在点切线
思路:(k=f'(1)=3)+切点(A(1,1)),利用点斜式写出切线方程。
【等价题目】直线(y=x)上的点为(P(x,y)),函数(y=lnx)上的点是(Q(m,n)),求(sqrt{(x-m)^2+(y-n)^2})的最小值。
思路:平行线法,
设和直线(y=x)平行且和函数(y=lnx)相切的直线为(y=x+m),
切点为(P_0(x_0,y_0)),则有
(egin{cases} y_0=x_{0}+ m \ y_0=lnx_0 \ f'(x_0)=cfrac{1}{x_0}=1end{cases});
从而解得(x_0=1,y_0=0,m=-1)
所以所求的点点距的最小值,就转化为切点(P_0(1,0))到直线(y=x)的点线距,
或者两条直线(y=x,y=x-1)的线线距了。
此时(|PQ|_{min}=cfrac{sqrt{2}}{2});课件地址
分析:设函数(y=kx)与函数(y=lnx)切点为(Q(x_0,y_0)),则有
(egin{cases} y_0=kx_0 \ y_0=lnx_0 \ k=f'(x_0)=cfrac{1}{x_0}end{cases});
从而解得(x_0=e,y_0=1,k=cfrac{1}{e}),故切点(Q)的坐标为((e,1)) 具体参见课件
分析:设函数(y=mx)与函数(y=e^x)切点为(P(x_0,y_0)),则有
(egin{cases} y_0=mx_0 \ y_0=e^{x_0} \ m=f'(x_0)=e^{x_0}end{cases});
从而解得(x_0=1,y_0=e,m=e),故切点(P)的坐标为((1,e))。
法1:导数法,仿上题可知,函数(y=mx)与函数(y=e^x)的图像没有交点,所求的(m)取值范围为$0leq m<e $。
法2:转化法,则方程(e^x=mx)无解,即方程(m=cfrac{e^x}{x})无解,令函数(g(x)=cfrac{e^x}{x}),
利用导数求得值域为(g(x)in (-infty,0)cup[e,+infty)),故要使得方程(m=g(x))无解,得到$0leq m<e $。
过点切线
思路:设经过点(P(2,4))的切线方程与曲线相切于点(P_0(x_0,y_0)),则有
(egin{cases}y_0=cfrac{1}{3}x_0^3+cfrac{4}{3}\ k=f'(x_0)=x_0^2\ y-y_0=f'(x_0)(x-x_0) end{cases})
又因为点(P(2,4))在切线方程上,则有(4-(cfrac{1}{3}x_0^3+cfrac{4}{3})=x_0^2(2-x_0))
整理得到,(x_0^3-3x_0^2+4=0)
备注:此处有难点:试商法,多项式除法,分组分解法
试商法:令(x_0=0),如果上述方程成立,说明方程能分解出因子(x_0),本题目中显然不成立;
再令(x_0=1),上述方程不成立,说明方程不能分解出因子(x_0-1);再令(x_0=-1),上述方程成立,
说明方程能分解出因子(x_0+1);这样(x_0^3-3x_0^2+4=(x_0+1)(x_0^2+bx_0+c)(b,c是常数,待定)),
这样做的目的是为了降次;
分组分解法:由试商法可以指导我们的分组分解的方向,
如(x_0^3-3x_0^2+4=(x_0^3+1)-3(x_0^2-1))
(=(x_0+1)(x_0^2-x_0+1)-3(x_0+1)(x_0-1))
(=(x_0+1)(x_0^2-x_0+1-3x_0+3))
(=(x_0+1)(x_0-2)^2=0);
多项式除法:如图所示,
即((x_0+1)(x_0-2)^2=0),解得(x_0=-1),或(x_0=2)
当(x_0=-1)时,切点为((-1,1)),(k_1=1),切线方程为(x-y+2=0);
当(x_0=2)时,切点为((2,4)),(k_2=4),切线方程为(4x-y-4=0);
总结:设切点,求切点;
双切线问题
分析:利用点斜式来求解,
其中斜率(k=f'(x)_{|x=1}=(2x-cfrac{1}{x^2})_{|x=1}=1),
切点是((1,2)),
故切线方程为(y-2=1(x-1)),整理为(y=x+1)。
思路:设直线(y=kx+b)与函数(C_0:y=lnx+2)相切于点(P_0(x_0,y_0)),
直线(y=kx+b)与函数(C_1:y=ln(x+1))相切于点(P_1(x_1,y_1)),
则由题可知,
在点(P_0(x_0,y_0))处的切线方程为(y-y_0=f'(x_0)(x-x_0)),
即(y-(lnx_0+2)=cfrac{1}{x_0}(x-x_0)),
化简为(y=cfrac{1}{x_0}x+lnx_0+1);
在点(P_0(x_0,y_0))处的切线方程为(y-y_1=f'(x_1)(x-x_1)),
即(y-ln(x_1+1)=cfrac{1}{x_1+1}(x-x_1)),
化简为(y=cfrac{1}{x_1+1}x+ln(x_1+1)-cfrac{x_1}{x_1+1})
由这两条切线是同一条可知【(同一法】,
(egin{cases} k=cfrac{1}{x_0}=cfrac{1}{x_1+1} \ b=lnx_0+1=ln(x_1+1)-cfrac{x_1}{x_1+1} end{cases})
解得:(egin{cases} x_0=x_1+1 \ x_0=cfrac{1}{2},x_1=-cfrac{1}{2}end{cases})
所以(b=1+lnx_0=1+ln(cfrac{1}{2})=1-ln2).
分析:本题目属于公切线问题,设切点为(P(x_0,y_0)),则满足以下方程组
(egin{cases}f'(x_0)=g'(x_0)①\y_0=f(x_0)=cfrac{3}{2}x_0^2-2ax_0②\y_0=g(x_0)=a^2lnx_0+b③end{cases})
由①得到(x_0=a)或(x_0=-cfrac{a}{3}(a>0,不符合舍去))
由②③得到,(cfrac{3}{2}x_0^2-2ax_0=a^2lnx_0+b),将(x_0=a)代入,
分离参数(b)得到,(b=-cfrac{1}{2}a^2-a^2lna)。
设(h(a)=-cfrac{1}{2}a^2-a^2lna(a>0)),则(b_{max}=h(a)_{max});
接下来,用导数研究(h(a))的单调性。
(h'(a)=-2a(1+lna)),借助(y=1+lna)的大致图像可知,
(h(a))在区间((0,cfrac{1}{e}))单调递增,在区间((cfrac{1}{e},+infty))上单调递减,
则(h(a)_{max}=h(cfrac{1}{e})=cfrac{1}{2e^2})
即(b_{max}=cfrac{1}{2e^2}),选A。
分析:由(y=ax^2),得到(y'=2ax);由(y=e^x)得到(y'=e^x);
曲线(C_1:y=ax^2(a>0))与曲线(C_2:y=e^{-x})有公共切线,
设公切线与(C_1:y=ax^2(a>0))相切于点((x_1,ax_1^2)),
公切线与(C_1:y=e^x(a>0))相切于点((x_2,e^{x_2})),
则由切线斜率相等,可得(2ax_1=e^{x_2}=cfrac{e^{x_2}-ax_1^2}{x_2-x_1}),
可得(2x_2=x_1+2);便于变量集中,
故由(2ax_1=e^{x_2}),分离参数得到(a=cfrac{e^{x_2}}{2x_1}=cfrac{e^{frac{x_1}{2}+1}}{2x_1})
令(f(x)=cfrac{e^{frac{x}{2}+1}}{2x}),即上式为(a=f(x)(由图可看出x>0))由实数解,
转化为求函数(f(x))的值域问题。
(f'(x)=cfrac{e^{frac{x}{2}+1}cdot cfrac{1}{2}cdot 2x-e^{frac{x}{2}+1}cdot 2}{(2x)^2}),
(=cfrac{e^{frac{x}{2}+1}cdot(x-2)}{4x^2}),
故(xin(0,2))上,(f'(x)<0),(f(x))单调递减,
(xin(2,+infty))上,(f'(x)>0),(f(x))单调递增,
故(f(x)_{极小}=f(x)_{min}=f(2)=cfrac{e^2}{4});
故(a)的取值范围为([cfrac{e^2}{4},+infty))。
(1)确定方程(f(x)=cfrac{x+1}{x-1})实数根的个数。
(2)我们把与两条曲线都相切的直线叫作这两条曲线的公切线,试确定曲线(y=f(x),y=g(x))公切线的条数,并证明你的结论。
分析:(1)由(f(x)=cfrac{x+1}{x-1})得到,(lnx=cfrac{x+1}{x-1}=1+cfrac{2}{x-1}),
即(lnx-1=cfrac{2}{x-1}),由数转化到形,
在同一系中做出函数(y=lnx-1)和函数(cfrac{2}{x-1})的图像,
由图像可得,函数(y=lnx-1)和函数(cfrac{2}{x-1})的图像有两个交点,
故方程(f(x)=cfrac{x+1}{x-1})实数根的个数有两个。
(2)曲线(y=f(x),y=g(x))公切线的条数有2个,证明如下:
设公切线与曲线(y=f(x),y=g(x))分别相切于点((m,lnm))和((n,e^n)),
由(f'(x)=cfrac{1}{x}),(g'(x)=e^{x})可得,
(egin{cases}cfrac{1}{m}=e^n\cfrac{lnm-e^n}{m-n}=cfrac{1}{m}end{cases}),
化简得,((m-1)lnm=m+1)
当(m=1)时,上式不成立;
当(m eq 1)时,变形得到(lnm=cfrac{m+1}{m-1}),
由(1)可知,方程(lnm=cfrac{m+1}{m-1})有2个实根,
即曲线(y=f(x),y=g(x))公切线的条数有2个。
分析:由切线(l)与函数(y=x^2)相切与点((x_0,x_0^2)),则得到切线的点斜式方程为:(y-x_0^2=2x_0(x-x_0))
由切线(l)与函数(y=lnx)相切与点((x_1,lnx_1)),则得到切线的点斜式方程为:(y-lnx_1=cfrac{1}{x_1}(x-x_1))且(x_1in(0,1))
又两条切线是同一条直线,得到
(egin{cases} 2x_0=cfrac{1}{x_1} hspace{0.5cm} x_1in(0,1) hspace{1cm}①\ x_0^2=1-lnx_1 hspace{3cm}②end{cases})
法1:不等式性质法
由于(x_1in(0,1)),由①得到(x_0>cfrac{1}{2});由于(1-lnx_1>1),由②得到(x_0>1),综合得到(x_0>1),故选(D).
法2:零点存在性定理
由方程组消掉(x_1)得到新方程(x_0^2-ln2x_0-1=0),令函数(f(x_0)=x_0^2-ln2x_0-1),
由零点存在性定理可得,(D) 是正确的。当然我们还可以结合二分法,得到更小的解的区间。
分析:先仿上例3先求得过坐标原点与(y=lnx)相切的直线是(y=cfrac{1}{e}x),切点是((e,1)),
设切线的倾斜角是(phi),则(tanphi=cfrac{1}{e}),若切线绕坐标原点旋转角( heta)后切线变成了(y)轴,
由(cot heta=tanphi=cfrac{1}{e})可得, (cfrac{cos heta}{sin heta}=cfrac{1}{e}),即(sin heta=ecos heta),故选(A)。
分析:由于曲线(C)存在与直线(y=ex)垂直的切线,设曲线的切线的切点坐标((x_0,y_0)),
则有(f'(x_0)=e^{x_0}-m=-cfrac{1}{e}),即方程(m=e^{x_0}+cfrac{1}{e})有解,
故转化为求函数(g(x_0)=e^{x_0}+cfrac{1}{e})的值域,由于(x_0in R),故(g(x_0)in (cfrac{1}{e},+infty)),
故实数(m)的取值范围是(min (cfrac{1}{e},+infty))。
分析:本题目如果总纠结要画出适合题意的图形,然后总结思路可能就浪费时间了。可以这样考虑,
设过曲线外的一点所引的两条切线的倾斜角分别是(alpha)和(eta),
则可知其对应的斜率为(k_1=tanalpha)和(k_2=taneta=tan(pi-alpha)=-tanalpha),故有(k_1+k_2=0)。
因此求解如下:
设过点(A(1,0))的切线与曲线相切于点((x_0,y_0)),则由(f'(x)=3x^2-a),
得到(egin{cases}k=f'(x_0)=3x_0^2-a\y_0=x_0^3-ax_0+a\y-y_0=(3x_0^2-a)(x-x_0)end{cases}),
又由点(A(1,0))在切线上得到(0-(x_0^3-ax_0+a)=(3x_0^2-a)(1-x_0)),化简整理得到(2x_0^3-3x_0^2=0),
解得(x_0=0)或者(x_0=cfrac{3}{2}),
当(x_0=0)时,一条切线的斜率(k_1=-a=tanalpha);
当(x_0=cfrac{3}{2})时,另一条切线的斜率(k_2=cfrac{27}{4}-a=taneta),
由(k_1+k_2=0),得到(cfrac{27}{4}-2a=0),解得(a=cfrac{27}{8}),故选(A)。
分析:当在曲线上试图寻找一点,让它到直线的距离最小,思考不便于展开时,不妨换位思考,让直线平行移动到和曲线相切得到一个切点,那么所求距离就是切点到直线的点线距,或者是两条平行线之间的线线距。
解析:将函数化简整理为(y=f(x)=x^2-lnx(x>0)),
再设与已知直线平行的且与曲线相切的直线为(4x+4y+c=0),
切点为((x_0,y_0)),则由(f'(x)=2x-cfrac{1}{x}),
得到(egin{cases}k=f'(x_0)=2x_0-cfrac{1}{x_0}=-1①\4x_0+4y_0+c=0②\y_0=x_0^2-lnx_0③end{cases}),
解①得到(x_0=-1(舍去))或(x_0=cfrac{1}{2}),代入③得到(y_0=cfrac{1}{4}+ln2),
故切点((cfrac{1}{2},cfrac{1}{4}+ln2))到已知直线(4x+4y+1=0)的距离就是所要求解的距离。
故所求距离(d=cfrac{|4 imes cfrac{1}{2}+4 imes(cfrac{1}{4}+ln2)+1|}{sqrt{4^2+4^2}}=cfrac{sqrt{2}}{2}(1+ln2)),故选(B).
A、(-1)或(-cfrac{25}{64}) (hspace{2cm}) B、(-1)或(-cfrac{21}{4}) (hspace{2cm}) C、(-cfrac{7}{4})或(-cfrac{25}{64}) (hspace{2cm}) D、 (-cfrac{7}{4})或(7)
分析:本题目属于公切线问题,可以先求得过点处的与(y=x^3)相切的直线,然后联立直线和抛物线(二次函数),利用(Delta=0)来解决。
设过点((1,0))的直线与曲线(y=x^3)相切于点((x_0,y_0)),由(f'(x)=3x^2)可得,
(egin{cases}k=f'(x_0)=3x_0^2 \y_0=x_0^3 \y-y_0=f'(x_0)(x-x_0) end{cases}),又点((1,0))在切线上,故有(0-x_0^3=3x_0^2(1-x_0)),解得(x_0=0)或(x_0=cfrac{3}{2});
当(x_0=0)时,(y_0=0),即切点是((0,0)),斜率(k=0),故切线方程为(y=0),
与曲线(y=ax^2+cfrac{15}{4}x-9)相切,消(y)得到(ax^2+cfrac{15}{4}x-9=0),
利用(Delta=(cfrac{15}{4})^2+4 imes 9a=0),解得(a=-cfrac{25}{64});
当(x_0=cfrac{3}{2})时,(y_0=cfrac{27}{8}),即切点是((cfrac{3}{2},cfrac{27}{8})),斜率(k=cfrac{27}{4}),
故切线方程为(y-cfrac{27}{8}=cfrac{27}{4}(x-cfrac{3}{2})),
与曲线(y=ax^2+cfrac{15}{4}x-9)相切,消(y)得到(ax^2-3x-cfrac{9}{4}=0),
利用(Delta=(-3)^2-4 imes a imes(-cfrac{9}{4})=0),解得(a=-1);
综上,(a=-1)或(-cfrac{25}{64}),故选A。
反思总结:直线与三次曲线的相切问题,我们用导数解决;
直线与二次曲线(如圆、椭圆、双曲线、抛物线等)的相切问题,我们常用(Delta=0)来解决。
设函数(f(x)=ax-cfrac{b}{x}),曲线(y=f(x))在点((2,f(2)))处的切线方程为(7x-4y-12=0),
(1)求(f(x))的解析式;
(2)证明:曲线(y=f(x))上任一点处的切线与直线(x=0)和直线(y=x)所围成的三角形的面积为定值,并求此定值.
解析:
(1)方程(7x-4y-12=0)可化为(y=cfrac{7}{4}x-3),当(x=2)时,(y=cfrac{1}{2}).
又(f′(x)=a+cfrac{b}{x^2}),于是(2a-cfrac{b}{2}=cfrac{1}{2}),(a+cfrac{b}{4}=cfrac{7}{4}),解得(a=1,b=3),故(f(x)=x-cfrac{3}{x})。
(2)证明:设(P(x_0,y_0))为曲线(y=f(x))上任一点,
由(y′=1+cfrac{3}{x^2})知,
曲线在点(P(x_0,y_0))处的切线方程为(y-y_0=(1+cfrac{3}{x_0^2})(x-x_0)),
即(y-(x_0-cfrac{3}{x_0})=(1+cfrac{3}{x_0^2})(x-x_0))。
令(x=0)得(y=-cfrac{6}{x_0}),从而得切线与直线(x=0)的交点坐标为((0,-cfrac{6}{x_0}));
令(y=x)得(y=x=2x_0),从而得切线与直线(y=x)的交点坐标为((2x_0,2x_0)).
所以点(P(x_0,y_0))处的切线与直线(x=0,y=x)所围成的三角形的面积为(S_{Delta}=cfrac{1}{2}|-cfrac{6}{x_0}|cdot |2x_0|=6),
故曲线(y=f(x))上任一点处的切线与直线(x=0,y=x)所围成的三角形的面积为定值,此定值为(6)。
A、(-1) (hspace{2cm}) B、(-3) (hspace{2cm}) C、(-4) (hspace{2cm}) D、 (-2)
解析:因为(f′(x)=cfrac{1}{x}),所以直线(l)的斜率为(k=f′(1)=1),又(f(1)=0),故由点斜式得到切线的方程为(y=x-1)。
接下来求(m)的值,可以有两个思路,
其一,由(y=x-1)与(g(x)=cfrac{1}{2}x^2+mx+cfrac{7}{2}(m<0))相切,联立得到方程组,利用(Delta =0),解得(m=4(舍去))或(m=-2)。
其二,由于(g′(x)=x+m),设直线(l)与(g(x))的图像的切点为((x_0,y_0)),
则有(egin{cases}x_0+m=1\y_0=x_0-1\y_0=cfrac{1}{2}x_0^2+mx_0+cfrac{7}{2}(m<0)end{cases}),联立解得(m=-2)。故选D
法1:利用函数的对称性,先求(x<1)时的函数解析式。
由于(f(1-x)+f(1+x)=2),则有(f(x)+f(2-x)=2),
故(f(x)=2-f(2-x));
又当(x<1)时,(2-x>1)
即(x<1)时的解析式为
(f(x)=2-f(2-x)=2-cfrac{2-x}{e^{2-x-2}}=2-cfrac{2-x}{e^{-x}}),演示图像
则(f'(x)=-cfrac{-1cdot e^{-x}-(2-x)cdot(-e^{-x})}{(e^{-x})^2}=-cfrac{1-x}{e^{-x}})
故(f'(0)=-1),又(f(0)=0),即切点为((0 ,0)),
由点斜式可得切线方程为:(y=-x)
法2:由(f(1-x)+f(1+x)=2),得到函数(f(x))关于点((1,1))中心对称;
令(x=1),得到(f(0)+f(2)=2),
又函数(f(x))关于点((1,1))中心对称;
故(f'(0)=f'(2))
则(f'(0)=f'(2)=f'(x)_{|x=2}=-1),
又(f(0)=2-f(2)=0),即切点为((0 ,0)),
由点斜式可得切线方程为:(y=-x)
分析:设点(P(x_0,y_0)),则由(y'=-e^{-x})(此处是复合函数的求导,易错)可得,
点(P)处的切线斜率(k=-e^{-x_0}=-2),
则(-x_0=ln2),即(x_0=-ln2),
则(y_0=e^{ln2}=2),故点(P)的坐标是((-ln2,2))。
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