前言
常规思路
给定函数,用导数法求数字系数的函数极值的步骤:
①确定函数的定义域;
②求导数(f'(x));
③解方程(f'(x)=0),求出在函数定义域内的所有根;
④列表检验(f'(x))在(f'(x)=0)的根(x_0)左右两侧值的符号.
⑤由表格得到极值和极值点;
用导数法求字母系数的函数极值的步骤:
需要分类讨论;每一种情形都对应上述的求解步骤;
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1、零点和极值点;
有两个极值点求参
【法1】:函数(f'(x)=lnx+1-ae^x=0)有两个变号零点,
即函数(g(x)=lnx+1(x>0))与函数(h(x)=ae^x(x>0))有两个不同的交点;
仿上题的法1,求得两条曲线相切时的(a=cfrac{1}{e}),
结合图像可知,要使两个函数有两个不同的交点,
则有(0< a <cfrac{1}{e}),故选A。
【法2】:函数(f'(x)=lnx+1-ae^x=0)有两个变号零点,
分离参数得到,(a=cfrac{lnx+1}{e^x}),
仿上例法2,求得(0< a <cfrac{1}{e}),故选A。
法1:函数(f(x)=x(lnx-ax))有两个极值点,即导函数(f'(x)=lnx+1-2ax)有两个变号零点,
即方程(lnx=2ax-1)有两个不同实数根,即函数(y=lnx)与函数(y=2ax-1)有两个不同的交点,作出图像如右图;
设恒过定点的函数(y=2ax-1)与函数(y=lnx)相切于点((x_0,y_0)),
则(egin{cases}2a=cfrac{1}{x_0}\y_0=2ax_0-1\y_0=lnx_0end{cases}),
解得(x_0=1,y_0=0),即切点为((1,0)),此时直线的斜率为(k=1),
由图像可知,要使函数(y=lnx)与函数(y=2ax-1)有两个不同的交点,
则(0<2a<1),即(ain(0,cfrac{1}{2})),故选B.
法2:转化为导函数(f'(x)=lnx+1-2ax)有两个变号零点,
分离参数得到,方程(2a=cfrac{lnx+1}{x})有两个不同的实根,
令(g(x)=cfrac{lnx+1}{x}),定义域为(x>0),(g'(x)=cfrac{-lnx}{x^2}),
则(xin(0,1))时,(g'(x)>0),函数(g(x))单调递增,
(xin(1,+infty))时,(g'(x)<0),函数(g(x))单调递减,
故(g(x)_{max}=g(1)=1),
作出函数(y=g(x))和(y=2a)的图像于同一个坐标系中,
则得到(0<2a<1),即(ain(0,cfrac{1}{2})),故选(B).
分析:函数(f(x))有两个极值点,则方程(f'(x)=0)有两个不同实根,且是变号实根;
即(f'(x)=2(a+1)e^{2x}-2e^x+(a-1)=0)有两个不同实根,令(e^x=t>0),
则方程(2(a+1)t^2-2t+(a-1)=0)有两个不同的正实根,
则其必然满足(left{egin{array}{l}{Delta=4-4 imes2(a^2-1)>0}\{-cfrac{-2}{2 imes 2(a+1)}>0}\{cfrac{a-1}{2(a+1)}>0}end{array} ight.),解得(left{egin{array}{l}{-cfrac{sqrt{6}}{2}<a<cfrac{sqrt{6}}{2}}\{a>1}\{a<-1或a>1}end{array} ight.),
则(1<a<cfrac{sqrt{6}}{2})。故选(B)。
分析:同于上例2的不完全分离参数法,可以求得函数(f(x))有两个极值点时的条件是(0< a <cfrac{1}{2}),
再者,由两个函数(y=lnx)和(y=2ax-1)有两个交点的图像,可以直观得到(x_1< 1 < x_2),
且由(f'(x)=lnx-2ax+1=lnx-(2ax-1)),以及图像可知,(f'(x) >0)在((x_1,x_2))上恒成立,
故(f(x))在((x_1,x_2))上单调递增,则有(f(x_1)< f(1) =-a <0),(f(x_2) > f(1) =-a >-cfrac{1}{2}),
故选(D)。
【分析】先将题目转化为导函数(y=f'(x))有两个变号零点,再利用导函数的分子函数即二次函数有两个正值的变号零点解答;
【解答】定义域为((0,+∞)),原函数有两个不相等的正的极值点,则导函数(y=f'(x))有两个正值变号零点,
(f'(x)=cfrac{2-a}{x}+x-2a=cfrac{x^2-2ax+2-a}{x}),
令(g(x)=x^2-2ax+2-a),则需要(left{egin{array}{l}{△>0}\{-cfrac{-2a}{2}>0}\{g(0)>0}end{array} ight.),
即(left{egin{array}{l}{a<-2,a>1}\{a>0}\{a<2}end{array} ight.), 即得到(1<a<2)。
提示:仿照上述例4求解,(ain (0,1));
存在极值点求参
(1).若曲线(y=f(x))在点((2,f(2)))处的切线斜率为(0),求(a);
分析:(f'(x)=[ax^2-(a+1)x+1]e^x),
(f'(2)=(2a-1)e^x),由(f'(2)=0),解得(a=cfrac{1}{2}),
经检验,(a=cfrac{1}{2})满足题意;
(2).若函数(f(x))在(x=1)处取得极小值,求(a)的取值范围;
法1:为什么想到分类讨论和求导?[1]
由(1)知,(f'(x)=[ax^2-(a+1)x+1]e^x=(ax-1)(x-1)e^x),
用(y=(ax-1)(x-1))说明;首先讨论最简单的情形,
当(a=0)时,(xin (-infty,1))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;(xin (1,+infty))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减;
在(x=1)处取到极大值,不符合题意,舍去;
当(a<0)时,令(f'(x)=0),得到(x=1)或(x=cfrac{1}{a}),且有(cfrac{1}{a}<0<1)
(xin (-infty,cfrac{1}{a}))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减;(xin (cfrac{1}{a},1))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;(xin (cfrac{1}{a},+infty))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减;
在(x=1)处取到极大值,不符合题意,舍去;
当(0<cfrac{1}{a}<1)时,即(a>1),则当(xin (-infty,cfrac{1}{a}))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;当(xin (cfrac{1}{a},1))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减;当(xin (1,+infty))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;则(f(x))在(x=1)处取得极小值;符合题意;
当(cfrac{1}{a}=1)时,即(a=1),则(f'(x)=(x-1)^2e^xgeqslant 0)恒成立,(f(x))在(xin (-infty,+infty))上单调递增,此时无极值,不符题意;
当(cfrac{1}{a}>1)时,即(0<a<1),则当(xin (-infty,1))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;当(xin (1,cfrac{1}{a}))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减;当(xin (cfrac{1}{a},+infty))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;此时则(f(x))在(x=1)处取得极大值;不符合题意;
综上可知,(a)的取值范围为((1,+infty));
法2:如果只考虑(x=1)的极值的情形,不计其余,也可简解如下,
由于函数(f(x))在(x=1)处取得极小值,且(f'(x)=[ax^2-(a+1)x+1]e^x=(ax-1)(x-1)e^x),以及(e^x>0)恒成立,
则需要导函数(f'(x))的图像满足(f'(1)=0),且导函数在(x=1)处的值满足左负右正;
令(g(x)=(ax-1)(x-1)),故只需要(a>0),且(cfrac{1}{a}<1),解得(a>1),
故(a)的取值范围为((1,+infty));
分析:定义域为((0,+infty)),(f'(x)=-cfrac{lnx}{x^2})
当(xin (0,1))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增,
当(xin (1,+infty))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减,
故(x=1)为函数的极大值点,且是唯一极值点;
故必满足(0<a<1<a+cfrac{1}{2}),即(ain (cfrac{1}{2},1));
分析:函数(f(x))在区间((cfrac{1}{2},3))上有极值点,等价于(f'(x)=0)有(2)个不相等实根且在区间((cfrac{1}{2},3))内有根,
由(f'(x)=0)有(2)个不相等实根,则由(Delta >0),得到(a<-2)或(a>2);
由(f'(x)=0)在区间((cfrac{1}{2},3))内有根,即(a=x+cfrac{1}{x})在区间((cfrac{1}{2},3))内有根,
又(x+cfrac{1}{x}in [2,cfrac{10}{3})),则(2leqslant a<cfrac{10}{3}),
综上,(a)的取值范围是(ain (2,cfrac{10}{3})),故选(C);
分析:(f'(x)=e^x+a),由于函数(f(x)=e^x+ax)有大于零的极值点,
则(f'(x)=e^x+a=0)有大于零的解,即(a=-e^x)在(x>0)上有解,
即(a)的取值范围为函数(y=-e^x(x>0))的值域;
而函数(y=-e^x(x>0))的值域为((-infty,-1)),则(a<-1),故选(A)。
分析:定义域为((0,+infty)),由于(f'(x)=4x-cfrac{1}{x}),令(f'(x)=0),解得(x=cfrac{1}{2})为极小值点,也是最小值点,
则由(left{egin{array}{l}{k-1geqslant 0,定义域}\{k-1<cfrac{1}{2}<k+1}end{array} ight.),解得(kin [1,cfrac{3}{2}));
(1)当(kleq 0)时,求函数(f(x))的单调区间;
分析:函数的定义域为((0,+infty)),
(f'(x)=cfrac{e^xcdot x^2-e^xcdot 2x}{x^4}-k(-cfrac{2}{x^2}+cfrac{1}{x}))
(=cfrac{e^x(x-2)}{x^3}-cfrac{kx(x-2)}{x^3}=cfrac{(x-2)(e^x-kx)}{x^3})
【将上述分式看成三个部分,(y=x-2)和(y=e^x-kx)和(y=x^3),每一个部分的正负必然会影响和决定整体的正负】
注意到(x^3>0),当(kleq 0)时,(e^x-kx>0),故我们只需要借助(y=x-2(x>0))的图像,就可以判断(f'(x))的正负。
当(xin (0,2))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减;
当(xin (2,+infty))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增;
故单减区间为((0,2)),单增区间为((2,+infty))。
(2)若函数(f(x))在((0,2))内存在两个极值点,求(k)的取值范围。
法1:分类讨论法,
由(1)知,当(kleq 0)时,函数(f(x))在((0,2))内单调递增,
故(f(x))在((0,2))内不存在极值点;
当(k > 0)时,设函数(g(x)=e^x-kx),(xin (0,+infty)),
由于(g'(x)=e^x-k=e^x-e^{lnk}),
当(xin (0,2))时,(e^x in (1,e^2)),先考虑(g'(x)ge 0)的情形,故由此找到分点(k=1);
当(0< k leq 1)时,(xin (0,2))时,(g'(x)=e^x-k >0),
(y=g(x))单调递增,故(g(x)_{min}=g(0)=1>0);
故函数(f(x))在((0,2))内单调递减,故不存在极值点;
当(k >1)时,则(xin (0,lnk))时,(g'(x)<0),(g(x))单调递减,
(xin (lnk,+infty))时,(g'(x) >0),(g(x))单调递增,
所以函数(y=g(x))的最小值为(g(lnk)=k(1-lnk)),
那么函数(f(x))在((0,2))内存在两个极值点应该等价于函数(g(x))在((0,2))内存在两个极值点,
函数(g(x))在((0,2))内存在两个极值点当且仅当
(left{egin{array}{l}{g(0) >0}\{g(lnk) <0}\{g(2)>0}\{0< lnk <2}end{array}
ight.)
即(left{egin{array}{l}{e^0-0>0}\{k(1-lnk) <0}\{e^2-2k >0}\{0< lnk <2}end{array}
ight.)
解得(e< k <cfrac{e^2}{2});
综上所述,函数(f(x))在((0,2))内存在两个极值点,则(kin (e,cfrac{e^2}{2}))。
法2:由于函数(f(x))在((0,2))内存在两个极值点,
则函数(y=f'(x))在区间((0,2))内存在两个零点,且为变号零点,
又(f'(x)=cfrac{(x-2)(e^x-kx)}{x^3}),则方程(f'(x)=cfrac{(x-2)(e^x-kx)}{x^3}=0)在((0,2))内有两个不同的实根,
由于(xin (0,2)),即方程(e^x-kx=0)在((0,2))内有两个不同的实根,
分离参数,即方程(k=cfrac{e^x}{x})在((0,2))内有两个不同的实根,
即函数(y=k)和函数(h(x)=cfrac{e^x}{x})的图像在((0,2))内有两个不同的交点,
函数(y=h(x))的定义域为((-infty,0)cup(0,+infty)),
由于(h'(x)=cfrac{e^xcdot x-e^xcdot 1}{x^2}=cfrac{e^x(x-1)}{x^2}),
故(xin (-infty,0))时,(h'(x)<0),(h(x))单调递减,
(xin (0,1))时,(h'(x)<0),(h(x))单调递减,
(xin (1,+infty))时,(h'(x)>0),(h(x))单调递增,
又由于(h(1)=e),根据以上做出函数(h(x))的简图如下,
注意,本题目中只需要关注(h(x))的(xin (0,2))这一段,
由图像可知,两个函数的图像在((0,2))内要有两个不同的交点,则(kin (e,cfrac{e^2}{2}))。
故函数(f(x))在((0,2))内存在两个极值点,则(kin (e,cfrac{e^2}{2}))。
分析:函数(f(x)=cfrac{1}{3}x^3+cfrac{1}{2}|vec{a}|x^2+vec{a}cdot vec{b}x)在(R)上有极值,
其充要条件是其导函数(y=f'(x))存在变号零点,
(f'(x)=x^2+|vec{a}|x+vec{a}cdot vec{b}),其(Delta =|vec{a}|^2-4vec{a}cdot vec{b}>0),
设(vec{a})与(vec{b})的夹角为( heta),
则(4|vec{b}|^2-4 imes 2|vec{b}| cdot |vec{b}| cos heta>0),
即(cos heta<cfrac{1}{2}),由于( hetain [0,pi]),
所以( heta in (cfrac{pi}{3},pi]),故选(B)。
分析:(f'(x)=4x^3-3ax^2+2x=x(4x^2-3ax+2)),
函数(f(x)=x^4-ax^3+x^2-2)有且仅有一个极值点,
其充要条件是因子函数(h(x)=4x^2-3ax+2)不存在变号零点,
即(Delta=9a^2-32leq 0),解得(-cfrac{4sqrt{2}}{3}leq xleq cfrac{4sqrt{2}}{3}),
即(ain [-cfrac{4sqrt{2}}{3},cfrac{4sqrt{2}}{3}])。
分析:(f'(x)=x+(a-e)-cfrac{ae}{x}=cfrac{x^2+(a-e)x-ae}{x}=cfrac{(x+a)(x-e)}{x}),
做出分子函数的简图,由图可知,(-a>e),解得(a<-e),故选(D)。
讨论极值点个数
分析:定义域为((0,+infty)),(f'(x)=cfrac{1}{x}-a=cfrac{1-ax}{x}(x>0)),[用图像说明]
当(aleqslant 0)时,(f'(x)>0)在((0,+infty))上恒成立,
故(f(x))在((0,+infty))上单调递增,此时函数无极值点;
当(a>0)时,令(f'(x)=0)得到(x=cfrac{1}{a}),
则(xin (0,cfrac{1}{a}))时,(f'(x)>0),(f(x))单调递增,
(xin (cfrac{1}{a},+infty))时,(f'(x)<0),(f(x))单调递减,
故函数在(x=cfrac{1}{a})处有极大值,无极小值;
综上所述,当(aleqslant 0)时,函数(f(x))无极值点;
当(a>0)时,函数(f(x))有一个极大值点(x=cfrac{1}{a}),无极小值点。
分析:(f'(x)=3x^2-4cx+c^2),又函数(f(x)=x(x-c)^2)在(x=2)处有极小值,
则(f'(2)=3 imes2^2-8c+c^2=0),解得(c=2)或(c=6),接下来验证如下:
当(c=2)时,(f'(x)=3x^2-8x+4=(3x-2)(x-2)),故(f(x))在(x=2)处有极小值,符合题意;
当(c=6)时,(f'(x)=3x^2-24x+36=(3x-6)(x-6)),故(f(x))在(x=2)处有极大值,不符合题意;
故(c=2),则选(C)。
分析:(f'(x)=(x+2)e^x-(x+2)(3x+2)=(x+2)(e^x-3x-2)),
令(f'(x)=0),则得到(x=-2)或(e^x=3x+2)
易知(x=-2)为其一个极值点,又(e^x=3x+2)
结合图像可知,(y=e^x)和(y=3x+2)有两个交点,
[还需要验证](e^{-2} eq 3 imes (-2)+3=-4),
故函数(f(x))有三个极值点,即函数为(4)折函数,故选(C)。
(1)求(a、b)的值;
分析:由题目可知,(f'(x)=3x^2+2ax+b),
则由(left{egin{array}{l}{f'(-1)=3-2a+b=0}\{f'(1)=3+2a+b=0}end{array} ight.),解得(left{egin{array}{l}{a=0}\{b=-3}end{array} ight.),
经检验,(f'(x)=3x^2-3=3(x+1)(x-1)),则(1)和(-1)是函数(f(x))的两个极值点,满足题意。
【解后反思】由于可导函数(f(x)),(f'(x_0)=0)是(x_0)为极值点的必要不充分条件,
故解方程后需要检验。
(2)设函数(g(x))的导函数(g'(x)=f(x)+2),求(g(x))的极值点。
分析:由题可知,(g'(x)=f(x)+2=x^3-3x+2),
【试商法,得知(x=1)为函数(g'(x))的零点,故分组分解如下】
(g'(x)=x^3-1-3x+3=(x-1)(x^2+x+1)-3(x-1))
(=(x-1)(x^2+x-2)=(x-1)^2(x+2)),
如果题目是选择或填空题,则利用穿根法做出函数(g'(x))的简图,
由图像可知,(x=1)不是极值点,(x=-2)是极小值点。
解答题时则这样做,
当(xin (-infty,-2)),(g'(x)<0),则(g(x))单调递减;
当(xin (-2,1)),(g'(x)>0),则(g(x))单调递增;
当(xin (1,+infty)),(g'(x)>0),则(g(x))单调递增;
故(x=-2)是函数(g(x))的极小值点,(x=1)不是极值点。
注意:(x=-2)是导函数(y=g'(x))的变号零点,
(x=1)是导函数(y=g'(x))的不变号零点。
暂补充第二问的思路二,
(f'(x)=lnx-2a(x-1)),借助函数(y=lnx)和函数(y=2a(x-1)(a>0))的图像,分类讨论如下:
先需要证明不等式(x-1geqslant lnx);证明思路
①当(2a=1)时,即(a=cfrac{1}{2})时,(xin (0,+infty))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)leqslant 0)恒成立,故(f(x))在((0,+infty))上单调递减,函数没有极值,不符合题意,舍去;
②当(0<2a<1)时,即(0<a<cfrac{1}{2})时,函数(y=lnx)与函数(y=2a(x-1))有两个交点,其横坐标分别为(1)和(x_0(x_0>1)),
则(xin (0,1))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)< 0),故(f(x))在((0,+infty))上单调递减,
(xin (1,x_0))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)> 0),故(f(x))在((0,+infty))上单调递增,
(xin (x_0,+infty))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)< 0),故(f(x))在((0,+infty))上单调递减,
故在(x=1)处取到极小值,不符题意,舍去;
③当(2a>1)时,即(a>cfrac{1}{2})时,函数(y=lnx)与函数(y=2a(x-1))有两个交点,其横坐标分别为(1)和(x_0(0<x_0<1)),
则(xin (0,x_0))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)< 0),故(f(x))在((0,+infty))上单调递减,
(xin (x_0,1))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)> 0),故(f(x))在((0,+infty))上单调递增,
(xin (1,+infty))时,(f'(x)=lnx-2a(x-1)< 0),故(f(x))在((0,+infty))上单调递减,
故在(x=1)处取到极大值,符合题意;
综上所述,(ain (cfrac{1}{2},infty))。
待整理
分析:待解答,极值点偏移问题;
之所以首先想到求导,是因为题目给定的是极值或者极值点,而极值或极值点首先和判断单调性相关联;
之所以想到分类讨论而不是分离参数的原因是,当参数的取值不同时,导函数的图像也随之不同,导函数的值的正负随之变化,故需要分类讨论。 ↩︎