5.1.2 导数的概念及其几何意义
人教 A 版 · 本节 8 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 43 题 ↓
原书扫描页(人教 A 版原文)








本节的知识树
2 概念 · 最深 2 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。
考过本节的真题
共 43 道
- 浙江 2008 · q21 在 上的最小值 · 最小值点在三处之间跳, 才分三段经由 导数
- 浙江 2009 · q21中点条件把 与 绑成一个方程,存在性再砍掉一半 · 联立韦达两道判别式 / 点差法配参变分离 / 把椭圆压成圆取垂足经由 导数
- 浙江 2009 · q22一个参数两处露面:先分离再看交点,两支导数的值域必须严丝合缝 · 参变分离 / 正难则反算补集 / 图象法数根经由 导数
- 浙江 2010 · q09两端同号什么也不保证——四段里只有一段是真空着的经由 导数
- 浙江 2010 · q22把原点搬到 ——三个极值点变成 、、,补一个点成等差只有三种排法经由 导数
- 浙江 2011 · q12框图问的是一句话——从 起,第一次 在哪一圈经由 导数
- 浙江 2011 · q22最大值只可能在右端点——两个因子的上界恰好在 同时取到经由 导数
- 浙江 2012 · q09加号能反推,减号不能——A 靠单调站住,C、D 死在同一高度的两个落点经由 导数
- 浙江 2012 · q16距离相等的真意思是「各贴住同一对平行线」——圆贴 ,抛物线贴 经由 导数、导数的几何意义
- 浙江 2012 · q22 在 上递增,最大值只能在端点 · 凑成 ,经由 导数
- 浙江 2013 · q08 对两个 都成立 · 差的符号由 的奇偶一手决定经由 导数
- 浙江 2013 · q22切线方程与含参 |f(x)| 最大值 · 求导按 a 分类,或配立方看奇对称经由 导数、导数的几何意义
- 浙江 2014 · q17垂足能走出线段 · 一个函数走到底,或者根本不设函数:最大仰角就是那个二面角经由 导数
- 浙江 2014 · q19积的形式给的等比数列 · 和最大只看项的符号: 与 相遇两次,经由 导数
- 浙江 2014 · q21「只有一个公共点」就是相切 · 距离最大值 ,等号在 经由 导数的几何意义
- 浙江 2014 · q22绝对值把三次曲线折成 V 形 · 极差 一句筛掉半张纸,经由 导数
- 浙江 2015 · q10分界点写的是 ,所以 走上面那一段经由 导数
- 浙江 2015 · q11三项各有周期,先并成一条正弦 · 周期只看 ,减区间是峰顶到谷底那一段经由 导数
- 浙江 2017 · q07由导函数图象选原函数图象 · 正着给 f′ 分段定号拼出升降,或反着把每个选项的导数推回去比对经由 导数
- 浙江 2017 · q13展开式里只要两个低次系数 · 在乘法表左上角挑格子,或用代入与求导直接取出来经由 导数
- 浙江 2017 · q20带根号的指数型函数 · 导数分解成两个因子定三段单调,再把端点值并成值域经由 导数
- 浙江 2017 · q22反着写的递推数列 · 一条对数曲线上下夹住,取倒数把「至少翻倍」看出来经由 导数
- 浙江 2018 · q22令 把 变成二次式,;唯一交点靠 严格递减经由 导数
- 浙江 2019 · q09减掉 之后只剩「一条射线 一条三次曲线」· 分段各数一次零点,或把 分离成一条水平线经由 导数
- 浙江 2019 · q21焦点弦韦达 x₁x₂=1,重心钉死 C,面积比换元后均值/求导取最小经由 导数
- 浙江 2019 · q22端点先锁 a 的范围,再分 x≥1 与 x<1 两段证充分经由 导数
- 浙江 2020 · q04由解析式认图象 · 奇偶性砍掉一半再用一个端点的符号定生死,或求导把图象自己画出来经由 导数
- 浙江 2020 · q12升幂却从 起 · 下标比次数大 ,两空是 与 经由 导数
- 浙江 2020 · q22隐零点 的两侧夹逼 · 一条 用三次,把超越式全换成代数式经由 导数
- 浙江 2021 · q07由图象选函数 · 奇偶性刷掉 A、B,导数单调性刷掉 C经由 导数
- 浙江 2021 · q18三角恒等变换两问 · 把 sinx+cosx 的复合式都化成一条标准正弦经由 导数
- 浙江 2021 · q22含参指数函数 f(x)=aˣ−bx+e² 的单调性、零点存在性与根的放缩不等式经由 导数
- 浙江 2022 · q22过一点作三条切线 · 把「三条切线」翻译成「g 有三个零点」,再用比值代换收口经由 导数、导数的几何意义
- 浙江 2023 · q04复合函数单调性求参数 · 同增异减看内层轴,或求导转恒成立经由 导数
- 浙江 2023 · q19f=a(eˣ+a)−x · 含参分类讨论单调性,证不等式可构造 g 求导或切线放缩经由 导数
- 浙江 2023 · q22轨迹 W:y=x²+1/4 · 矩形三顶点在 W 上证周长>3√3(导数取最值 / 极坐标加均值)经由 导数
- 浙江 2024 · q06分段函数单调递增求参数 · 图象拆解、导数判增、边界值速判三条路经由 导数
- 浙江 2024 · q10三次函数四命题逐项判 · 导数定调,或作差配方经由 导数
- 浙江 2024 · q13一条直线同时切两条曲线求参数 · 设切点列方程,或参变分离数交点经由 导数、导数的几何意义
- 浙江 2024 · q18中心对称的对数函数三问 · 换元后按 b 分档讨论,或把第三问退回第一问经由 导数
- 浙江 2025 · q12由切线定参数 · 先求切点,或让「差函数」的最小值等于零经由 导数、导数的几何意义
- 浙江 2025 · q16构造 {naₙ} 化等差 · 那个和式两条路:错位相减,或对等比和求导经由 导数
- 浙江 2025 · q19三角函数压轴 · 借第 (2) 问造点,或把 cos 5x 化成 cos x 的多项式经由 导数
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
上一小节摆了两个来自不同学科的问题:跳水运动员的瞬时速度,和抛物线的切线斜率。 两条路走下来,做的动作一模一样——先算一个”平均”的比值,再让分母趋于零。 这一小节做的事,就是把这个共同的动作抽出来命名,叫做导数; 再回过头去问:它在图上长什么样。
课本的顺序是”定义 → 例题 → 几何意义 → 例题 → 导函数”。这里换一个顺序: 先把一个式子(差商的极限)立住,再一次讲清它的两种读法(变化率与斜率), 最后专讲这一节唯一的新工具——用导数的正负和大小去读一张图。 因为这一节的题只有两类:照定义算一个数,和看图说话。
一、一个式子:平均变化率与它的极限
对于函数 ,设自变量从 变到 ,函数值相应地从 变到 , 记
比值
叫做 从 到 的平均变化率。
如果当 时这个比值无限趋近于一个确定的值,就说 在 处可导, 把那个确定的值叫做 在 处的导数(也叫瞬时变化率),记作 或 :
三件事要抠清楚:
- 可正可负,但不能等于 (它在分母上)。“趋近于 “与”等于 “是两回事, 这正是要取极限而不是直接代入的原因;
- 和 都是”变化量”,不是”值”。 可正可负可零;
- 平均变化率是一段上的量,导数是一点上的量。题目问”从 1 变到 1.1 的平均变化率”就别求导, 问”在 处的导数”就别去算差商然后停在那儿。这两问经常并排出现,专治混淆。
按定义求导数的三步
这一节还没有求导公式,全部计算都靠定义。三步,每一步都有固定写法:
- 算 :,展开、把不含 的常数项抵消掉;
- 算 :分子每一项都带 ,约掉之后不再有分母;
- 令 :把剩下的式子里的 换成 。
关键在第 2 步:必须先把 约掉,再取极限。不约就代 会得到 ,什么也说明不了。 分子里凑不出 时,就通分(遇到分式)或有理化(遇到根式)。
二、两种读法:瞬时变化率与切线斜率
同一个 ,在不同语境里读法不同,但算法只有一个。
读法一:瞬时变化率。 路程对时间求导是速度,速度对时间求导是加速度, 温度对时间求导是温度变化的快慢,面积对半径求导是面积随半径变化的快慢。 单位是” 的单位/ 的单位”,写实际意义时必须带上,还要说清方向 (正是增加、负是减少)。
读法二:切线斜率。 在曲线 上取定点 与动点 ,割线 的斜率是
记 ,这就是平均变化率。当 沿曲线无限趋近于 时, 如果割线 无限趋近于一个确定位置的直线 ,就把 叫做曲线在点 处的切线, 而它的斜率
这就是导数的几何意义。
这个”切线”和初中圆的切线不是一回事
初中定义圆的切线是”与圆只有一个公共点的直线”。这里的定义是割线的极限位置,两者有实质差别:
- 曲线的切线可以与曲线有不止一个公共点(例如 在原点处的切线 只碰一次, 但 在原点处的切线 会穿过曲线);
- “只有一个公共点”也不足以成为切线( 与直线 只有一个公共点,那是竖直线,不是切线)。
“过某点的切线”与”在某点处的切线”是两类题:后者点一定在曲线上、且它就是切点; 前者那个点可能不在曲线上,也可能在曲线上却不是切点——那时要设切点、列方程。 高考里”过一点能作几条切线”正是靠这个差别出题的。
三、以直代曲:切线是曲线的局部替身
把切点附近不断放大,曲线看起来越来越像一条直线,而那条直线就是切线。所以在 附近可以用切线 近似代替曲线——这就是微积分里的”以直代曲”。
它有两个实用后果:
- 写完切线可以自己核:在切点旁边取一个近点,比较曲线的值与切线的值,两者应当很接近。 差得离谱就说明斜率算错了(这一招在本站的详解里用了好几次);
- 导数的大小 = 曲线的陡峭程度,下一节读图全靠它。
四、用导数读图:这一节唯一的新本事
设 在某点附近可导,则在该点附近:
| 切线 | 曲线 | |
|---|---|---|
| 上升 | 递增 | |
| 下降 | 递减 | |
| 水平 | 几乎没有升降,比较平坦 |
比大小: 越大,曲线在该点附近升(降)得越快。 所以”比较曲线在 、 附近下降的快慢”这类问题,比的是 与 , 在图上就是比两条切线的倾斜程度。
从图上估导数:画出该点处的切线,在切线上取两个格点算斜率,就是导数的近似值。 课本例 5(血管中药物浓度)用的正是这一招——它提醒我们,导数不一定要有解析式才能谈。
导函数
对每个可导的 都是一个确定的数,于是 本身是一个函数, 叫 的导函数(简称导数),也记作 :
与 差一个字,差别很大:前者是函数,后者是它在一点的值。 写”求 “时,正确的次序是先求导函数,再代 ;反过来先把 代进 ,得到的是常数, 导数恒为零。
五、求切线方程的三步(这一节起,一直用到本章结束)
- 验点在不在曲线上(代横坐标,看纵坐标对不对得上);
- 算斜率 ;
- 写点斜式 ,再整理成一般式。
题目问”倾斜角”时,多一步:由 且 反求 。
六、易错清单
按失分频率排:
- 平均变化率与导数混为一谈。 一段一点,问哪个答哪个。
- 约 之前就令 ,得到 。
- 先代点再求导。 必须先求导函数(或先把差商化简完),最后代点。
- 实际意义不带单位、不说增减方向。
- 把曲线的切线当成”只有一个公共点的直线”。
- “过点 “与”在点 处”混用,没验点在不在曲线上就直接套 。
- 求出斜率就收工,题目要的是方程或倾斜角。
- 看图比较快慢时比 而不比 。 两处都在下降时, 更小(更负)的那处降得更快。
七、这一节考过的真题(怎么用它们)
页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,这里只给一个读的顺序:
- 先做 2025 年第 12 题:由切线定参数。它是第五节那三步的正用与反用各一次, 是把”切点—斜率—方程”这条链练熟的最短路径;
- 再做 2024 年第 13 题:一条直线同时切两条曲线。这道题逼你把”在某点处的切线”写成 带参数的一族,再让两族重合——“设切点”这个动作从这里开始成为常规武器;
- 然后是 2022 年第 22 题:过一点作三条切线。它正是第二节末尾那条差别的完整演出—— “过某点”与”在某点处”不是一回事,前者要设切点,切点个数变成一个方程的根的个数;
- 2023 年第 4 题、2024 年第 6 题、2024 年第 10 题练的是导数的正负与单调性、 图象判断的对应,正好对上第四节那张表;
- 2023 年第 19 题、2024 年第 18 题、2025 年第 16 题、2025 年第 19 题里, 导数只是入口,主体是分类讨论与构造;
- 最后是 2023 年第 22 题,这一节的上限:在曲线 上做几何最值。 它提醒的是这一节最本质的一句话——导数把”曲线的局部形状”变成了可以计算的东西。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
这一节的页里住着四批题:第 69 页「练习」2 道(§5.1.1 变化率问题那一小节的练习,按页排在这里)、 第 71 页「练习」4 道、第 74–75 页「练习」4 道,以及 §5.1 全节末尾的「习题 5.1」12 道。 本份详解做其中 16 道,不收的 6 道分两类,逐条写在这里:
- 题面依赖图象、数据只在扫描图里(题面引文引不全,独立复核也就无靶可核)—— 第 74 页「练习」第 1 题(“根据图 5.1-6 描述曲线在 、 附近…”,两个时刻只标在图上)、 第 75 页「练习」第 2 题(选择题,函数图象在图上)、 习题 5.1 第 5 题(四个备选图象是四张图)、第 6 题(“如图,试描述…”)、 第 10 题(“已知函数 的图象,试画出其导函数图象”);
- 要用信息技术工具作图估值、没有唯一解答——第 75 页「练习」第 4 题(吹气球)。
本站解答没有官方答案可比(人教A版学生用书不含答案),页面上那句声明说的就是这件事; 所以每道题都过了一次独立 verifier 的复核。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
本节还没有求导公式表,全部计算一律按导数的定义:
三步:算 → 约去 → 令 。
练习(第 69 页)第 1 题
- 你认为应该怎样定义抛物线 在点 处的切线?试求抛物线 在点 处切线的斜率.
先说定义。 初中”与圆只有一个公共点的直线”那条定义搬不过来:直线 与抛物线 也只有一个公共点,但它是竖直线,显然不该叫切线。可用的定义要靠割线的极限位置——
定义:在抛物线上另取一点 ,作割线 (其中 )。当点 沿抛物线 无限趋近于 时,如果割线 无限趋近于一条确定位置的直线 , 就把 叫做抛物线在点 处的切线。
按这个定义,切线的斜率就是割线斜率的极限,也就是 在 处的导数。
再算斜率。 题给的点是 ;先核它在抛物线上: ✓,所以 。
因为 (它在分母上),可以约去:
令 :
所以切线的斜率是 。
核一遍:抛物线 在 处正在下降(顶点在 ,左侧递减),斜率应为负,相符。 再用一般公式核:对任意 ,同样的三步给出 ,代 得 ,一致。
练习(第 69 页)第 2 题
- 求抛物线 在点 处的切线方程.
第一步:验切点。 ,与题给纵坐标相符, 在抛物线上,它就是切点。
第二步:按定义算斜率。
令 :
第三步:写方程。 斜率为 ,过点 的直线是水平线:
核一遍: 是抛物线 的顶点,顶点处切线水平,与 相符; 对任意 有 ,所以直线 只在顶点与曲线相遇,位置也对。
练习(第 71 页)第 1 题
- 在例 2 中,计算第 3 h 与第 5 h 时,原油温度的瞬时变化率,并说明它们的意义.
例 2 将原油精炼为汽油、柴油、塑胶等各种不同产品,需要对原油进行冷却和加热。已知在第 x h 时,原油的温度(单位:℃)为 ( )。计算第 2 h 与第 6 h 时,原油温度的瞬时变化率,并说明它们的意义。
(第二个引用块是题面所指的例 2,逐字引自第 70 页。)
所求就是 与 ,其中 。 与 都落在 内,可以算。
第 3 h。 ,
分子展开:,于是
第 5 h。 ,
分子展开:,于是
意义(单位是”温度单位/时间单位”,即 ):
- ——在第 3 h 附近,原油温度大约以每小时 的速率下降;
- ——在第 5 h 附近,原油温度大约以每小时 的速率上升。
核一遍:一般地同样的三步给出 ,代 得 、代 得 ,与上面一致; 在 时为负、 时为正,说明温度先降后升,第 3 h 在降、第 5 h 在升,符合。
练习(第 71 页)第 2 题
- 设 ,求 .
按定义:
这个比值与 无关,恒等于 ,所以
意义: 的图象是直线 ,处处的切线就是它自己,斜率恒为 。 所以不只是 ,对任意 都有 。
练习(第 71 页)第 3 题
- 一质点 沿直线运动, 位移 (单位: ) 与时间 (单位: ) 之间的关系为 , 求质点 在 时的瞬时速度.
瞬时速度就是位移对时间的导数。先求一般的 ,再代 (次序不能反)。
代 :
所以质点 在 时的瞬时速度是 。
核一遍(用一小段的平均速度粗估):从 到 , ; 从 到 同法得 。瞬时速度 正落在两者之间,相符。
练习(第 71 页)第 4 题
- 设函数 . 求:
(1) 当自变量 x 由 1 变到 1.1 时,函数的平均变化率;
(2) 函数在 x=1 处的导数.
这两问并排出现正是为了区分一段上的平均变化率与一点处的导数。
(1) 这里 ,
所以平均变化率
(2) 按定义:
两问对照着看:把 代进 (2) 的化简式 ,正好得到 (1) 的 —— 平均变化率是导数在 还没趋于零时的样子, 越小两者越接近。
练习(第 75 页)第 3 题
- 求曲线 在点 处的切线方程.
第一步:验切点。 把 代入:,与题给纵坐标相符, 在曲线上。
第二步:按定义算斜率。 记 ,,
约去 ():
第三步:写点斜式。
即
核一遍: 代入得 ✓。曲线开口向下、顶点在 , 在 处正在下降,与 相符。再用”以直代曲”粗核: 时曲线值 ,切线值 ,两者只差 。
习题 5.1 第 1 题
- 一个物体从 高处做自由落体运动, s 时该物体距离地面的高度(单位:)为 。求该物体在 时的瞬时速度,并解释此时物体的运动状况。
瞬时速度就是高度对时间的导数。,
约去 :
所以 时的瞬时速度是 。
运动状况: 量的是距离地面的高度,导数为负说明高度在减小,即物体正在下落, 此刻的速率是 。一般地同样的三步给出 , 它的绝对值随 增大,说明下落越来越快——这正是自由落体(加速度大小 )。
核一遍:,物体在 时还没落地(落地时刻由 得 ),所以 处于运动过程中,上面的计算有意义。
习题 5.1 第 2 题
- 圆的面积 (单位:)与半径 (单位:)的关系为 。求 时面积关于半径的瞬时变化率。
所求是 。,
约去 :
所以 时面积关于半径的瞬时变化率是
意义与自检:这个数的含义是”半径在 附近每增加 ,面积大约增加 ”。 一般地 ——恰好是该圆的周长,这不是巧合:半径增加一点点, 新增的面积就是沿圆周铺开的一圈细环。 粗核:,除以 得 ,与 相符。
习题 5.1 第 3 题
- 某质点沿直线运动,位移 (单位:m)与时间 (单位:s)之间的关系为 。求:(1) 这段时间内的平均速度;(2) 时的瞬时速度。
(1) 平均速度是这一段上的平均变化率。,,
(2) 瞬时速度是 处的导数:
约去 :
两问对照:把 代进化简式 得 ,正是 (1) 的答案—— 平均速度是瞬时速度在 还没趋于零时的样子。又 随 增大, 所以 上的平均速度()比起点的瞬时速度()大,合理。
习题 5.1 第 4 题
- 已知车轮旋转的角度 (单位:rad)与时间 (单位:s)之间的关系为 。求车轮转动开始后第 时的瞬时角速度。
瞬时角速度就是角度对时间的导数。先求一般的 :
令 :
代 :
核一遍: ✓。 换算一下: 约合每秒 转,量级上是一个正在快速旋转的车轮。
习题 5.1 第 7 题
- 求曲线 在点 处的切线的倾斜角.
第一步:验点。 ,与题给纵坐标相符,点在曲线上。
第二步:算斜率。 记 ,,
约去 :
第三步:由斜率求倾斜角。 设倾斜角为 ,则 ,且按定义 , 在这个范围内 只有一个解:
核一遍:,切线上升,倾斜角应落在 内, 符合; ✓。
习题 5.1 第 8 题
- 一个质量为 的物体做直线运动,设位移 (单位: )与时间 (单位:s)之间的关系为 ,并且物体的动能 求物体开始运动后第 时的动能.
第一步:由位移求速度。 速度是位移对时间的导数:
第二步:代 。
第三步:代动能公式。 ,
所以第 时物体的动能是 。
单位核一遍:,量纲对得上。 这道题的关键动作:动能公式里的 是瞬时速度,要先求导再代—— 直接把 当成速度代进去是最常见的错法。
习题 5.1 第 9 题
- 根据下面的文字叙述,画出相应的路程关于时间的函数图象的大致形状.
(1) 汽车在笔直的公路上匀速行驶;
(2) 汽车在笔直的公路上不断加速行驶;
(3) 汽车在笔直的公路上不断减速行驶.
路程关于时间的函数记作 ,则速度就是它的导数 。三小问都是同一个动作: 把文字里的速度信息翻译成 的性质,再翻译成图象的形状。 三种情形里汽车都在前进,所以 ,图象都是上升的;差别全在”陡峭程度怎么变”。
(1) 匀速。 是正的常数,即图象上每一点处切线的斜率都相同。 斜率处处相同的图象是一条直线——从出发点起、向右上方、倾斜程度始终不变。
(2) 不断加速。 且随 增大,即切线越来越陡。 图象是一条上升的曲线,而且越来越陡(形如 在 的那一段),向上弯曲。
(3) 不断减速。 但随 减小,即切线越来越平。 图象是一条上升的曲线,而且越来越平缓(形如 那样),向下弯曲。
三条放在一起看:三条曲线都从左下往右上走,区别只在弯的方向——(1) 不弯,(2) 向上弯, (3) 向下弯。判断依据只有一条:斜率(= 速度)是不变、变大还是变小。
核一遍:减速行驶时路程仍在增加(车没有倒退),所以 (3) 的图象不该下降—— “减速”减的是斜率,不是函数值。这是本题最容易画错的地方。
习题 5.1 第 11 题
- 在一次跳水运动中,t s 时运动员的重心相对于水面的高度(单位:m)是 。高度 h 关于时间 t 的导数是速度 v,速度 v 关于时间 t 的导数 的物理意义是什么?试求 v, 关于时间 t 的函数解析式。
先求 。
分子展开:,于是
再求 。
这个比值与 无关,所以
的物理意义: 是速度关于时间的瞬时变化率,也就是加速度。 这里它是常数 ,负号表示方向与”高度增加”的方向相反(即竖直向下), 大小 正是重力加速度——运动员离开跳板后只受重力,做匀变速运动。
核一遍:,起跳瞬间重心在上升,符合跳水动作; 由 得 ,此时到达最高点,之后 开始下落, 整个过程与 是开口向下的抛物线相符。
习题 5.1 第 12 题
- 根据下列条件,分别画出函数 的图象在这点附近的大致形状: (1) (2) (3)
每一小问给的都是同一对信息:函数值定”图象经过哪个点”,导数值定”图象在该点附近的倾斜程度”。 按”以直代曲”,在这一点附近曲线与它的切线几乎重合,所以只要把切线画出来, 再把曲线画成在该点与切线相切的一小段即可。切线方程一律由点斜式给出:
(1) ,。 图象过点 ;该点处切线是
斜率 ,倾斜角 ()。所以在 附近, 图象是一小段下降的曲线,倾斜程度与 的直线相当(不陡不缓)。
(2) ,。 图象过点 ;该点处切线是
斜率 且很大,所以在 附近,图象是一小段急剧上升的曲线,几乎接近竖直方向。
(3) ,。 图象过点 ;该点处切线是
是一条水平直线。所以在 附近,图象几乎是平的、看不出明显升降。
三小问对照着看:三段曲线的位置由 决定,姿态由 决定—— 负号向下、正号向上、零则水平;绝对值越大越陡。 注意题目只给了一点处的信息,所以只能说”该点附近”的形状, 不能断言整条曲线是增是减、是凹是凸——那需要导数在一个区间上的信息。
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从几何图形上看,当横坐标间隔 无限变小时,点 无限趋近于点 ,于是割线 无限趋近于点 处的切线 ,这时,割线 的斜率 无限趋近于点 处的切线 的斜率 ,因此,切线 的斜率
思考
观察问题 1 中的函数 的图象(图 5.1-2),平均速度
的几何意义是什么?瞬时速度 呢?

练习
-
你认为应该怎样定义抛物线 在点 处的切线?试求抛物线 在点 处切线的斜率.
-
求抛物线 在点 处的切线方程.
5.1.2 导数的概念及其几何意义
前面我们研究了两类变化率问题:一类是物理学中的问题,涉及平均速度和瞬时速度;另一类是几何学中的问题,涉及割线斜率和切线斜率。这两类问题来自不同的学科领域,但在解决问题时,都采用了由“平均变化率”逼近“瞬时变化率”的思想方法;问题的答案也有一样的表示形式。下面我们用上述思想方法研究更一般的问题。
对于函数 ,设自变量 从 变化到 ,相应地,函数值 就从 变化到 。这时, 的变化量为 , 的变化量为
我们把比值 ,即
叫做函数 从 到 的平均变化率.
如果当 时,平均变化率 无限趋近于一个确定的值,即 有极限,则称 在 处可导,并把这个确定的值叫做 在 处的导数(derivative)(也称为瞬时变化率),记作 或 ,即
由导数的定义可知,问题1中运动员在 时的瞬时速度 ,就是函数 在 处的导数 ;问题2中抛物线 在点 处的切线 的斜率 ,就是函数 在 处的导数 。实际上,导数可以描述任何运动变化事物的瞬时变化率,如效率、交变电流、比热容等。
根据物体的路程关于时间的函数求速度与加速度和求已知曲线的切线这两类问题直接促使了导数的产生.
例1 设 ,求 .
解:
例 2 将原油精炼为汽油、柴油、塑胶等各种不同产品,需要对原油进行冷却和加热。已知在第 x h 时,原油的温度(单位:℃)为 ( )。计算第 2 h 与第 6 h 时,原油温度的瞬时变化率,并说明它们的意义。
解:在第 2 h 和第 6 h 时,原油温度的瞬时变化率就是 和 .
根据导数的定义,
所以
同理可得
① 请同学们自己完成具体运算过程.
在第 2 h 与第 6 h 时,原油温度的瞬时变化率分别为 与 。说明在第 2 h 附近,原油温度大约以 的速率下降;在第 6 h 附近,原油温度大约以 的速率上升。
一般地, ( )反映了原油温度在时刻 附近的变化情况.
例3 一辆汽车在公路上沿直线变速行驶,假设 s时汽车的速度(单位: )为 ,求汽车在第 与第 时的瞬时加速度,并说明它们的意义.
分析:瞬时加速度是速度关于时间的瞬时变化率。因此,在第 2 s 与第 6 s 时,汽车的瞬时加速度分别为 , 。
解:在第 2 s 和第 6 s 时,汽车的瞬时加速度就是 和 .
根据导数的定义,
所以
同理可得
在第 2 s 与第 6 s 时,汽车的瞬时加速度分别是 与 。说明在第 2 s 附近,汽车的速度每秒大约增加 2 m/s;在第 6 s 附近,汽车的速度每秒大约减少 6 m/s。
练习
-
在例 2 中,计算第 3 h 与第 5 h 时,原油温度的瞬时变化率,并说明它们的意义.
-
设 ,求 .
-
一质点 沿直线运动, 位移 (单位: ) 与时间 (单位: ) 之间的关系为 , 求质点 在 时的瞬时速度.
-
设函数 . 求:
(1) 当自变量 x 由 1 变到 1.1 时,函数的平均变化率;
(2) 函数在 x=1 处的导数.
我们知道,导数 表示函数 在 处的瞬时变化率,反映了函数 在 附近的变化情况。那么导数 的几何意义是什么?
思考
观察函数 的图象(图 5.1-3),平均变化率
表示什么?瞬时变化率

表示什么?
容易发现,平均变化率
表示割线 的斜率.
如图 5.1-4,在曲线 上任取一点 ,如果当点 沿着曲线 无限趋近于点 时,割线 无限趋近于一个确定的位置,这个确定位置的直线 称为曲线 在点 处的切线(tangent line).
此处的切线定义与初中学过的圆的切线定义有什么不同?

● ●
利用信息技术工具,演示图5.1-4中 的动态变化效果.做一做,看一看!
与问题2中抛物线的割线和切线之间的关系类似,容易知道,割线 的斜率
记 ,当点 沿着曲线 无限趋近于点 时,即当 时, 无限趋近于函数 在 处的导数. 因此,函数 在 处的导数 就是切线 的斜率 ,即
这就是导数的几何意义.
继续观察图 5.1-4,可以发现点 处的切线 比任何一条割线更贴近点 附近的曲线。进一步地,利用信息技术工具将点 附近的曲线不断放大(图 5.1-5),可以发现点 附近的曲线越来越接近于直线。因此,在点 附近,曲线 可以用点 处的切线 近似代替。



。
①数学上常用简单的对象刻画复杂的对象。例如,用有理数3.1416近似代替无理数 。这里,我们用曲线上某点处的切线近似代替这一点附近的曲线,这是微积分中重要的思想方法——以直代曲。
例 4 图 5.1-6 是跳水运动中某运动员的重心相对于水面的高度随时间变化的函数 的图象。根据图象,请描述、比较曲线 在 , , 附近的变化情况。

. .
为使横轴中各点明确区分,本图坐标系中横、纵轴的单位长度选取不一致.
解:我们用曲线 在 处的切线斜率,刻画曲线 在上述三个时刻附近的变化情况.
(1)当 时,曲线 在 处的切线 平行于 轴,。这时,在 附近曲线比较平坦,几乎没有升降。
(2)当 时,曲线 在 处的切线 的斜率 ,这时,在 附近曲线下降,即函数 在 附近单调递减.
(3)当 时,曲线 在 处的切线 的斜率 ,这时,在 附近曲线下降,即函数 在 附近也单调递减.
从图 5.1-6 可以看出,直线 的倾斜程度小于直线 的倾斜程度,这说明曲线 在 附近比在 附近下降得缓慢.
例 5 图 5.1-7 是人体血管中药物浓度 (单位:mg/mL)随时间 t (单位:min)变化的函数图象.根据图象,估计 t = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 min 时,血管中药物浓度的瞬时变化率(精确到 0.1).
解:血管中某一时刻药物浓度的瞬时变化率,就是药物浓度 在此时刻的导数,从图象上看,它表示曲线 在此点处的切线的斜率.
如图 5.1-7,画出曲线上某点处的切线,利用网格估计这条切线的斜率,可以得到此时刻药物浓度瞬时变化率的近似值.
作 处的切线,并在切线上取两点,如(0.7,0.91),(1.0,0.48),则该切线的斜率
所以
表 5.1-3 给出了药物浓度的瞬时变化率的估计值.
从求函数 在 处导数的过程可以看到,当 时, 是一个唯一确定的数。这样,当 变化时, 就是 的函数,我们称它为 的导函数(derived function)(简称导数)。 的导函数有时也记作 ,即
练习
- 根据图 5.1-6,描述曲线 在 , 附近增(减)以及增(减)快慢的情况.
- 函数 的图象如图所示,下列数值排序正确的是().
(A) (B)
(C) (D)
- 求曲线 在点 处的切线方程.

- 吹气球时,气球的半径 (单位: )与体积 (单位:L)之间的函数关系是 利用信息技术工具,画出 时函数的图象,并根据其图象估计 ,1.2L时,气球的瞬时膨胀率.
(第2题)
习题5.1

复习巩固
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一个物体从 高处做自由落体运动, s 时该物体距离地面的高度(单位:)为 。求该物体在 时的瞬时速度,并解释此时物体的运动状况。
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圆的面积 (单位:)与半径 (单位:)的关系为 。求 时面积关于半径的瞬时变化率。
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某质点沿直线运动,位移 (单位:m)与时间 (单位:s)之间的关系为 。求:(1) 这段时间内的平均速度;(2) 时的瞬时速度。
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已知车轮旋转的角度 (单位:rad)与时间 (单位:s)之间的关系为 。求车轮转动开始后第 时的瞬时角速度。
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小明骑车上学,开始时匀速行驶,途中因交通堵塞停留了一段时间,后为了赶时间加快速度行驶。与以上事件吻合得最好的图象是().




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如图,试描述函数 在 附近的变化情况.
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求曲线 在点 处的切线的倾斜角.

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一个质量为 的物体做直线运动,设位移 (单位: )与时间 (单位:s)之间的关系为 ,并且物体的动能 求物体开始运动后第 时的动能.
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根据下面的文字叙述,画出相应的路程关于时间的函数图象的大致形状.
(1) 汽车在笔直的公路上匀速行驶;
(2) 汽车在笔直的公路上不断加速行驶;
(3) 汽车在笔直的公路上不断减速行驶.
- 如图,已知函数 的图象,试画出其导函数 图象的大致形状.




拓广探索
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在一次跳水运动中,t s 时运动员的重心相对于水面的高度(单位:m)是 。高度 h 关于时间 t 的导数是速度 v,速度 v 关于时间 t 的导数 的物理意义是什么?试求 v, 关于时间 t 的函数解析式。
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根据下列条件,分别画出函数 的图象在这点附近的大致形状: (1) (2) (3)