范围为(0，14].[解析] (1)令u ＝x 2－2ax ＋1＋a ，则f (u )＝lg u ，配方得u ＝x 2－2ax ＋1＋a ＝(x －a )2－a 2＋a ＋1，故对称轴为直线x ＝a ，如图．由图象可知，当a ≥1时，u ＝x 2－2ax ＋1＋a 在区间(－∞，1]上单调递减．又真数x 2－2ax ＋1＋a >0，二次函数u ＝x 2－2ax ＋1＋a 在(－∞，1]上单调递减，故只需当x ＝1时，x 2－2ax ＋1＋a >0，代入x ＝1解得a <2，所以a 的取值范围是[1,2)．故选A ．(2)若g (x )为减函数，必有⎩⎪⎨⎪⎧2m －1<0，0<m <1，2m －1?＋34≤m ，解得0<m ≤14，即m 的取值范围为(0，14]．角度3 利用单调性解不等式例5 (2017·全国卷Ⅰ)函数f (x )在(－∞，＋∞)单调递减，且为奇函数．若f (1)＝－1，则满足－1≤f (x －2)≤1的x 的取值范围是( D )A ．[－2,2]B ．[－1,1]C ．[0,4]D ．[1,3][解析] 因为f (1)＝－1，且f (x )为奇函数，所以f (－1)＝－f (1)＝1，因为－1≤f (x －2)≤1，所以f (1)≤f (x －2)≤f (－1)，又f (x )在(－∞，＋∞)上单调递减，所以－1≤x －2≤1，解得1≤x ≤3，故选D ．名师点拨 ?函数单调性应用问题的常见类型及解题策略(1)比较函数值的大小，应将自变量转化到同一个单调区间内，然后利用函数的单调性解决． (2)利用单调性求参数时，通常要把参数视为已知数，依据函数的图象或单调性定义，确定函数的单调区间，与已知单调区间比较，利用区间端点间关系求参数．求解时注意函数定义域的限制，遇分段函数注意分点处左、右端点函数值的大小关系．(3)解不等式．在求解与抽象函数有关的不等式时，往往是利用函数的单调性将“f ”符号脱掉，使其转化为具体的不等式求解．此时应特别注意函数的定义域．〔变式训练2〕(1)(角度1)e 416，e 525，e636(其中e 为自然常数)的大小关系是( A )A ．e 416<e 525<e 636 B ．e 636<e 525<e 416 C ．e 525<e 416<e 636D ．e 636<e 416<e 525(2)(角度2)(2020·云南曲靖一中高三质量监测)已知函数f (x )对?x 1，x 2∈R ，且x 1≠x 2，满足f ?x 2?－f ?x 1?x 1－x 2<0，并且f (x )的图象经过A (3,7)，B (－1,1)两点，则不等式|f (x )－4|<3的解集是(－1,3).(3)(角度3)设函数f (x )＝⎩⎪⎨⎪⎧－x 2＋4x ，x ≤4，log 2x ，x >4，若函数y ＝f (x )在区间(a ，a ＋1)上单调递增，则实数a 的取值范围是( D )A ．(－∞，1]B ．[1,4]C ．[4，＋∞)D ．(－∞，1]∪[4，＋∞)[解析] (1)构造函数f (x )＝exx2.因为e 416＝e 442，e 525＝e 552，e 636＝e 662，所以f (4)＝e 416，f (5)＝e 525，f (6)＝e636.而f ′(x )＝(e xx 2)′＝e x·x 2－e x ·2x x 4＝e x ?x 2－2x ?x4， 令f ′(x )>0，得x <0或x >2， 即函数f (x )在(2，＋∞)内单调递增， 因此有f (4)<f (5)<f (6)，即e 416<e 525<e 636.(2)∵对?x 1，x 2∈R ，且x 1≠x 2，函数f (x )满足f ?x 2?－f ?x 1?x 1－x 2<0，∴f (x )在R 上为增函数．由|f (x )－4|<3得－3<f (x )－4<3，∴1<f (x )<7.又f (x )的图象经过A (3,7)，B (－1,1)两点，∴f (－1)<f (x )<f (3)，∴－1<x <3，故不等式的解集为(－1,3)．(3)画出函数f (x )的图象如图，由函数f (x )的图象可知f (x )在(a ，a ＋1)上单调递增，需满足a ≥4或a ＋1≤2，解得a ≤1或a ≥4，即a 的取值范围为(－∞，1]∪[4，＋∞)．故选D ．考点二 函数的最值——自主练透例6 (1)(2020·厦门质检)函数f (x )＝(13)x－log 2(x ＋2)在区间[－1,1]上有最大值为3.(2)(2020·广东广州执信中学高三上测试)已知函数f (x )＝log a (x 2＋x －1)在区间[1,2]上的最大值比最小值大2，则a 的值为( D )A ．2B ． 5C ．55D ．5或55[解析] (1)∵y ＝(13)x 和y ＝－log 2(x ＋2)都是[－1,1]上的减函数，∴y ＝(13)x－log 2(x ＋2)是在区间[－1,1]上的减函数，∴最大值为f (－1)＝3.(2)因为y ＝x 2＋x －1在[1,2]上单调递增，所以函数f (x )＝log a (x 2＋x －1)在区间[1,2]上的最大值与最小值分别是f (1)，f (2)或f (2)，f (1)．因为函数f (x )＝log a (x 2＋x －1)在区间[1,2]上的最大值比最小值大2，所以|f (1)－f (2)|＝2，即|log a 5|＝2，得a ＝5或a ＝55.故选D ． 名师点拨 ?利用单调性求最值，应先确定函数的单调性，然后根据性质求解．若函数f (x )在闭区间[a ，b ]上是增函数，则f (x )在[a ，b ]上的最大值为f (b )，最小值为f (a )．若函数f (x )在闭区间[a ，b ]上是减函数，则f (x )在[a ，b ]上的最大值为f (a )，最小值为f (b )．MING SHI JIANG TAN SU YANG TI SHENG 名师讲坛·素养提升抽象函数的单调性问题例7 已知定义在R 上的函数f (x )对任意实数x ，y ，恒有f (x )＋f (y )＝f (x ＋y )，f (1)＝－23，且当x >0时，f (x )<0.(1)求证：f (x )为奇函数； (2)求证：f (x )在R 上是减函数；(3)求f (x )在[－3,6]上的最大值与最小值．[解析] (1)证明：令x ＝y ＝0，可得f (0)＋f (0)＝f (0＋0)＝f (0)，从而f (0)＝0. 令y ＝－x ，可得f (x )＋f (－x )＝f (x －x )＝f (0)＝0， 即f (－x )＝－f (x )，故f (x )为奇函数．(2)证明：对任意x 1，x 2∈R ，不妨设x 1>x 2，则x 1－x 2>0，于是f (x 1－x 2)<0，从而f (x 1)－f (x 2)＝f [(x 1－x 2)＋x 2]－f (x 2)＝f (x 1－x 2)＋f (x 2)－f (x 2)＝f (x 1－x 2)<0， 所以f (x )在R 上是减函数．(3)由(2)知，所求函数在[－3,6]上的最大值为f (－3)，最小值为f (6)． 因为f (－3)＝－f (3)＝－[f (2)＋f (1)]＝－[2f (1)＋f (1)]＝－3f (1)＝2，f (6)＝－f (－6)＝－[f (－3)＋f (－3)]＝－4.所以f (x )在[－3,6]上的最大值为2，最小值为－4. 名师点拨 ?对于抽象函数单调性的判断仍然要紧扣单调性的定义，结合题目所给性质和相应的条件，对任意x 1，x 2在所给区间内比较f (x 1)－f (x 2)与0的大小，或f ?x 1?f ?x 2?与1的大小．有时根据需要，需作适当的变形，如x 1＝x 2＋x 1－x 2或x 1＝x 2·x 1x 2等．深挖已知条件，是求解此类题的关键．在客观题的求解中，解这类题目也可考虑用特殊化方法，如本题可依题目条件取f (x )＝－23x .〔变式训练3〕f (x )的定义域为(0，＋∞)，且对一切x >0，y >0都有f (x y)＝f (x )－f (y )，当x >1时，有f (x )>0. (1)求f (1)的值；(2)判断f (x )的单调性并证明；11/11 (3)若f (6)＝1，解不等式f (x ＋5)－f (1x)<2. [解析] (1)f (1)＝f (x x )＝f (x )－f (x )＝0.(2)f (x )在(0，＋∞)上是增函数．证明：设0<x 1<x 2，则由f (x y )＝f (x )－f (y )，得f (x 2)－f (x 1)＝f (x 2x 1)，因为x 2x 1>1，所以f (x 2x 1)>0.所以f (x 2)－f (x 1)>0，即f (x )在(0，＋∞)上是增函数．(3)因为f (6)＝f (366)＝f (36)－f (6)，又f (6)＝1，所以f (36)＝2，原不等式化为：f (x 2＋5x )<f (36)，又因为f (x )在(0，＋∞)上是增函数，所以⎩⎪⎨⎪⎧ x ＋5>0，1x >0，x 2＋5x <36，解得0<x <4.∴不等式的解集为{x |0<x <4}．。