• 求函数的单调区间


    前言

    求函数的单调区间与确定函数的单调性的方法是一致的。

    图象法

    • 利用(f(x))图象或做出(f(x))的图象,由图直观写出单调区间.

    例1【2018天津模拟改编】已知函数(y=f(x)(xin R))的图像如图所示,则函数(f(x))的单调区间为_____________。

    分析:由图可知,函数(f(x))在区间((-infty,0))([cfrac{1}{2},+infty))上单调递减,在区间([0,cfrac{1}{2}])上单调递增,

    【点评】:①学会读图,解读图像时,是将变化趋势一致(仅仅上升或仅仅下降)的那部分图像,向(x)轴做射影,所得的区间即为单调区间。

    ②这一方法可以解决高中阶段的许多简单函数的单调性,比如基本初等函数,一次、二次函数、分段函数,抽象函数,复合函数等,

    例2【2019届高三理科函数的单调性与最值课时作业】设函数(f(x)=left{egin{array}{l} {1,x>0}\{0,x=0}\{-1,x<0}end{array} ight.)(g(x)=x^2cdot f(x-1)),则函数(g(x))的单调递减区间是__________。

    分析:由已知的分段函数(f(x))的解析式,可得分段函数(f(x-1))的解析式,

    (f(x-1)=left{egin{array}{l}{1,x-1>0}\{0,x-1=0}\{-1,x-1<0}end{array} ight.),即(f(x-1)=left{egin{array}{l}{1,x>1}\{0,x=1}\{-1,x<1}end{array} ight.)

    故函数(g(x)=x^2cdot f(x-1)=left{egin{array}{l}{x^2,x>1}\{0,x=1}\{-x^2,x<1}end{array} ight.)

    做出其函数图像,从图像可知,单调递减区间是([0,1))

    注意:此题中单调递减区间不能写成([0,1])

    定义法

    • 定义法:先求定义域,再利用单调性定义.

    例3【题目自拟,这一方法很少用】利用定义法求函数(f(x)=x-cfrac{1}{x})的单调区间。

    分析:定义域为((-infty,0)cup(0,+infty))

    任取(x_1<x_2in (0,+infty))

    (f(x_1)-f(x_2)=x_1-cfrac{1}{x_1}-(x_2-cfrac{1}{x_2}))

    (=(x_1-x_2)-(cfrac{1}{x_1}-cfrac{1}{x_2}))

    (=(x_1-x_2)-cfrac{x_2-x_1}{x_1x_2})

    (=(x_1-x_2)+cfrac{x_1-x_2}{x_1x_2})

    (=(x_1-x_2)(1+cfrac{1}{x_1x_2})<0)

    (f(x_1)<f(x_2))

    故函数(f(x)=x-cfrac{1}{x})在区间((0,+infty))上单调递增;

    同理可以证明函数(f(x)=x-cfrac{1}{x})在区间((-infty,0))上单调递增;

    [或者利用(f(x))为奇函数,可以证明在区间((-infty,0))上单调递增]

    【点评】:①以上述题目为例,如果在区间((0,+infty))(f(x_1)-f(x_2))的差值不能确定一定为正或为负,

    则说明需要再寻找新的分点,将上述的区间细化,比如将上述区间((0,+infty))细化为((0,x_0))((x_0,+infty))

    然后分别在区间((0,x_0))和区间((x_0,+infty))上判断(f(x_1)-f(x_2))的正负,从而确定单调区间。

    ②注意有效使用函数的奇偶性,简化证明。

    例4【定义法】【抽象函数的单调性-变形1】定义在(R)上的函数(f(x))满足(f(x+y)=f(x)+f(y)-1),且(x>0)时,(f(x)<1),判定函数单调性。

    分析:令(x_1<x_2in R),则(x_2-x_1>0),故(f(x_2-x_1)<1)

    则有(f(x_2)-f(x_1)=f[(x_2-x_1)+x_1]-f(x_1))

    (=f(x_2-x_1)+f(x_1)-1-f(x_1))

    (=f(x_2-x_1)-1<0)

    (f(x_2)<f(x_1))

    故函数(f(x))(R)上单调递减。

    注意变形:(f(x_2)=f[(x_2-x_1)+x_1]=f(x_2-x_1)+f(x_1)-1)

    例5【定义法】【抽象函数的单调性-变形2】【2018·德州模拟】

    已知定义在((0,+infty))上的函数(f(x)),满足 (f(xy)=f(x)+f(y))(x>1) 时,(f(x)<0),判断函数$ f(x)$的单调性.

    分析:令(0<x_1<x_2),则(cfrac{x_2}{x_1}>1),故(f(cfrac{x_2}{x_1})<0)

    则有(f(x_2)-f(x_1)=f[(cfrac{x_2}{x_1})cdot x_1]-f(x_1))

    (=f(cfrac{x_2}{x_1})+f(x_1)-f(x_1))

    (=f(cfrac{x_2}{x_1})<0)

    故函数(f(x))((0,+infty))上单调递减。

    注意变形:(f(x_2)=f[(cfrac{x_2}{x_1})cdot x_1]=f(cfrac{x_2}{x_1})+f(x_1))

    例6【定义法】【抽象函数单调性】

    已知函数(f(x))的定义域为((0,+infty)),且对一切(x>0)(y>0)都有(f(cfrac{x}{y})=f(x)-f(y)),当(x>1) 时,有(f(x)>0),判断(f(x))的单调性。

    分析:令(0<x_1<x_2),则(cfrac{x_2}{x_1}>1),故(f(cfrac{x_2}{x_1})>0)

    则由题目可知,(f(x_2)-f(x_1)=f(cfrac{x_2}{x_1}))

    由于(x_2>x_1>0),则(cfrac{x_2}{x_1}>1)

    (f(cfrac{x_2}{x_1})>0)

    (f(x_2)-f(x_1)>0)

    故函数(f(x))((0,+infty))上单调递增。

    转化法

    • 利用已知函数的单调性,即转化为已知函数的和、差或复合函数,求单调区间。

    例7求函数(f(x)=cfrac{x^2-4x+5}{x-2})((cfrac{9}{4}leqslant xleqslant 6 ))的单调区间;

    分析:(f(x)=cfrac{x^2-4x+5}{x-2}=cfrac{(x-2)^2+1}{x-2}=(x-2)+cfrac{1}{x-2}xrightarrow{x-2=t}t+cfrac{1}{t})

    那么参照函数(g(x)=x+cfrac{1}{x})的单调区间,在((0,1])上单调递减,在([1,+infty))上单调递增;

    (g(x))向右平移两个单位,得到(g(x-2)),即(f(x))的函数图像,其单调区间变为在((2,3])上单调递减,在([3,+infty))上单调递增;

    故限定区间((cfrac{9}{4}leqslant xleqslant 6 ))上的单调性应该是在([cfrac{9}{4},3])上单调递减,在区间([3,6])上单调递增;

    例7【2019蚌埠模拟】已知(a>0),设函数(f(x)=cfrac{2018^{x+1}+2016}{2018^x+1})((xin [-a,a]))的最大值为(M),最小值为(N),那么(M+N)=【】

    $A.2016$ $B.2018$ $C.4032$ $D.4034$

    分析:(f(x)=cfrac{2018^{x+1}+2016}{2018^x+1}=cfrac{2018^xcdot 2018+2016}{2018^x+1}=cfrac{2018(2018^x+1)-2}{2018^x+1}=2018-cfrac{2}{2018^x+1})

    故函数(f(x))在区间([-a,a])上单调递增,故(M=f(x)_{max}=f(a))(N=f(x)_{min}=f(-a))

    (M+N=f(a)+f(-a)=2018-cfrac{2}{2018^a+1}+2018-cfrac{2}{2018^{-a}+1}=4036-2=4034),故选(D).

    导数法

    • 利用导函数取值的正负确定原函数的单调区间,这是高中阶段使用的主要方法,属于通性通法。也是高中考查的重点和难点知识。

    鉴于这一内容的重要性,重新开一篇博文:导数法判断函数的单调性的策略

    复合函数法

    • 复合函数作为一类比较特殊的函数,其单调区间的求解自然也比较特殊,故单独加以说明。

    (y=f(g(x)))的单调区间的求解为例,总结说明其求解步骤:

    (1)确定函数的定义域.

    (2)将复合函数分解成基本初等函数(y=f(u))(u=g(x))

    (3)分别确定这两个函数的单调区间.

    (4)若这两个函数同增同减,则(y=f(g(x)))为增函数;若一增一减,则(y=f(g(x)))为减函数,即“同增异减”。

    例8【求复合函数的单调性】已知函数(f(x)=log_2(x^2-3x+2)),求其单调区间。

    分析:令(u=x^2-3x+2)

    则原复合函数拆分为外函数(y=f(u)=log_2u)和内函数(u=x^2-3x+2)

    (u=x^2-3x+2>0),解得(xin (-infty,1)cup(2,+infty))

    即此复合函数的定义域为(xin (-infty,1)cup(2,+infty))

    那么要研究其单调性,必须先在上述定义域范围内,定义域优先原则。

    然后由(u=x^2-3x+2=(x-cfrac{3}{2})^2-cfrac{1}{4})

    则内函数(u(x))在区间((-infty,1))上单调递减,在区间((2,+infty))上单调递增,

    而外函数(y=f(u)=log_2u)((0,+infty))上单调递增,

    故复合函数(f(x))在区间((-infty,1))上单调递减,在区间((2,+infty))上单调递增。

    例9【求复合函数的单调区间】【2018天津模拟】已知函数(y=f(x)(xin R))的图像如图所示,则函数(g(x)=f(log_ax))((0<a<1))的单调递减区间为【】

    $A.[0,cfrac{1}{2}]$ $B.[sqrt{a},1]$ $C.(-infty,0)cup[cfrac{1}{2},+infty)$ $D.[sqrt{a},sqrt{a+1}]$

    分析:由图可知,外函数(f(x))在区间((-infty,0))([cfrac{1}{2},+infty))上单调递减,在区间([0,cfrac{1}{2}])上单调递增,

    (0<a<1)时,内函数(y=log_ax)在区间((0,+infty))上单调递减,

    故要使得复合函数函数(g(x)=f(log_ax)(0<a<1))单调递减,

    则需要(log_axin [0,cfrac{1}{2}]),即(0leq log_axleq cfrac{1}{2})

    解得(xin [sqrt{a},1]),故选(B)

    整理好后,传递到绝对值形函数

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