2006年高考第一轮复习数学：2.3函数的单调性

2.3函数的单调性●知识梳理1.增函数、减函数的定义一般地，对于给定区间上的函数f（x），如果对于属于这个区间的任意两个自变量的值x1、x2，当x1＜x2时，都有f（x1）＜f（x2）〔或都有f（x1）＞f（x2）〕，那么就说f（x）在这个区间上是增函数（或减函数）.如果函数y=f（x）在某个区间上是增函数（或减函数），就说f（x）在这一区间上具有（严格的）单调性，这一区间叫做f（x）的单调区间.如函数是增函数则称区间为增区间，如函数为减函数则称区间为减区间.2.函数单调性可以从三个方面理解（1）图形刻画：对于给定区间上的函数f（x），函数图象如从左向右连续上升，则称函数在该区间上单调递增，函数图象如从左向右连续下降，则称函数在该区间上单调递减.（2）定性刻画：对于给定区间上的函数f（x），如函数值随自变量的增大而增大，则称函数在该区间上单调递增，如函数值随自变量的增大而减小，则称函数在该区间上单调递减.（3）定量刻画，即定义.上述三方面是我们研究函数单调性的基本途径.●点击双基1.下列函数中，在区间（0，2）上为增函数的是 A.y =－x +1 B.y =x C.y =x 2－4x +5D.y =x2答案：B2.函数y =log a （x 2＋2x －3），当x =2时，y ＞0，则此函数的单调递减区间是 A.（－∞，－3） B.（1，＋∞） C.（－∞，－1）D.（－1，＋∞）解析：当x =2时，y =log a 5＞0，∴a ＞1.由x 2＋2x －3＞0 x ＜－3或x ＞1，易见函数t ＝x 2＋2x －3在（－∞，－3）上递减，故函数y =log a （x 2＋2x －3）（其中a ＞1）也在（－∞，－3）上递减.答案：A3.（2003年北京朝阳区模拟题）函数y =log 21|x －3|的单调递减区间是__________________.解析：令u =|x －3|，则在（－∞，3）上u 为x 的减函数，在（3，+∞）上u 为x 的增函数.又∵0＜21＜1，∴在区间（3，＋∞）上，y 为x 的减函数.答案：（3，+∞） 4.有下列几个命题：①函数y =2x 2+x +1在（0，＋∞）上不是增函数；②函数y =11+x 在（－∞，－1）∪（－1，＋∞）上是减函数；③函数y =245x x -+的单调区间是［－2，+∞）；④已知f （x ）在R 上是增函数，若a +b ＞0，则有f （a ）+f （b ）＞f （－a ）+f （－b ）.其中正确命题的序号是___________________.解析：①函数y =2x 2+x +1在（0，+∞）上是增函数，∴①错；②虽然（－∞，－1）、（－1，＋∞）都是y =11+x 的单调减区间，但求并集以后就不再符合减函数定义，∴②错；③要研究函数y =245x x -+的单调区间，首先被开方数5+4x －x 2≥0，解得－1≤x ≤5，由于［－2，+∞）不是上述区间的子区间，∴③错；④∵f （x ）在R 上是增函数，且a ＞－b ，∴b ＞－a ，f （a ）＞f （－b ），f （b ）＞f （－a ），f （a ）+f （b ）＞f （－a ）+f （－b ），因此④是正确的.答案：④ ●典例剖析【例1】 如果二次函数f （x ）=x 2－（a －1）x +5在区间（21，1）上是增函数，求f （2）的取值范围.剖析：由于f （2）=22－（a －1）×2+5=－2a +11，求f （2）的取值范围就是求一次函数y =－2a +11的值域，当然就应先求其定义域.解：二次函数f （x ）在区间（21，1）上是增函数，由于其图象（抛物线）开口向上，故其对称轴x =21-a 或与直线x =21重合或位于直线x =21的左侧，于是21-a ≤21，解之得a ≤2，故f （2）≥－2×2+11=7，即f （2）≥7. 【例2】 讨论函数f （x ）=12-x ax（a ＞0）在x ∈（－1，1）上的单调性. 解：设－1＜x 1＜x 2＜1， 则f （x 1）－f （x 2）=1211-x ax －1222-x ax=)1)(1(222122121221--+--x x ax x ax ax x ax =)1)(1()1)((22212112--+-x x x x x x a .∵－1＜x 1＜x 2＜1，∴x 2－x 1＞0，x 1x 2+1＞0，（x 12－1）（x 22－1）＞0.又a ＞0，∴f （x 1）－f （x 2）＞0，函数f （x ）在（－1，1）上为减函数.【例3】 求函数y =x +x1的单调区间.剖析：求函数的单调区间（亦即判断函数的单调性），一般有三种方法： （1）图象法；（2）定义法；（3）利用已知函数的单调性.但本题图象不易作，利用y =x 与y =x1的单调性（一增一减）也难以确定，故只有用单调性定义来确定，即判断f （x 2）－f （x 1）的正负.解：首先确定定义域：{x |x ≠0}，∴在（－∞，0）和（0，+∞）两个区间上分别讨论.任取x 1、x 2∈（0，+∞）且x 1＜x 2，则f （x 2）－f （x 1）=x 2+21x －x 1－11x =（x 2－x 1）+2121x x x x -=（x 2－x 1）（1－211x x ），要确定此式的正负只要确定1－211x x 的正负即可.这样，又需要判断211x x 大于1，还是小于1.由于x 1、x 2的任意性，考虑到要将（0，+∞）分为（0，1）与（1，+∞）（这是本题的关键）.（1）当x 1、x 2∈（0，1）时，1－211x x ＜0， ∴f （x 2）－f （x 1）＜0，为减函数. （2）当x 1、x 2∈（1，+∞）时，1－211x x ＞0， ∴f （x 2）－f （x 1）＞0，为增函数.同理可求（3）当x 1、x 2∈（－1，0）时，为减函数；（4）当x 1、x 2∈（－∞，－1）时，为增函数.评述：解答本题易出现以下错误结论：f （x ）在（－1，0）∪（0，1）上是减函数，在（－∞，－1）∪（1，+∞）上是增函数，或说f （x ）在（－∞，0）∪（0，+∞）上是单调函数.排除障碍的关键是要正确理解函数的单调性概念：函数的单调性是对某个区间而言的，而不是两个或两个以上不相交区间的并.深化拓展 求函数y =x +xa（a ＞0）的单调区间. 提示：函数定义域x ≠0，可先考虑在（0，+∞）上函数的单调性，再根据奇偶性与单调性的关系得到在（－∞，0）上的单调性.答案：在（－∞，－a ］，（a ，+∞）上是增函数，在（0，a ］，（－a ，0）上是减函数.【例4】 定义在R 上的函数y =f （x ），f （0）≠0，当x ＞0时，f （x ）＞1，且对任意的a 、b ∈R ，有f （a +b ）=f （a ）·f （b ）.（1）求证：f （0）=1；（2）求证：对任意的x ∈R ，恒有f （x ）＞0； （3）求证：f （x ）是R 上的增函数；（4）若f （x ）·f （2x －x 2）＞1，求x 的取值范围. （1）证明：令a =b =0，则f （0）=f 2（0）. 又f （0）≠0，∴f （0）=1. （2）证明：当x ＜0时，－x ＞0， ∴f （0）=f （x ）·f （－x ）=1. ∴f （－x ）=)(1x f ＞0.又x ≥0时f （x ）≥1＞0， ∴x ∈R 时，恒有f （x ）＞0. （3）证明：设x 1＜x 2，则x 2－x 1＞0.∴f （x 2）=f （x 2－x 1+x 1）=f （x 2－x 1）·f （x 1）. ∵x 2－x 1＞0，∴f （x 2－x 1）＞1.又f （x 1）＞0，∴f （x 2－x 1）·f （x 1）＞f （x 1）. ∴f （x 2）＞f （x 1）.∴f （x ）是R 上的增函数.（4）解：由f （x ）·f （2x －x 2）＞1，f （0）=1得f （3x －x 2）＞f （0）.又f （x ）是R 上的增函数，∴3x －x 2＞0.∴0＜x ＜3.评述：解本题的关键是灵活应用题目条件，尤其是（3）中“f （x 2）=f ［（x 2－x 1）+x 1］”是证明单调性的关键，这里体现了向条件化归的策略.●闯关训练 夯实基础1.（2004年湖北，理7）函数f （x ）=a x +log a （x +1）在［0，1］上的最大值与最小值的和为a ，则a 的值为A. 41B.21C.2D.4解析：f （x ）是［0，1］上的增函数或减函数，故f （0）+f （1）=a ，即1+a +log a 2=a ⇔log a 2=－1，∴2=a －1⇔a =21.答案：B2.设函数f （x ）=log a |x |在（－∞，0）上单调递增，则f （a +1）与f （2）的大小关系是A.f （a +1）=f （2）B.f （a +1）＞f （2）C.f （a +1）＜f （2）D.不能确定解析：由f （x ）=⎩⎨⎧+∞∈-∞∈-),,0(,log ),0,(),(log x x x x aa 且f （x ）在（－∞，0）上单调递增，易得0＜a ＜1.∴1＜a +1＜2.又∵f （x ）是偶函数，∴f （x ）在（0，+∞）上单调递减.∴f （a +1）＞f （2）.答案：B3.函数y =log a （2－ax ）在［0，1］上是减函数，则a 的取值范围是 A.（0，1） B.（0，2） C.（1，2） D.（2，+∞）解析：题中隐含a ＞0，∴2－ax 在［0，1］上是减函数.∴y =log a u 应为增函数，且u =2－ax 在［0，1］上应恒大于零.∴⎩⎨⎧>->.02,1a a∴1＜a ＜2. 答案：C4.（文）如果函数f （x ）=x 2+2（a －1）x +2在区间（－∞，4］上是减函数，那么实数a 的取值范围是___________________.解析：对称轴x =1－a ，由1－a ≥4，得a ≤－3. 答案：a ≤－3（理）（2003年湖北省荆州市高中毕业班质量检查题）函数y =f （x ）的图象与y =2x 的图象关于直线y =x 对称，则函数y =f （4x －x 2）的递增区间是___________________.解析：先求y =2x 的反函数，为y =log 2x ，∴f （x ）=log 2x ，f （4x －x 2）=log 2（4x －x 2）.令u =4x －x 2，则u ＞0，即4x －x 2＞0.∴x ∈（0，4）.又∵u =－x 2+4x 的对称轴为x =2，且对数的底为2＞1，∴y =f （4x －x 2）的递增区间为（0，2）.答案：（0，2） 5.讨论函数f （x ）=21++x ax （a ≠21）在（－2，+∞）上的单调性.解：设x 1、x 2为区间（－2，+∞）上的任意两个值，且x 1＜x 2，则f （x 1）－f （x 2）=21212211++-++x ax x ax =)2)(2()2)(1()2)(1(211221++++-++x x x ax x ax=)2)(2()21)((2112++--x x a x x .∵x 1∈（－2，+∞），x 2∈（－2，+∞）且x 1＜x 2， ∴x 2－x 1＞0，x 1+2＞0，x 2+2＞0.∴当1－2a ＞0，即a ＜21时，f （x 1）＞f （x 2），该函数为减函数； 当1－2a ＜0，即a ＞21时，f （x 1）＜f （x 2），该函数为增函数. 培养能力6.（2003年重庆市高三毕业班诊断性试题）已知函数f （x ）=m （x +x1）的图象与函数h （x ）=41（x +x 1）+2的图象关于点A （0，1）对称.（1）求m 的值；（2）若g （x ）=f （x ）+xa4在区间（0，2］上为减函数，求实数a 的取值范围.解：（1）设P （x ，y ）为函数h （x ）图象上一点，点P 关于A 的对称点为Q （x ′，y ′），则有x ′=－x ，且y ′=2－y .∵点Q （x ′，y ′）在f （x ）=m （x +x1）上， ∴y ′=m （x ′+x'1）. 将x 、y 代入，得2－y =m （－x －x1）. 整理，得y =m （x +x 1）+2.∴m =41. （2）∵g （x ）=41（x +xa+1），设x 1、x 2∈（0，2］，且x 1＜x 2， 则g （x 1）－g （x 2）=41（x 1－x 2）·2121)1(x x a x x +-＞0对一切x 1、x 2∈（0，2］恒成立.∴x 1x 2－（1+a ）＜0对一切x 1、x 2∈（0，2］恒成立. ∴由1+a ＞x 1x 2≥4，得a ＞3.7.（2004年春季上海）已知函数f （x ）=|x －a |，g （x ）=x 2+2ax +1（a 为正常数），且函数f （x ）与g （x ）的图象在y 轴上的截距相等.（1）求a 的值；（2）求函数f （x ）+g （x ）的单调递增区间；（3）若n 为正整数，证明10f （n ）·（54）g （n ）＜4.（1）解：由题意，f （0）=g （0），|a |=1，又a ＞0，所以a =1. （2）解：f （x ）+g （x ）=|x －1|+x 2+2x +1.当x ≥1时，f （x ）+g （x ）=x 2+3x ，它在［1，+∞）上单调递增； 当x ＜1时，f （x ）+g （x ）=x 2+x +2，它在［－21，1）上单调递增. （3）证明：设c n =10f （n ）·（54）g （n ），考查数列{c n }的变化规律： 解不等式nn c c 1+＜1，由c n ＞0，上式化为 10·（54）2n +3＜1， 解得n ＞8.0lg 21-－23≈3.7.因n ∈N *，得n ≥4，于是c 1≤c 2≤c 3≤c 4.而c 4＞c 5＞c 6＞…，所以10f （n ）·（54）g （n ）≤10f （4）·（54）g （4）=103·（54）25＜4. 探究创新8.（2005年北京西城区模拟题）设a ∈R ，函数f （x ）=2e x-（ax 2+a +1），其中e 是自然对数的底数.（1）判断f （x ）在R 上的单调性；（2）当－1＜a ＜0时，求f （x ）在［1，2］上的最小值. 解：（1）由已知f '（x ）=－21e －x （ax 2+a +1）+21e －x ·2ax=21e －x （－ax 2+2ax －a －1）.因为21e －x ＞0，以下讨论函数g （x ）=－ax 2+2ax －a －1值的情况： 当a =0时，g （x ）=－1＜0，即f '（x ）＜0，所以f （x ）在R 上是减函数. 当a ＞0时，g （x ）=0的判别式Δ=4a 2－4（a 2+a ）=－4a ＜0，所以g （x ）＜0，即f '（x ）＜0，所以f （x ）在R 上是减函数.当a ＜0时，g （x ）=0有两个根x 1，2=a a a -±，并且a a a -+＜aaa --，所以在区间（－∞，aaa -+）上，g （x ）＞0，即f '（x ）＞0，f （x ）在此区间上是增函数；在区间（a a a -+，aaa --）上，g （x ）＜0，即f '（x ）＜0，f （x ）在此区间上是减函数.在区间（aaa --，+∞）上，g （x ）＞0，即f '（x ）＞0，f （x ）在此区间上是增函数.综上，当a ≥0时，f （x ）在R 上是减函数； 当a ＜0时，f （x ）在（－∞，a a a -+）上单调递增，在（a a a -+，aaa --）上单调递减，在（aaa --，+∞）上单调递增. （2）当－1＜a ＜0时，a a a -+=1+a a -＜1，a a a --=1+a-1＞2，所以在区间［1，2］上，函数f （x ）单调递减.所以函数f （x ）在区间［1，2］上的最小值为f （2）=2e215+a .评述：函数的最值和函数的单调性有紧密联系.判断较复杂函数的单调性，利用导函数的符号是基本方法.●思悟小结1.函数的单调性是对于函数定义域内的某个子区间而言的.有些函数在整个定义域内是单调的，如一次函数；而有些函数在定义域内的部分区间上是增函数而在另一部分区间上可能是减函数，如二次函数；还有的函数是非单调的，如y=2.函数单调性定义中的x1、x2有三个特征：一是同属一个单调区间；二是任意性，即x1、x2是给定区间上的任意两个值，“任意”二字绝不能丢掉，更不可随意以两个特殊值替换；三是有大小，通常规定x1＜x2.三者缺一不可.3.在解决与函数单调性有关的问题时，通常有定义法、图象法、复合函数判断法，但最基本的方法是定义法，几乎所有的与单调性有关的问题都可用定义法来解决.4.讨论函数的单调性必须在定义域内进行.●教师下载中心教学点睛1.本节的重点是函数单调性的有关概念，难点是利用概念证明或判断函数的单调性.复习本节时，老师最好引导学生总结出证明函数单调性的一般步骤：1°设值；2°作差；3°变形；4°定号；5°结论.2.教学过程中应要求学生准确理解、把握单调性定义中“任意”的含意，函数单调性的重要作用在于化归，要重视运用函数的单调性将问题化归转化，培养化归意识.3.讨论复合函数单调性的根据：设y=f（u），u=g（x），x∈［a，b］，u∈［m，n］都是单调函数，则y=f［g（x）］在［a，b］上也是单调函数.（1）若y=f（u）是［m，n］上的增函数，则y=f［g（x）］与u=g（x）的增减性相同；（2）若y=f（u）是［m，n］上的减函数，则y=f［g（x）］的增减性与u=g （x）的增减性相反.拓展题例【例1】 设函数f （x ）＝bx ax ++（a ＞b ＞0），求f （x ）的单调区间，并证明f （x ）在其单调区间上的单调性.解：函数f （x ）＝bx ax ++的定义域为（－∞，－b ）∪（－b ，＋∞）， 任取x 1、x 2∈（－∞，－b ）且x 1＜x 2， 则f （x 1）－f （x 2）＝b x a x ++11－b x a x ++22＝))(())((2112b x b x x x b a ++--. ∵a －b ＞0，x 2－x 1＞0，（x 1＋b ）（x 2＋b ）＞0， ∴f （x 1）－f （x 2）＞0，即f （x ）在（－∞，－b ）上是减函数.同理可证f （x ）在（－b ，＋∞）上也是减函数. ∴函数f （x ）=bx ax ++在（－∞，－b ）与（－b ，＋∞）上均为减函数. 【例2】 已知f （x ）是定义在［－1，1］上的奇函数，且f （1）=1，若a 、b ∈［－1，1］，a +b ≠0时，有ba b f a f ++)()(＞0.判断函数f （x ）在［－1，1］上是增函数还是减函数，并证明你的结论. 解：任取x 1、x 2∈［－1，1］，且x 1＜x 2，则－x 2∈［－1，1］.又f （x ）是奇函数，于是f （x 1）－f （x 2）=f （x 1）+f （－x 2） =)()()(2121x x x f x f -+-+·（x 1－x 2）.据已知)()()(2 121x x xf xf-+-+＞0，x1－x2＜0，∴f（x1）－f（x2）＜0，即f（x1）＜f（x2）.∴f（x）在［－1，1］上是增函数.。