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        漫談導(dǎo)數(shù)綜合題的解題策略

        2014-08-07 23:52:24林敏燕
        廣東教育·高中 2014年6期
        關(guān)鍵詞:實(shí)根增函數(shù)切線

        林敏燕+

        導(dǎo)數(shù)綜合題在高考中一般是占著最后的位置,是考生望而生畏的試題.如何從這類題中得到自己滿意的分?jǐn)?shù),是學(xué)生在高考復(fù)習(xí)中最關(guān)心的問題.本文從2014年廣州一模理科數(shù)學(xué)第21題談起,希望能對(duì)考生的復(fù)習(xí)能起一定的指導(dǎo)作用.

        先看題目:

        21. 已知函數(shù)f(x)=(x2-2x+1)ex(其中e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)).

        (1)求函數(shù)f(x)的單調(diào)區(qū)間;

        (2)定義:若函數(shù)h(x)在區(qū)間[s,t](s<t)上的取值范圍為[s,t],則稱區(qū)間[s,t]為函數(shù)h(x)的“域同區(qū)間”.試問函數(shù)f(x)在(1,+∞)上是否存在“域同區(qū)間”?若存在,求出所有符合條件的“域同區(qū)間”;若不存在,請(qǐng)說明理由.

        分析:第一問是最常規(guī)的求導(dǎo)問題,它考查了二個(gè)函數(shù)之積的導(dǎo)數(shù)公式.直接對(duì)函數(shù)求導(dǎo),令導(dǎo)數(shù)大于零,小于零,即可得到單調(diào)區(qū)間.而要注意的是,一定要說出函數(shù)f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間是什么,單調(diào)遞減區(qū)間是什么,不能說在哪個(gè)區(qū)間上單調(diào)遞增,哪個(gè)區(qū)間單調(diào)遞減,雖然意思差不多,但是題目問什么,你必須答什么,不然要被扣分.還有一點(diǎn)要注意,得到的不等式如何有二個(gè)或二個(gè)以上的區(qū)間,必須用逗號(hào)隔開,而不能并,如果寫成并的話,要被扣分.

        第二問要先理解題意,要搞明白題目需要我們做什么事情.從第一問容易知道函數(shù)在(1,+∞)上是單調(diào)遞增的,從而問題轉(zhuǎn)化為方程f(x)=x是否存在二個(gè)根.如果你無法判斷,也要把你的思路寫出來,把問題的轉(zhuǎn)化寫出來.如果做到這一點(diǎn),你就可以得到6分了.很多同學(xué)就是看到這個(gè)超越方程根本沒有辦法求解,也就放棄了.

        如果在考試中遇這一個(gè)自己根本沒有辦法解決的問題,就像這樣的超越方程不可能求解,就要從反面來考慮,是不是不存在這樣的二個(gè)根呢?可以在草稿紙上畫一畫y=f(x)和y=x的圖像,看看它們的交點(diǎn)個(gè)數(shù).從草圖中可以看出,當(dāng)x=1時(shí),y=x的圖像在y=f(x)的圖像上方,當(dāng)x=2時(shí),y=x的圖像在y=f(x)的圖像下方,從而預(yù)測(cè)方程f(x)=x只有一個(gè)大于1的實(shí)根.

        大致方向走對(duì)了,得分一般會(huì)在8分以上.有同學(xué)考慮到如果函數(shù)y=f(x)-x是單調(diào)遞增的就好了,這樣函數(shù)不可能有二個(gè)零點(diǎn)了.求導(dǎo)以后發(fā)現(xiàn),導(dǎo)數(shù)并不是恒大于零,又放棄了.其實(shí),如何堅(jiān)持做下去,也是可以找到出路的.這樣可以得到解法一.

        能不能通過變形,使一個(gè)函數(shù)為單調(diào)函數(shù)呢?試一試,你會(huì)發(fā)現(xiàn)收獲很大.如果把方程二邊同時(shí)除以x,得到一個(gè)新函數(shù):g(x)=(x+■-2)ex-1(x>1),你會(huì)發(fā)現(xiàn),這個(gè)函數(shù)是單調(diào)遞增的,得到解法二;兩邊除以ex得到g(x)=(x-1)2-xe-x(x>1),你也會(huì)發(fā)現(xiàn),這個(gè)函數(shù)是單調(diào)遞增的,得到解法三.還有很多變形,同學(xué)們還可以再試一試.

        解法一:(1)∵f(x)=(x-1)2ex,∴f ′(x)=(x2-1)ex,

        ∴ f ′(x)>0?圳x>1或x<-1; f ′(x)<0?圳-1<x<1.

        故函數(shù)f(x)單調(diào)遞增區(qū)間是(-∞,-1),(1,+∞),f(x)單調(diào)遞減區(qū)間是(-1,1).

        (2)假設(shè)[s,t]?哿(1,+∞)是“域同區(qū)間”,由于f(x)在(1,+∞)是增函數(shù),于是: f(s)=s, f(t)=t,即函數(shù)g(x)=f(x)-x在(1,+∞)有兩個(gè)不同零點(diǎn).

        下面證明:g(x)=f(x)-x在(1,+∞)至多有一個(gè)零點(diǎn).

        g′(x)=(x2-1)ex-1,g″(x)=(x2+2x-1)ex>0,

        因此g′(x)=(x2-1)ex-1在(1,+∞)是增函數(shù).

        g′(1)=-1<0,g′(2)=3e2-1>0,所以存在k∈(1,2)滿足g′(k)=0.

        (a)當(dāng)x∈(1,k)時(shí),g′(x)<0,g(x)為減函數(shù).

        因此當(dāng)x∈(1,k],g(x)<g(1)=-1<0,g(x)在(1,k]內(nèi)不存在零點(diǎn);

        (b)當(dāng)x∈(k,+∞)時(shí),g′(x)>0,g(x)為增函數(shù),至多有一個(gè)零點(diǎn),

        綜合(a)(b)可知,函數(shù)g(x)在(1,+∞)至多有一個(gè)零點(diǎn),因此假設(shè)不成立,f(x)在(1,+∞)不存在“域同區(qū)間”.

        解法二:(1)同上;

        (2)假設(shè)f(x)在(1,+∞)上存在“域同區(qū)間”,由(1)可知f(x)在(1,+∞)上增函數(shù),故有f(s)=s, f(t)=t,也就是說,方程(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根.

        由(x-1)2ex-x=0,得■-1=0.設(shè)g(x)=(x+■-2)ex-1(x>1),則有:g′(x)=■ex>0.

        故g(x)在(1,+∞)上單調(diào)遞增.所以g(x)在(1,+∞)上至多有一個(gè)零點(diǎn),與(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根矛盾,所以f(x)在(1,+∞)上不存在“域同區(qū)間”.

        解法三:(1)同上;

        (2)假設(shè)f(x)在(1,+∞)上存在“域同區(qū)間”,由(1)可知f(x)在(1,+∞)上增函數(shù),故有f(s)=s,f(t)=t,也就是說,方程(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根.

        由(x-1)2ex-x=0,得(x-1)2=xe-x.

        設(shè)g(x)=(x-1)2-xe-x(x>1),則g′(x)=(x-1)(2+e-x)>0.

        故g(x)在(1,+∞)上單調(diào)遞增.所以g(x)在(1,+∞)上至多有一個(gè)零點(diǎn),與(x-1)2ex-x=0有兩個(gè)大于1的不同實(shí)根矛盾,所以f(x)在(1,+∞)上不存在“域同區(qū)間”.

        從這次廣州一模的考試中,我們可以得到解導(dǎo)數(shù)綜合題的基本策略:(1)第一問必須做,導(dǎo)數(shù)要檢查一下,確保求導(dǎo)正確,并且要注意函數(shù)的定義域;(2)順著問題進(jìn)行解答,把題意轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)式子,高考給分是看式子給分,沒有式子,看不到你的解題過程到了哪里;(3)試著對(duì)原式進(jìn)行等價(jià)變形,可能會(huì)有收獲.變形的基本原則是求導(dǎo)可以操作,最好容易判斷正負(fù).(4)如果出現(xiàn)恒成立的參數(shù)問題,有二種思路:一是轉(zhuǎn)化為變量與參數(shù)分離;二是構(gòu)造新函數(shù),思路的基本原則是能求導(dǎo),并且能求出原函數(shù)的單調(diào)區(qū)間.

        下面給出二個(gè)高考預(yù)測(cè)題,請(qǐng)同學(xué)們?cè)囈幌?

        預(yù)測(cè)題1:已知函數(shù)f(x)=ex-■x2-x,其導(dǎo)函數(shù)為f ′(x).

        (1)求f ′(x)的最小值;

        (2)證明:對(duì)任意的x1,x2∈[0,+∞)和實(shí)數(shù)?姿1≥0,?姿2≥0且?姿1+?姿2=1,總有f(?姿1x1+?姿2x2)≤?姿1f(x1)+?姿2f(x2);

        (3) 若x1,x2,x3滿足:x1≥0,x2≥0,x3≥0且x1+x2+x3=3,求f(x1)+f(x2)+f(x3)的最小值.

        預(yù)測(cè)題2:已知函數(shù)f(x)=■x2+lnx,

        (Ⅰ)當(dāng)-2<a<2時(shí),討論函數(shù)f(x)單調(diào)性;

        (Ⅱ)當(dāng)a=1,且■<t<■時(shí),證明:曲線y=f(x)與其在點(diǎn)P(t,f(t))處的切線至少有兩個(gè)不同的公共點(diǎn).

        參考答案:

        預(yù)測(cè)題一:

        解:(1)f ′(x)=ex-x-1,f″(x)=ex-1.

        當(dāng)x∈(-∞,0)時(shí), f″(x)<0, f ′(x)單調(diào)減:當(dāng)x∈(0,+∞)時(shí), f″(x)>0,f ′(x)單調(diào)增.

        所以f ′(x)的最小值是f ′(0)=1.

        (2)設(shè)x1≤x2,構(gòu)造函數(shù)g(x)=?姿1f(x)+?姿2f(x2)-f(?姿1x+?姿2x2),x∈[0,x2].

        endprint

        g ′(x)=?姿1f ′(x)-?姿1f ′(?姿1x+?姿2x2)=?姿1[f ′(x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)]=?姿1[f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)].

        ∵f ′(x)在[0,+∞)遞增,且?姿1x+?姿2x≤?姿1x+?姿2x2,∴f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)≤0.

        即g ′(x)≤0,g (x)在[0,x2]遞減.

        ∴g (x)≥g (x2)=?姿1f (x2)+?姿2f (x2)-f (?姿1x2+?姿2x2)=0,

        所以g (x1)=?姿1f (x1)+?姿2f (x2)-f (?姿1x1+?姿2x2)≥0,

        即?姿1f (x1)+?姿2f (x2)≥f (?姿1x1+?姿2x2),當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2時(shí)等號(hào)成立.

        (3)■[ f (x1)+ f (x2) f (x3)]=■[■ f (x1)+■ f (x2)]+■ f (x3)≥■f (■) +■ f (x3)≥ f (■■+■x3)=f (■)= f (1)=e-■,

        即 f (x1)+ f (x2) +f (x3)≥3e-■,

        所以當(dāng)x1=x2=x3時(shí), f (x1)+ f (x2)+ f (x3)取得最小值3e-■.

        預(yù)測(cè)題二:

        解:(1) f (x)的定義域是(0,+∞),

        f ′(x)=■+x=■.

        當(dāng)a≥0時(shí),f ′(x)>0, f (x)單調(diào)增.

        當(dāng)a<0時(shí),f ′(x)<0?圳0<x<■;f ′(x)>0?圳x>■.

        所以當(dāng)a<0時(shí), f (x)在(0,■)遞減,在(■,+∞)遞增.

        (2)當(dāng)a=0時(shí),f (x)=■x2+lnx,f ′(x)=■+x.

        設(shè)曲線y=f(x)在P(t,f(t))處的切線方程為:y-f(t)=f ′(t)(x-t),

        則P(t,f(t))是曲線與該切線的公共點(diǎn).

        構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-f(t)-f ′(t)(x-t),

        g(4t)=8t2+ln4t-■t2-lnt-(t+■)3t=■t2+ln4-3<■×■+2-3<0,

        g(48t)=24×48t2+ln48t-■t2-lnt-(t+■)47t>24×48×■+

        ln48-1-47×■-47=24-47×■+ln48>0.

        所以存在q∈(4t,48t),滿足g(q)=0,

        即f(q)=f(t)-f ′(t)(q-t),

        故(q,f(q))是曲線與切線的另一個(gè)公共點(diǎn).

        (作者單位:華南師大附中汕尾學(xué)校)

        責(zé)任編校徐國(guó)堅(jiān)

        endprint

        g ′(x)=?姿1f ′(x)-?姿1f ′(?姿1x+?姿2x2)=?姿1[f ′(x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)]=?姿1[f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)].

        ∵f ′(x)在[0,+∞)遞增,且?姿1x+?姿2x≤?姿1x+?姿2x2,∴f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)≤0.

        即g ′(x)≤0,g (x)在[0,x2]遞減.

        ∴g (x)≥g (x2)=?姿1f (x2)+?姿2f (x2)-f (?姿1x2+?姿2x2)=0,

        所以g (x1)=?姿1f (x1)+?姿2f (x2)-f (?姿1x1+?姿2x2)≥0,

        即?姿1f (x1)+?姿2f (x2)≥f (?姿1x1+?姿2x2),當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2時(shí)等號(hào)成立.

        (3)■[ f (x1)+ f (x2) f (x3)]=■[■ f (x1)+■ f (x2)]+■ f (x3)≥■f (■) +■ f (x3)≥ f (■■+■x3)=f (■)= f (1)=e-■,

        即 f (x1)+ f (x2) +f (x3)≥3e-■,

        所以當(dāng)x1=x2=x3時(shí), f (x1)+ f (x2)+ f (x3)取得最小值3e-■.

        預(yù)測(cè)題二:

        解:(1) f (x)的定義域是(0,+∞),

        f ′(x)=■+x=■.

        當(dāng)a≥0時(shí),f ′(x)>0, f (x)單調(diào)增.

        當(dāng)a<0時(shí),f ′(x)<0?圳0<x<■;f ′(x)>0?圳x>■.

        所以當(dāng)a<0時(shí), f (x)在(0,■)遞減,在(■,+∞)遞增.

        (2)當(dāng)a=0時(shí),f (x)=■x2+lnx,f ′(x)=■+x.

        設(shè)曲線y=f(x)在P(t,f(t))處的切線方程為:y-f(t)=f ′(t)(x-t),

        則P(t,f(t))是曲線與該切線的公共點(diǎn).

        構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-f(t)-f ′(t)(x-t),

        g(4t)=8t2+ln4t-■t2-lnt-(t+■)3t=■t2+ln4-3<■×■+2-3<0,

        g(48t)=24×48t2+ln48t-■t2-lnt-(t+■)47t>24×48×■+

        ln48-1-47×■-47=24-47×■+ln48>0.

        所以存在q∈(4t,48t),滿足g(q)=0,

        即f(q)=f(t)-f ′(t)(q-t),

        故(q,f(q))是曲線與切線的另一個(gè)公共點(diǎn).

        (作者單位:華南師大附中汕尾學(xué)校)

        責(zé)任編校徐國(guó)堅(jiān)

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        g ′(x)=?姿1f ′(x)-?姿1f ′(?姿1x+?姿2x2)=?姿1[f ′(x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)]=?姿1[f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)].

        ∵f ′(x)在[0,+∞)遞增,且?姿1x+?姿2x≤?姿1x+?姿2x2,∴f ′(?姿1x+?姿2x)-f ′(?姿1x+?姿2x2)≤0.

        即g ′(x)≤0,g (x)在[0,x2]遞減.

        ∴g (x)≥g (x2)=?姿1f (x2)+?姿2f (x2)-f (?姿1x2+?姿2x2)=0,

        所以g (x1)=?姿1f (x1)+?姿2f (x2)-f (?姿1x1+?姿2x2)≥0,

        即?姿1f (x1)+?姿2f (x2)≥f (?姿1x1+?姿2x2),當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2時(shí)等號(hào)成立.

        (3)■[ f (x1)+ f (x2) f (x3)]=■[■ f (x1)+■ f (x2)]+■ f (x3)≥■f (■) +■ f (x3)≥ f (■■+■x3)=f (■)= f (1)=e-■,

        即 f (x1)+ f (x2) +f (x3)≥3e-■,

        所以當(dāng)x1=x2=x3時(shí), f (x1)+ f (x2)+ f (x3)取得最小值3e-■.

        預(yù)測(cè)題二:

        解:(1) f (x)的定義域是(0,+∞),

        f ′(x)=■+x=■.

        當(dāng)a≥0時(shí),f ′(x)>0, f (x)單調(diào)增.

        當(dāng)a<0時(shí),f ′(x)<0?圳0<x<■;f ′(x)>0?圳x>■.

        所以當(dāng)a<0時(shí), f (x)在(0,■)遞減,在(■,+∞)遞增.

        (2)當(dāng)a=0時(shí),f (x)=■x2+lnx,f ′(x)=■+x.

        設(shè)曲線y=f(x)在P(t,f(t))處的切線方程為:y-f(t)=f ′(t)(x-t),

        則P(t,f(t))是曲線與該切線的公共點(diǎn).

        構(gòu)造函數(shù)g(x)=f(x)-f(t)-f ′(t)(x-t),

        g(4t)=8t2+ln4t-■t2-lnt-(t+■)3t=■t2+ln4-3<■×■+2-3<0,

        g(48t)=24×48t2+ln48t-■t2-lnt-(t+■)47t>24×48×■+

        ln48-1-47×■-47=24-47×■+ln48>0.

        所以存在q∈(4t,48t),滿足g(q)=0,

        即f(q)=f(t)-f ′(t)(q-t),

        故(q,f(q))是曲線與切線的另一個(gè)公共點(diǎn).

        (作者單位:華南師大附中汕尾學(xué)校)

        責(zé)任編校徐國(guó)堅(jiān)

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