导数在中学数学解题中的应用
摘 要
导数不仅是中学教材中必不可少的一部分,也是历年高考的考点。导数在中学数学
解题中的应用是十分广泛的,它包含了导数对不等式的证明、求曲线在某一点的切线斜率、分析函数的图像、极值与最优化、函数单调性等方面的应用。应用导数知识解决中学数学问题不仅可以锻炼学生的思维,同时也简化了解题的难度,因此对导数知识进行整理是十分有必要的。本文对导数在中学数学解题中的应用进行了归纳整理,同时也对导数应用中需要注意的几点事项做出了标注,分析了导数应用中的易错点。从而为初学者查询导数相关知识提供了资料。
关键词: 导数 中学数学 应用
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导数在中学数学解题中的应用
ABSTRACT
Derivative is not only an essential part of the middle school textbooks, but also the college entrance examination over the years. The application of derivative in high school in mathematics is very extensive, it contains a proof, derivative of inequality in the analysis of the demand curve, tangent at a point in the application of function optimization, image, extremum and monotony of function etc.. The application of derivative knowledge to solve mathematical problems in middle school can not only train the students' thinking, but also simplify the difficulty of solving the problem. This paper summarizes the application of derivative in the middle school in mathematics, but also on some matters needing attention in the application of derivative made annotation, analyzes the application of derivative in error prone points. So as to provide useful information for beginners to query derivative knowledge.
Keywords: Derivatives;Middle school mathematics;application
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导数在中学数学解题中的应用
1.绪论
导数是微积分中一个重要的核心内容,导数的推广已经十分广泛,大多数的国家已经将导数列入到了中学教材中。在我国,导数也是历年高考常常出现的考点。导数是解决许多数学问题的有力工具,利用导数知识可以解决中学的很多数学问题。可以解决中学数学中计算曲线在某一点的切线斜率、分析函数的性质与图像、求解方程的根、证明不等式、判断函数的单调性、求解最值的最优化问题等。
2.导数在中学数学解题中的应用
2.1导数在计算曲线在某一点的切线斜率中的应用
在计算曲线在某一点的切线斜率的问题时,主要就是利用到导数的几何意义:
fx在某一点
px0,y0的导数fx0就是曲线yfx在xx0处切线的斜率。
例2.1已知曲线L:yx2x1,求经过点
2p2,1的曲线L的切线方程。
p2,1,此时便可根据点斜式能够计
分析:主要是计算出曲线L在P点处的斜率K,又因为点算出过点P的曲线L的切线方程了。
解:由题意可知: 曲线L: yx2x1
2y2x2
过点P的斜率K为:
p2,1
22222 kyx曲线L过P点的切线方程为:
y12x2
化简得:
2xy30
点评:本题在计算曲线L的切线方程时,主要考查的对象是导数的几何意义。 例2.2在x2y上求一点P,使P到直线yx4的距离最短。
2
分析:本题的解法有多种,它可以利用初等解法,也可以利用导数的几何意义进行计算。下面
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导数在中学数学解题中的应用
我将用不同的解法进行作答,进行对比。便可以充分的体现出导数解题时的便利性。
解法1:
平移直线yx4,使其与曲线x2y相切,可知P点即为所求。 设切线yxb,代入曲线方程x2y,得:
2212(1) xxb2
又因为直线yxb与曲线x2y相切,
212b0
解得:
b(1)式为
12
121xx0 22故切点为1, 解法2: 设点
12px0,y0则点P到直线的距离为:
171272x01x1x02x04x0y0422202 d22222由上式可知,当x01时d取得最小值72 4故点P为1, 解法3:
由题可知,点P必为平行于直线yxb的直线与抛物线x2y的切点。 因此过P点的切线必定平行于直线yx4 由导数的几何意义可知,y又
21212x在P点的数值为1 2yx设px0,y0则yx01
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导数在中学数学解题中的应用
x011,故p11,
y202点评:利用不同的解法,我们可以清楚地认识到利用导数工具进行求解的简洁性与便利性,掌握导数这一工具,可以提高我们解题的效率。本题在导数方面主要运用的是导数求解曲线的斜率的知识,即利用导数的几何意义进行求解。
2.2导数在分析函数的性质与图像中的运用
在利用导数分析图像时应着重注意其切线变化的大小关系。理清导数与函数图像之间的关系。倒数图像与函数的图像有者密不可分的联系,下面我将用3个例题来简单讲解他们之间的关系。
2.2.1已知函数图像,画出其导函数的图像 例2.3已知函数
图2.1 函数图像
图2.2 函数图像
fx的图像如图2.1、图2.2所示,请画出其导函数fx图像的大致情况
y y 0 0 x 分析:根据导数与函数图像之间的关系,在已知函数图像的情况下要求其导函数的图像,我们就只需判断出其函数图像在其各个切点的斜率的变化情况,便可以得出其导函数图像的大致情况。
解:①图2.1的
fx的曲线上的切点的斜率变化是越来越大,当x0时,斜率大于0;当x0时,斜率等于0;当x0时,斜率小于0.其图2.1的导函数图像如图2.3所示。
②图2.2的
fx的曲线上的切点的斜率变化是各切点每处都不小于0,当x0时斜率越来越
大;当x0时,斜率等于0;当x0时斜率越来越小。其图2.2的导函数图像如图2.4所示。
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图2.3 导函数图像
y y 0 x 0 x 图2.4 导函数图像
导数在中学数学解题中的应用
点评:此类题目在解题时主要应用的是导数与函数图像之间的关系以及利用到导数的几何意义,在解决此类问题时要紧紧抓住切线的斜率的大小变化的情况。
2.2.2已知导函数图像,画出其原函数的图像 例2.4已知函数y像是()
-2 -1 0 1 A
B 图2.5 导函数图像
xfx的图像如图2.5所示,下面4个图像中能大致表示yfx的图
y -1 0 1 x
yy -1 0 2 3 x-1 0 1 2 x y y x -1 0 1 2 x
C 6 / 216 / 216 图2.5-2 选择原函数图 D 导数在中学数学解题中的应用
分析:根据x的符号变化,可以得到
fx的符号变化。因此而得到其fx的单调性的变化,
便能够以此来画出其原函数的大致图像。
解:由图2.5可知,当x1时xfx0,则
fx0,原函数为增函数,图像上升;当
1x0时xfx0,则fx0,原函数为减函数,图像下降;当0x1时xfx0,
则
fx0,原函数为减函数,图像下降;当x1时xfx0,则fx0,原函数为增函
数,图像上升。
综上所述,只有C选项满足上述条件,故选C。
点评:本题解题时所用方法与例2.3相同,但例2.3与例2.4是两个完全相反的问题,在做此类题目时要注意题目要求,分清两个题目类型之间的区别。
2.2.3已知导函数图像,求解原函数 例2.5已知函数
fxax3bx2cx在点x0处取得极大值5,其导函数yfx的图像经
过点1,0,2,0如图2.6所示,求:(1)x0的值;(2)函数的解析式。
图2.6 导函数图像
y 0 1 2 x
分析:首先根据图像信息,判断出其极大值点即x0的值。再利用题干信息,找出三个已知点,再分别代入其相应的函数式中,解出待定系数,从而得到函数的解析式。
解:(1)由图像可知,当x1时
fx0,fx在,1上递增;当1x2时fx0,
fx在1,2上递减;当x2时fx0,fx在2,上递增。
因此
fx在x1处取得极大值。x01
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(2)由题意可知:
fxax3bx2cx
f10 f20 f15
fx3ax22bxc又
3a2bc0a212a4bc0解得b9 abc5c12故函数的解析式为
fx2x39x212x
点评:本题主要利用的是导函数的性质,结合图像信息来进行解题的。在利用导数解题时,我们不仅要找寻题干中蕴含的信息,同时也不能忽视图像中所包含的信息。
2.3导数在求解方程的根中的应用
利用导数求解方程的根可以分为以下几个方面:1.利用导数解决根的唯一性。2.利用导数求方程根的个数。3.利用导数求解待定系数的取值范围。4.利用导数求解有关超越方程的根。下面本人将结合实例对以上几个方面进行分析。
2.3.1利用导数解决根的唯一性 判断方程
fx0在某区间内有唯一实根,即判断函数yfx在该区间上有唯一零点。我
1xInx x0在区间0,e上有唯一零点。3们可以通过探究函数的单调性,利用零点存在定理进行判断。
例2.6证明函数fx
分析:对于证明函数有唯一零点(方程有唯一实根)的问题上,首先应考虑的是零点是否存在,利用导数研究函数区间的单调性,证明函数在该区间上单调就可证明出函数在该区间上有唯一零点。
证明: 对函数fx在区间0,e上又
111x3 xInx进行求导,得:fx33x3xfx0,fx为减函数
1e0 fe10
33f0f1f0fe0
故函数yfx在区间o,e上有唯一零点
点评:在此问题上,如果区间两端的函数值是一正一负且函数单调,则在该区间内函数必有唯一零点(方程有唯一实根)。
2.3.2利用导数求解方程根的个数
用导数来求解方程根的个数,实际上用导数来探究函数y像有几个交点的问题。
fx的图像与函数ygx的图
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导数在中学数学解题中的应用
例2.7已知
fx4In1x,gxx2k1,若fx与gx在0,有两个不同
的交点,求k的取值范围。
分析:此题主要考查的是对数函数与二次函数的交点问题且含有参数k,因为对数函数与二次函数曲线结构的特点,我们很难具体有效地把握它们交点的情况,所以对于此类问题我们可以用导数将曲线交点的问题转化为
解: 令
fxgx在0,有实根的问题。
fxgx则4In1xx2k1
4In1xx2k1
构造函数hx4In1xx
2hx2x要让hx0则x0,1
4 1xx0,1时hx0,hx在0,1上递增; x1,时hx0,hx在1,上递减。
故hx的极大值点为1,极大值为h14In21 又
h00且4In1xx2k1 (1)
转化为hx与yk1的交点问题。 要使(1)式在0,有两个不同的实根,则
0k14In21解得1k4In22
当1k4In22时(1)式有两个不同的实根,即在该区间
fx与gx有两个不同的
交点。
点评:用导数工具来探究
fx与gx的交点问题时有下面五个步骤:1.构造函数
hxfxgx;2.求hx;3.求出hx的单调性与极值;4.找出hx与x轴的交点情况,
列出不等式;5.求解不等式,得出结论。 2.3.3利用导数求解待定系数的取值范围
例2.8:a取何值时,关于x的方程x2ax20在0,1上有解?
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分析:可以先将a与x分离开,再利用导数求函数的值域。 解:
x2ax20则ax2将a看作是x的函数 xx0,1,a12ax在0,1上是增函数
x2x20 故a123 1点评:此题也可以结合二次函数
fxx2ax2的图像,使其问题转变为区间根的分布问
题,但需分类讨论,然而利用导数来求其函数的值域,就可以将其运算量减少,从这个方面看,也可以看出其导数解题的简洁性。
2.3.4利用导数求解有关超越方程的根
例2.9证明方程x2Inxx2x2有唯一解。
2
分析:此方程由观察易知x1是其一个实根,但我们无法说明此方程根的唯一性。我们可以利用导数工具来解决这一问题,在解题过程中我们应注意函数的定义域,必须要在定义域范围内进行求解。
证明:
x22Inxx2x2
移项得:
x22Inxx2x20
令
fxx22Inxx2x2 x0
212x22xxfx2x1xxxx12xx2xx2x
x0
当
2xx2xx20
xx10即x1时fx0,fx为增函数;
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当x10即0x1时
fx0,fx为减函数.
y 0 1 x
图2.7 函数图像
fx极小值f10 如图2.7所示,此时图像与x轴相切,与x轴只有唯一的一个交点。
故方程x2Inxx2x2有唯一解x1
点评:在解决有关超越方程根时,我们很难进行猜根求解,但我们可以通过构造函数后,进行求导,画出草图。结合图像,便可以找出其交点,使我们能够较快地解决问题。
2.4导数在证明不等式中的应用
利用导数证明不等式,可以根据导数的定义、函数的单调性、最值性以及构造函数来证明不等式。其中构造函数可以通过作差法、换元法、取对数等方法进行构造,然后再通过求导的方法加以证明。在构造函数证明不等式方面我将以其中的换元法来进行叙述。
2.4.1利用导数的定义证明不等式
21221xInx,求证x1时,x3x2Inx 232211分析:令gxx3x2Inx,x1,.因为g10要证当x1时,gx0326例2.10已知函数fx即gxg10,只需证gx在1,上单调递增。
证明: 令gx2312xxInx则 321gx2x2x
x当x1时
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gx2x2x1xx12x2x1x
x1 x10 2x2x14
gx0,gx在1,上单调递增
故
10 62121x3x2Inx0即x3x2Inx 3232gxg1点评:在利用导数的定义来证明不等式时,先要将函数的一阶导数给计算出来,然后在确定函数在某点的导数值和函数值,接着便利用导数的定义来证明其不等式。
2.4.2利用函数的单调性来证明不等式
例2.11已知mn0,a,bR.且a1b10,求证:anbn分析:
mambmn
anbnambmInanbnInambmmInanbnnInambmmnmnInabnnnInambmmInaxbxfnfmfx,在0,上单调递xmn0减。
证明: 令fxInaxbxxxx x0则
xaxInabxInbfxabxxInaxbx2xaxInabxInbaxbxInaxbxx2axbx
axbxaxbxaxbxxxxaInxbInxaInxbInxxxxxabababab0 2xx2xxxabxabfx又
Inaxbxx在0,上单调递减
mn0fnfm12 / 2112 / 2112
导数在中学数学解题中的应用
即
InanbnnInambmmmInanbnnInambm
mnInanbnInambm anbnambm
mn点评:利用函数的单调性证明不等式,首先是利用导数工具先计算出函数的导函数,再利用导函数的性质判断出函数的单调性,再证明不等式。
2.4.3利用最值性证明不等式
xb例2.12:gAx11的定义域是Aa,b,其中a,bR,ab,若
axx1Ikk2,k122222,x2Ik1k1,k2求证:gIix1gIi1x24
kk1kN
分析:首先构造一个函数,然后求出在某区间中的全部驻点和不可导之处的函数的极值和区间两个端点之处的函数值,将它们进行比较,证明不等式成立。
证明:
xbgAx11
ax2x22b2b2x233令gAx0时, gAaxax则
22x4ax3a2b2a2bx0
即
x化简得
4a2b2axx2ab0
x2abx2axab0
x2axab0或x2ab0
0ab x2axab0无解
由x2ab0解得:xab或xab舍去
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gx0时xab,b,gx在ab,b上单调递增; gx0时xa,ab,gx在a,ab上单调递减
xab是gAx的极小值点
又
gAx在a,b上只有一个极值点
gAbab21a是gAx的最小值
3故gIIx1的最小值为:
k12gIi3k2k1k322k121213, kk2gIi1x2的最小值为:
k2221 k1k1又
22222242 k2k13k3k13kk1x1Ikk3,k12,xI2k1k1,k222时
gIix1gIi1x24 kN成立
kk1点评:根据连续函数在封闭区间上的连续性、顺序性等可得到如果函数在封闭区间
a,b上连
续时,则一定存在其最大(最小)值。这就是我们用来求解连续函数的最大(最小)值的理论依据。如果函数
fx在x0处可导。那么x0还是其稳定点。因此我们只需通过比较fx的稳定点、区间
fx在区间上的最大(最小)值,从而证明不等式的
端点和不可导处的所有函数值,便可以找出成立。
2.4.4利用构造函数证明不等式(换元法) 例2.13已知函数
fxInx,gxfxax23x,函数gx的图像在点1,g1处
fx的切线平行于x轴(1)求a的值;(2)求函数gx的极小值;(3)设斜率为k的直线与函数
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的图像交于两点Ax1,y1,Bx2,y2,其中x1x2,证明
11kx2x1
分析:此题是一道综合性较强、难度较大的题目,它属于函数与导数的综合性题目,主要运用到导数的几何意义以及导数的性质等方面来证明不等式,下面是利用换元法来构造函数,再利用导数知识对不等式进行证明。
解:
(1)a1 (2)gx的极小值为g12 (3)由题意,可得:ky2y1Inx2Inx1即Inx2kx2Inx1kx1
x2x1x2x11k x令hxInxkx则hx当x11时hx0,hx在,上为减函数; kk11时hx0,hx在0,上为增函数。 kk1x2 k当0x又
hx1hx2 x1故
11k x2x1点评:此题运用导数求函数的单调性、极值、柯西不等式的应用及不等式证明等方面的知识进行解题,在本题的处理上运用换元法便大大减小了计算时的难度。
2.5导数在判断函数单调性中的应用 如果函数
fx是连续函数,若fx在xx0处其导函数fx0,也就是指其该点处切线
fx在点x0处附近单调递增;若fx在xx0处其导函数fx0,
fx在点x0处附近单调递减。
的斜率大于0,那么函数
也就是指其该点处切线的斜率小于0,那么函数
例2.14讨论函数
fx3x2x3的单调性。
分析:函数的单调性与其导函数的正负有关。如果导函数为正,则函数为增函数;如果导函数为负,则函数为减函数。
解:
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导数在中学数学解题中的应用
fx3x2x3 fx6x3x23x2x
令
fx0解得:x0,2 令fx0解得:x,02,
fx3x2x3在0,2上单调递增,在,02,上单调递减。
点评:假设函数
fx在a,b上连续,在a,b内处处可导,则有如果在a,b内fx0,则
fx在a,b上为增函数;如果在a,b内fx0,则函数fx在a,b上为减函数;如fx在a,b内fx0,则函数fx在a,b上为常函数。
果函数
2.6导数在求解最值和最优化问题中的运用 2.6.1导数在求解函数的最大(小)中的应用 例2.15求函数
fx2x33x212x14在闭区间3,4上的最大值和最小值。 fx进行求导,再找出其极值点,最后对所有的极值点、区间端点的函数值
分析:先将函数
进行对比找出其最大值和最小值。
解:
fx2x33x212x14
fx6x26x126x2x1
令
fx0解得:x12,x21且没有不可导的点存在
x12,x21是fx的极值点
又
f323 f234 f17 f4142
比较上述四个值:
f1f3f2f4
fx在3,4上的最大值为142,最小值为7
点评:在求解可导函数的最值问题时要将所有的极值点、不可导点、区间端点的函数值进行对比,要做到不重不漏。
2.6.2导数在求解最优化问题中的应用
例2.16某新农村需要围建一个面积为512m2矩形晒谷场,一边可以利用原来的石条沿,其它三边也需要砌新的石条沿。问:晒谷场的长和宽各为多少,才能使材料用得最省?
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导数在中学数学解题中的应用
分析:在求解本题时,首先设出晒谷场的宽为xm,则长为于x的函数
解:
512m。因此,便可以设出一个关xfx,再利用导数工具便可以算出材料最省的方案。
512m x512令石条沿的总长为fx2x x0
x设晒谷场的宽为xm,则长为
5122x16 fx222xx2fx在0,内只有一个极值点x16即fx的极小值点为16
又
51232 16当晒谷场的长为32m,宽为16m,才能使材料用得最省。
点评:在求解最优化问题时,应利用导数求出极值点,找出其最值。从中找到解决问题的最佳方案。
3.导数在中学数学解题时的几点评注及易错点
3.1对导数的几何意义不明确而导致在应用中的错误
对导数的几何意义理解地不够透彻,也可能会使其在解题时出错,函数几何意义是函数曲线在点P数的曲线的切线方程。
例3.1求解曲线y2xx经过点1,1的切线方程。
2(fx)在x0处的导数的
x,fx处的切线斜率。利用导数的几何意义使我们更加容易求解函
00错解:
y2x2x y4x1
将1,1代入y4x1,可得:
ky14113
切线方程为:
y3x4
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导数在中学数学解题中的应用
错因:本题时由于思维上的定势而造成的错误,因为点1,1不在曲线上,故在解题时盲目地将
1,1代入导数方程求出的切线斜率是错误的。
正解:
2设Px1,y1则y12x1x1
ky14x11 1 y112x12x11又k 2 x11x11联立12得:x10或2
当x10时切线方程为yx;当x12时切线方程为y7x8 3.2导数在解题时对极值点、驻点和拐点的区分 极值点定义:令函数y有
fx。给定x0的一个小邻域x0,,对于任意xx0,,都
fxfx0,称x0是fx的极小值点;否则,称x0是fx的极大值点。极小值点和极大
值点统称为极值点。
驻点定义:令函数yfx,若fx00,称x0是驻点。
拐点定义:连续曲线弧上的上凹弧与下凹弧的分界点,称为曲线弧的拐点。 拐点的判定定理:令函数yfx,若fx00,且xx0,fx0;xx0时
fx0或xx0,fx0;xx0时,fx0,称点x0,fx0为fx的拐点。
极值点的必要条件:令函数yfx,在点x0处可导,且x0是极值点,则fx00。
在区分极值点、驻点与拐点时需从上述的几个定义、定理进行仔细理解与区分。驻点不一定是极值点,极值点也不一定是驻点。在可导的情况下,极值点一定是驻点。
3.3导数在中学解题时不可导点的判定
在判定不可导点时可以从导函数、导数的定义以及假想延拓法来判定不可导点。
x2,x1例3.2fx为了使函数fx在x1处连续且可导,a,b应该取何值。
,x1axb解:
据已知函数在x1处连续且可导,因此在x1处左右导数均存在。 根据假想延拓法知,函数在x1左导数为f12
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导数在中学数学解题中的应用
于是再根据假想延拓法知,函数在x1处右导数为f1af12 再根据函数fx在x1处连续,得:
ab1
解得:
b1
3.4导数在中学数学解题时忽视了定义域的错误分析 例3.3求函数yIn23x的单调区间。 错解:
yIn23x
y令y0即
33 23x3x230解得:
3x2x2 3函数的单调增区间为22,,减区间为,
33错因:忽视了定义域。 正解:
2yIn23x y的定义域为,
3又
y故函数的单调减区间为,
30
3x2233.5导数在解题中因极值点与导数为零的点区分不清的错误分析 例3.4已知函数错解:
fxx3ax2bxa2在x1处有极值为10,求a,b的值。
fxx3ax2bxa2 fx3x22axb
a4a3f102ab30故即2解得:或
f110aab110b11b319 / 2119 / 2119
导数在中学数学解题中的应用
错因:函数可导时在xx0处取得极值的充要条件为①数值的符号相反。错解没有对条件②加以检验。
正解:
fx00;②在xx0左右两侧的导
fxx3ax2bxa2 fx3x22axb
a4a3f102ab30故即2解得:或
f110aab110b11b3a32当时,fx3x26x33x1,易知fx在x1的两侧同号,故fx在
b3x1处不存在极值。
当a4时,fx在x1的两侧异号,故fx在x1处存在极值。
b11综上所述:
a4,b11
本文将归纳总结出利用导数解决中学数学问题的若干方法及在利用导数解题时需注意的方面和易错点,从而方便导数初学者便于查找,在学习导数的初级阶段能够有更多的资料进行学习借鉴,在利用导数解题时注意到自己平时忽略到的方面。由于篇幅的原因,对于运用导数知识解题的错误类型1.函数在某点的导数是一个函数值;2.曲线过某点的切线方程,其点不在曲线上;3.单调区间的记法错误;4.把极值误认为最值;5.忽视其定义域等不再一一列举。
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