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(第 94–114 页)上印着四批题 ,本份全收,共 41 道 :
第 94 页「练习」3 道——它们考的是上一小节的单调性 ,但印在第 94 页上,而第 94 页属于本节目录,
所以归这一份(§5.3 那一份只收第 92 页的练习);
第 97 页「练习」2 道、第 99 页「练习」2 道、第 102 页「练习」2 道;
第 102–104 页「习题 5.3」13 道;
第 108–109 页「复习参考题 5」19 道。它是全章的复习题 ,其中第 1、2、4、5、6 题考的是导数的
概念、几何意义与运算(§5.1–§5.2),不属于本节主题;但一道题只能落在印它那几页所在的目录里,
所以照样在这里收齐。
不收 的是三处没有唯一解答的开放材料:第 105 页「信息技术应用」、第 106 页「文献研究:微积分的
创立与发展」、第 107–108 页「回顾与思考」的 6 个问题。它们要的是操作与写作,不是可复核的解答。
本站解答没有官方答案可比 (人教A版学生用书不含答案),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。
练习(第 94 页)第 1 题
判断下列函数的单调性,并求出单调区间:
(1) f ( x ) = 3 x − x 3 f(x)=3x-x^{3} f ( x ) = 3 x − x 3 ; (2) f ( x ) = x 3 − x 2 − x f(x)=x^{3}-x^{2}-x f ( x ) = x 3 − x 2 − x .
(1) 定义域为 R \mathbf{R} R 。求导并分解因式:
f ′ ( x ) = 3 − 3 x 2 = 3 ( 1 − x ) ( 1 + x ) f'(x)=3-3x^{2}=3(1-x)(1+x) f ′ ( x ) = 3 − 3 x 2 = 3 ( 1 − x ) ( 1 + x )
令 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f ′ ( x ) = 0 得 x = − 1 x=-1 x = − 1 与 x = 1 x=1 x = 1 ,它们把 R \mathbf{R} R 切成三段,逐段取测试点判号:
区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,\ -1) ( − ∞ , − 1 ) ( − 1 , 1 ) (-1,\ 1) ( − 1 , 1 ) ( 1 , + ∞ ) (1,\ +\infty) ( 1 , + ∞ ) 测试点 x = − 2 x=-2 x = − 2 :f ′ = 3 ( 3 ) ( − 1 ) = − 9 f'=3(3)(-1)=-9 f ′ = 3 ( 3 ) ( − 1 ) = − 9 x = 0 x=0 x = 0 :f ′ = 3 f'=3 f ′ = 3 x = 2 x=2 x = 2 :f ′ = 3 ( − 1 ) ( 3 ) = − 9 f'=3(-1)(3)=-9 f ′ = 3 ( − 1 ) ( 3 ) = − 9 f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) − - − + + + − - − f ( x ) f(x) f ( x ) 单调递减 单调递增 单调递减
所以 f ( x ) = 3 x − x 3 f(x)=3x-x^{3} f ( x ) = 3 x − x 3 在 ( − 1 , 1 ) (-1,\ 1) ( − 1 , 1 ) 上单调递增,在 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,\ -1) ( − ∞ , − 1 ) 与 ( 1 , + ∞ ) (1,\ +\infty) ( 1 , + ∞ ) 上单调递减。
(2) 定义域为 R \mathbf{R} R 。求导:
f ′ ( x ) = 3 x 2 − 2 x − 1 = ( 3 x + 1 ) ( x − 1 ) f'(x)=3x^{2}-2x-1=(3x+1)(x-1) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 2 x − 1 = ( 3 x + 1 ) ( x − 1 )
令 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f ′ ( x ) = 0 得 x = − 1 3 x=-\dfrac13 x = − 3 1 与 x = 1 x=1 x = 1 。二次项系数 3 > 0 3>0 3 > 0 ,抛物线开口向上,故两根之间为负、两根之外为正:
区间 ( − ∞ , − 1 3 ) \left(-\infty,\ -\frac13\right) ( − ∞ , − 3 1 ) ( − 1 3 , 1 ) \left(-\frac13,\ 1\right) ( − 3 1 , 1 ) ( 1 , + ∞ ) (1,\ +\infty) ( 1 , + ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) + + + − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 单调递增 单调递减 单调递增
所以 f ( x ) = x 3 − x 2 − x f(x)=x^{3}-x^{2}-x f ( x ) = x 3 − x 2 − x 在 ( − ∞ , − 1 3 ) \left(-\infty,\ -\dfrac13\right) ( − ∞ , − 3 1 ) 与 ( 1 , + ∞ ) (1,\ +\infty) ( 1 , + ∞ ) 上单调递增,
在 ( − 1 3 , 1 ) \left(-\dfrac13,\ 1\right) ( − 3 1 , 1 ) 上单调递减。
这两题的动作 :三次函数求导得二次函数,先把二次式分解成因式 ,正负就由开口方向与两根位置
一眼定下来,不必逐段代数。
练习(第 94 页)第 2 题
证明函数 f ( x ) = 2 x 3 − 6 x 2 + 7 f(x) = 2x^{3} - 6x^{2} + 7 f ( x ) = 2 x 3 − 6 x 2 + 7 在区间(0,2)内单调递减.
定义域为 R \mathbf{R} R ,区间 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 含在其中。求导:
f ′ ( x ) = 6 x 2 − 12 x = 6 x ( x − 2 ) f'(x)=6x^{2}-12x=6x(x-2) f ′ ( x ) = 6 x 2 − 12 x = 6 x ( x − 2 )
当 0 < x < 2 0<x<2 0 < x < 2 时,6 x > 0 6x>0 6 x > 0 而 x − 2 < 0 x-2<0 x − 2 < 0 ,两个因子异号,故
f ′ ( x ) = 6 x ( x − 2 ) < 0 ( 0 < x < 2 ) . f'(x)=6x(x-2)<0 \quad (0<x<2) . f ′ ( x ) = 6 x ( x − 2 ) < 0 ( 0 < x < 2 ) .
导数在区间 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 内处处为负 ,所以 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 内单调递减。■ \blacksquare ■
自检。 f ( 0 ) = 7 f(0)=7 f ( 0 ) = 7 ,f ( 1 ) = 2 − 6 + 7 = 3 f(1)=2-6+7=3 f ( 1 ) = 2 − 6 + 7 = 3 ,f ( 2 ) = 16 − 24 + 7 = − 1 f(2)=16-24+7=-1 f ( 2 ) = 16 − 24 + 7 = − 1 ,确实一路下降,与结论相符。
练习(第 94 页)第 3 题
函数 y = f ′ ( x ) y = f'(x) y = f ′ ( x ) 的图象如图所示,试画出函数 y = f ( x ) y = f(x) y = f ( x ) 图象的大致形状.
先把图上能读出的信息一条条列清楚。 图给的是导函数 y = f ′ ( x ) y=f'(x) y = f ′ ( x ) 在 ( 0 , e ) (0,e) ( 0 , e ) 上的图象:
在 ( 0 , a ) (0,a) ( 0 , a ) 上,图象是一条水平线段 ,且位于 x x x 轴上方——f ′ f' f ′ 是一个正的常数 ;
从 x = a x=a x = a 起图象直线下降 ,在 x = b x=b x = b 处穿过 x x x 轴(b b b 紧挨在 a a a 右边);
继续下降到 x = c x=c x = c 处取到最低点 (在 x x x 轴下方),随后回升;
在 x = d x=d x = d 处再次穿过 x x x 轴,此后一路上升到 x = e x=e x = e ,终点在 x x x 轴上方。
于是 f ′ f' f ′ 的符号是「正 — 负 — 正」,分界点是 b b b 与 d d d :
区间 ( 0 , b ) (0,\ b) ( 0 , b ) ( b , d ) (b,\ d) ( b , d ) ( d , e ) (d,\ e) ( d , e ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) + + + − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 单调递增 单调递减 单调递增
所以 y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 的大致形状是:升 → 降 → 升 ,在 x = b x=b x = b 处取得极大值、在 x = d x=d x = d 处取得极小值
(两处的切线都水平)。
还有两处细节要画出来,它们正是这道题给水平段与最低点的用意:
在 ( 0 , a ) (0,a) ( 0 , a ) 上 f ′ f' f ′ 是常数 ⟹ 这一段的 f f f 是一条上升的线段 (斜率处处相同),不是弯曲的弧;
过了 a a a 之后 f ′ f' f ′ 虽仍为正但在变小,所以 f f f 继续上升却越升越平 ,到 b b b 处变平。
f ′ f' f ′ 在 x = c x=c x = c 处最小(负得最多) ⟹ f f f 在 x = c x=c x = c 处下降得最陡 ;c c c 两侧 f f f 的下降速度都
比 c c c 处慢,图象在 c c c 处由「凸」转「凹」。
在 ( d , e ) (d,e) ( d , e ) 上 f ′ f' f ′ 从 0 0 0 一路增大 ⟹ f f f 从水平起步,越升越陡 。
把这四段接起来:从原点附近开始是一段直的上坡 ,到 a a a 后上坡逐渐变缓,在 b b b 处到达山顶 ;
随后下坡,在 c c c 处最陡,再逐渐变缓,在 d d d 处到达谷底 ;最后重新上坡且越来越陡,到 e e e 结束。
这道题的动作 :读 f ′ f' f ′ 的图象要读两样 东西——零点 (定 f f f 的升降转折)与大小
(定 f f f 的陡缓)。只读零点画出的图升降对、形状错;本题的水平段与最低点考的正是第二样。
练习(第 97 页)第 1 题
函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的导函数 y = f ′ ( x ) y = f'(x) y = f ′ ( x ) 的图象如图所示,试找出函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的极值点,并指出哪些是极大值点,哪些是极小值点.
先读图。 图上给的是 y = f ′ ( x ) y=f'(x) y = f ′ ( x ) 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上的图象,标了 x 1 , … , x 6 x_{1},\dots,x_{6} x 1 , … , x 6 六个点,
它与 x x x 轴的关系是:
从 x = a x=a x = a 起图象在 x x x 轴上方 ,升到 x 1 x_{1} x 1 处的一个高点后转而下降;
在 x 2 x_{2} x 2 处由上向下穿过 x x x 轴(x 2 x_{2} x 2 在原点右侧一点);
在 x x x 轴下方降到 x 3 x_{3} x 3 处的低点后回升,在 x 4 x_{4} x 4 处由下向上穿过 x x x 轴;
升到 x 5 x_{5} x 5 处的高点后又下降,在 x 6 x_{6} x 6 处触到 x x x 轴又弹回去 (只碰不穿),此后升到 x = b x=b x = b 。
判定用的是极值的充分条件:f ′ ( x 0 ) = 0 f'(x_{0})=0 f ′ ( x 0 ) = 0 且 f ′ f' f ′ 在 x 0 x_{0} x 0 两侧异号。 逐个点过一遍:
点 f ′ f' f ′ 在该点左侧 f ′ f' f ′ 右侧 f ′ f' f ′ 结论 x 1 x_{1} x 1 > 0 >0 > 0 + + + + + + 不是极值点(f ′ ≠ 0 f'\neq0 f ′ = 0 ) x 2 x_{2} x 2 = 0 =0 = 0 + + + − - − 极大值点 x 3 x_{3} x 3 < 0 <0 < 0 − - − − - − 不是极值点(f ′ ≠ 0 f'\neq0 f ′ = 0 ) x 4 x_{4} x 4 = 0 =0 = 0 − - − + + + 极小值点 x 5 x_{5} x 5 > 0 >0 > 0 + + + + + + 不是极值点(f ′ ≠ 0 f'\neq0 f ′ = 0 ) x 6 x_{6} x 6 = 0 =0 = 0 + + + + + + 不是极值点(不变号 )
答:f ( x ) f(x) f ( x ) 的极值点是 x 2 x_{2} x 2 与 x 4 x_{4} x 4 ,其中 x 2 x_{2} x 2 是极大值点,x 4 x_{4} x 4 是极小值点。
这道题埋了两个坑,正好把本节两句话都考到:
x 1 , x 3 , x 5 x_{1},x_{3},x_{5} x 1 , x 3 , x 5 是导函数 f ′ f' f ′ 自己的 极值点(f ′ f' f ′ 在那里最大或最小),不是 f f f 的极值点。
f f f 在 x 1 x_{1} x 1 处上升最快、在 x 3 x_{3} x 3 处下降最快而已。别把 f ′ f' f ′ 的峰谷当成 f f f 的峰谷。
x 6 x_{6} x 6 处 f ′ ( x 6 ) = 0 f'(x_{6})=0 f ′ ( x 6 ) = 0 却不变号 ——这正是「f ′ ( x 0 ) = 0 f'(x_{0})=0 f ′ ( x 0 ) = 0 是必要条件而非充分条件」的图象版本,
与反例 f ( x ) = x 3 f(x)=x^{3} f ( x ) = x 3 在 x = 0 x=0 x = 0 处是同一回事。
练习(第 97 页)第 2 题
求下列函数的极值:
(1) f ( x ) = 6 x 2 − x − 2 ; f(x)=6x^{2}-x-2; f ( x ) = 6 x 2 − x − 2 ;
(2) f ( x ) = x 3 − 27 x ; f(x)=x^{3}-27x; f ( x ) = x 3 − 27 x ;
(3) f ( x ) = 6 + 12 x − x 3 ; f(x)=6+12x-x^{3}; f ( x ) = 6 + 12 x − x 3 ;
(4) f ( x ) = 3 x − x 3 . f(x)=3x-x^{3}. f ( x ) = 3 x − x 3 .
四题定义域都是 R \mathbf{R} R 。统一按两步做:解 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f ′ ( x ) = 0 拿候选点,再列表验变号 。
(1) f ′ ( x ) = 12 x − 1 f'(x)=12x-1 f ′ ( x ) = 12 x − 1 ,令 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f ′ ( x ) = 0 得 x = 1 12 x=\dfrac{1}{12} x = 12 1 。
f ′ f' f ′ 是增函数:x < 1 12 x<\dfrac1{12} x < 12 1 时 f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ,x > 1 12 x>\dfrac1{12} x > 12 1 时 f ′ > 0 f'>0 f ′ > 0 ,由负变正,故 x = 1 12 x=\dfrac1{12} x = 12 1 是极小值点:
f ( 1 12 ) = 6 ⋅ 1 144 − 1 12 − 2 = 1 24 − 2 24 − 48 24 = − 49 24 . f\left(\frac1{12}\right)=6\cdot\frac1{144}-\frac1{12}-2=\frac1{24}-\frac2{24}-\frac{48}{24}=-\frac{49}{24}. f ( 12 1 ) = 6 ⋅ 144 1 − 12 1 − 2 = 24 1 − 24 2 − 24 48 = − 24 49 .
极小值 − 49 24 -\dfrac{49}{24} − 24 49 ,无极大值。
自检。 配方 f ( x ) = 6 ( x − 1 12 ) 2 − 49 24 f(x)=6\left(x-\dfrac1{12}\right)^{2}-\dfrac{49}{24} f ( x ) = 6 ( x − 12 1 ) 2 − 24 49 ,与顶点纵坐标一致。
(2) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 27 = 3 ( x − 3 ) ( x + 3 ) f'(x)=3x^{2}-27=3(x-3)(x+3) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 27 = 3 ( x − 3 ) ( x + 3 ) ,零点 x = ± 3 x=\pm3 x = ± 3 。开口向上,故 f ′ f' f ′ 在 ( − ∞ , − 3 ) (-\infty,-3) ( − ∞ , − 3 ) 与
( 3 , + ∞ ) (3,+\infty) ( 3 , + ∞ ) 上为正、在 ( − 3 , 3 ) (-3,3) ( − 3 , 3 ) 上为负:
区间 ( − ∞ , − 3 ) (-\infty,\ -3) ( − ∞ , − 3 ) ( − 3 , 3 ) (-3,\ 3) ( − 3 , 3 ) ( 3 , + ∞ ) (3,\ +\infty) ( 3 , + ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) + + + − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 递增 递减 递增
x = − 3 x=-3 x = − 3 处由正变负 → 极大值 f ( − 3 ) = − 27 + 81 = 54 f(-3)=-27+81=54 f ( − 3 ) = − 27 + 81 = 54 ;x = 3 x=3 x = 3 处由负变正 → 极小值 f ( 3 ) = 27 − 81 = − 54 f(3)=27-81=-54 f ( 3 ) = 27 − 81 = − 54 。
(3) f ′ ( x ) = 12 − 3 x 2 = 3 ( 2 − x ) ( 2 + x ) f'(x)=12-3x^{2}=3(2-x)(2+x) f ′ ( x ) = 12 − 3 x 2 = 3 ( 2 − x ) ( 2 + x ) ,零点 x = ± 2 x=\pm2 x = ± 2 。开口向下,故 f ′ f' f ′ 在 ( − 2 , 2 ) (-2,2) ( − 2 , 2 ) 上为正、
两侧为负:
x = − 2 x=-2 x = − 2 处由负变正 → 极小值 f ( − 2 ) = 6 − 24 + 8 = − 10 f(-2)=6-24+8=-10 f ( − 2 ) = 6 − 24 + 8 = − 10 ;
x = 2 x=2 x = 2 处由正变负 → 极大值 f ( 2 ) = 6 + 24 − 8 = 22 f(2)=6+24-8=22 f ( 2 ) = 6 + 24 − 8 = 22 。
(4) f ′ ( x ) = 3 − 3 x 2 = 3 ( 1 − x ) ( 1 + x ) f'(x)=3-3x^{2}=3(1-x)(1+x) f ′ ( x ) = 3 − 3 x 2 = 3 ( 1 − x ) ( 1 + x ) ,零点 x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 ,f ′ f' f ′ 在 ( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) 上为正、两侧为负:
x = − 1 x=-1 x = − 1 处由负变正 → 极小值 f ( − 1 ) = − 3 + 1 = − 2 f(-1)=-3+1=-2 f ( − 1 ) = − 3 + 1 = − 2 ;
x = 1 x=1 x = 1 处由正变负 → 极大值 f ( 1 ) = 3 − 1 = 2 f(1)=3-1=2 f ( 1 ) = 3 − 1 = 2 。
注意 (3)(4) 两题:极小值 − 10 -10 − 10 、− 2 -2 − 2 分别小于同一函数的极大值 22 22 22 、2 2 2 ,这是巧合而非规律 ——
课本那句「极大值一定大于极小值吗」的答案是「不一定」,y = x + 1 x y=x+\dfrac1x y = x + x 1 就是反例。
练习(第 99 页)第 1 题
参考求函数极值的练习,求下列函数在给定区间上的最大值与最小值:
(1) f ( x ) = 6 x 2 − x − 2 , x ∈ [ 0 , 2 ] ; f(x)=6x^{2}-x-2,\ x\in[0,2]; f ( x ) = 6 x 2 − x − 2 , x ∈ [ 0 , 2 ] ;
(2) f ( x ) = x 3 − 27 x , x ∈ [ − 4 , 4 ] ; f(x)=x^{3}-27x,\ x\in[-4,4]; f ( x ) = x 3 − 27 x , x ∈ [ − 4 , 4 ] ;
(3) f ( x ) = 6 + 12 x − x 3 , x ∈ [ − 1 3 , 3 ] f(x) = 6 + 12x - x^3, x \in \left[-\frac{1}{3}, 3\right] f ( x ) = 6 + 12 x − x 3 , x ∈ [ − 3 1 , 3 ] ;
(4) f ( x ) = 3 x − x 3 , x ∈ [ 2 , 3 ] . f(x)=3x-x^{3},\quad x\in[2,3]. f ( x ) = 3 x − x 3 , x ∈ [ 2 , 3 ] .
四个函数都是多项式,在闭区间上连续,故最大值与最小值必存在。
求法:把区间内的极值与两个端点值排在一起比大小 ,区间外的候选点丢掉。
(1) 上题已得唯一极小值点 x = 1 12 ∈ [ 0 , 2 ] x=\dfrac1{12}\in[0,2] x = 12 1 ∈ [ 0 , 2 ] ,f ( 1 12 ) = − 49 24 f\left(\dfrac1{12}\right)=-\dfrac{49}{24} f ( 12 1 ) = − 24 49 。
端点:f ( 0 ) = − 2 f(0)=-2 f ( 0 ) = − 2 ,f ( 2 ) = 24 − 2 − 2 = 20 f(2)=24-2-2=20 f ( 2 ) = 24 − 2 − 2 = 20 。
三个数比较:− 49 24 ≈ − 2.0417 < − 2 < 20 -\dfrac{49}{24}\approx-2.0417<-2<20 − 24 49 ≈ − 2.0417 < − 2 < 20 。
最大值 20 20 20 (在 x = 2 x=2 x = 2 处),最小值 − 49 24 -\dfrac{49}{24} − 24 49 (在 x = 1 12 x=\dfrac1{12} x = 12 1 处)。
(2) 极值点 x = ± 3 x=\pm3 x = ± 3 都落在 [ − 4 , 4 ] [-4,4] [ − 4 , 4 ] 内:f ( − 3 ) = 54 f(-3)=54 f ( − 3 ) = 54 ,f ( 3 ) = − 54 f(3)=-54 f ( 3 ) = − 54 。
端点:f ( − 4 ) = − 64 + 108 = 44 f(-4)=-64+108=44 f ( − 4 ) = − 64 + 108 = 44 ,f ( 4 ) = 64 − 108 = − 44 f(4)=64-108=-44 f ( 4 ) = 64 − 108 = − 44 。
四个数比较:− 54 < − 44 < 44 < 54 -54<-44<44<54 − 54 < − 44 < 44 < 54 。最大值 54 54 54 (在 x = − 3 x=-3 x = − 3 处),最小值 − 54 -54 − 54 (在 x = 3 x=3 x = 3 处)。
(3) 极值点 x = ± 2 x=\pm2 x = ± 2 中,x = − 2 ∉ [ − 1 3 , 3 ] x=-2\notin\left[-\dfrac13,3\right] x = − 2 ∈ / [ − 3 1 , 3 ] ,丢掉 ;只留 x = 2 x=2 x = 2 ,f ( 2 ) = 22 f(2)=22 f ( 2 ) = 22 。
端点:
f ( − 1 3 ) = 6 − 4 + 1 27 = 2 + 1 27 = 55 27 , f ( 3 ) = 6 + 36 − 27 = 15. f\left(-\frac13\right)=6-4+\frac1{27}=2+\frac1{27}=\frac{55}{27},\qquad
f(3)=6+36-27=15 . f ( − 3 1 ) = 6 − 4 + 27 1 = 2 + 27 1 = 27 55 , f ( 3 ) = 6 + 36 − 27 = 15.
三个数比较:55 27 ≈ 2.037 < 15 < 22 \dfrac{55}{27}\approx2.037<15<22 27 55 ≈ 2.037 < 15 < 22 。
最大值 22 22 22 (在 x = 2 x=2 x = 2 处),最小值 55 27 \dfrac{55}{27} 27 55 (在 x = − 1 3 x=-\dfrac13 x = − 3 1 处)。
(4) f ′ ( x ) = 3 ( 1 − x ) ( 1 + x ) f'(x)=3(1-x)(1+x) f ′ ( x ) = 3 ( 1 − x ) ( 1 + x ) 的零点 ± 1 \pm1 ± 1 都不在 [ 2 , 3 ] [2,3] [ 2 , 3 ] 内。在 [ 2 , 3 ] [2,3] [ 2 , 3 ] 上 x 2 ⩾ 4 > 1 x^{2}\geqslant4>1 x 2 ⩾ 4 > 1 ,
故 f ′ ( x ) = 3 ( 1 − x 2 ) < 0 f'(x)=3(1-x^{2})<0 f ′ ( x ) = 3 ( 1 − x 2 ) < 0 ,函数在整个区间上单调递减,最值只能在端点取到 :
f ( 2 ) = 6 − 8 = − 2 , f ( 3 ) = 9 − 27 = − 18. f(2)=6-8=-2,\qquad f(3)=9-27=-18 . f ( 2 ) = 6 − 8 = − 2 , f ( 3 ) = 9 − 27 = − 18.
最大值 − 2 -2 − 2 (在 x = 2 x=2 x = 2 处),最小值 − 18 -18 − 18 (在 x = 3 x=3 x = 3 处)。
这四小问依次踩到四种情形 :(1) 最大值在端点、最小值在极值点;(2) 最值全在极值点;
(3) 有一个极值点被区间筛掉;(4) 区间内没有极值点,最值全在端点。
「求最值」的表里必须有端点那两行 ,这是它们共同要说的事。
练习(第 99 页)第 2 题
证明不等式: x − 1 ⩾ ln x , x ∈ ( 0 , + ∞ ) x-1 \geqslant \ln x, x \in (0, +\infty) x − 1 ⩾ ln x , x ∈ ( 0 , + ∞ ) .
构造差函数。 令
s ( x ) = x − 1 − ln x , x > 0 , s(x)=x-1-\ln x,\qquad x>0 , s ( x ) = x − 1 − ln x , x > 0 ,
要证的就是 s ( x ) ⩾ 0 s(x)\geqslant0 s ( x ) ⩾ 0 在 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) 上恒成立。定义域先写出来 :ln x \ln x ln x 要求 x > 0 x>0 x > 0 ,
与题设一致。
求导:
s ′ ( x ) = 1 − 1 x = x − 1 x . s'(x)=1-\frac1x=\frac{x-1}{x} . s ′ ( x ) = 1 − x 1 = x x − 1 .
因 x > 0 x>0 x > 0 ,分母为正,故 s ′ s' s ′ 的符号由分子 x − 1 x-1 x − 1 决定:
区间 ( 0 , 1 ) (0,\ 1) ( 0 , 1 ) ( 1 , + ∞ ) (1,\ +\infty) ( 1 , + ∞ ) s ′ ( x ) s'(x) s ′ ( x ) − - − + + + s ( x ) s(x) s ( x ) 单调递减 单调递增
x = 1 x=1 x = 1 是 s s s 在 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) 上的唯一极小值点 ,左减右增,所以它也是最小值点:
s ( x ) ⩾ s ( 1 ) = 1 − 1 − ln 1 = 0. s(x)\geqslant s(1)=1-1-\ln1=0 . s ( x ) ⩾ s ( 1 ) = 1 − 1 − ln 1 = 0.
即 x − 1 ⩾ ln x x-1\geqslant\ln x x − 1 ⩾ ln x 对一切 x > 0 x>0 x > 0 成立,且等号当且仅当 x = 1 x=1 x = 1 时取到 。■ \blacksquare ■
自检。 取 x = e x=\mathrm{e} x = e :左边 e − 1 ≈ 1.718 \mathrm{e}-1\approx1.718 e − 1 ≈ 1.718 ,右边 ln e = 1 \ln\mathrm{e}=1 ln e = 1 ,成立;
取 x = 1 e x=\dfrac1{\mathrm{e}} x = e 1 :左边 1 e − 1 ≈ − 0.632 \dfrac1{\mathrm{e}}-1\approx-0.632 e 1 − 1 ≈ − 0.632 ,右边 − 1 -1 − 1 ,也成立。
这道题的动作 :要证 f ⩾ g f\geqslant g f ⩾ g ,就令 s = f − g s=f-g s = f − g 并证 s min ⩾ 0 s_{\min}\geqslant0 s m i n ⩾ 0 。
本题与课本第 99 页证 1 − 1 x ⩽ ln x 1-\dfrac1x\leqslant\ln x 1 − x 1 ⩽ ln x 是同一条路——事实上两者互为等价:
在本题结论里把 x x x 换成 1 x \dfrac1x x 1 即得课本那条。
练习(第 102 页)第 1 题
利用函数的单调性,证明下列不等式,并通过函数图象直观验证:
sin x < x , x ∈ ( 0 , π ) . \sin x < x, x \in (0, \pi). sin x < x , x ∈ ( 0 , π ) .
构造差函数。 令
s ( x ) = x − sin x , x ∈ [ 0 , π ) , s(x)=x-\sin x,\qquad x\in[0,\pi) , s ( x ) = x − sin x , x ∈ [ 0 , π ) ,
要证的是 s ( x ) > 0 s(x)>0 s ( x ) > 0 在 ( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 上恒成立。(把左端点 0 0 0 补进定义域,是为了拿 s ( 0 ) = 0 s(0)=0 s ( 0 ) = 0 当比较基准。)
求导:
s ′ ( x ) = 1 − cos x . s'(x)=1-\cos x . s ′ ( x ) = 1 − cos x .
在 [ 0 , π ) [0,\pi) [ 0 , π ) 上 cos x ⩽ 1 \cos x\leqslant1 cos x ⩽ 1 ,故 s ′ ( x ) ⩾ 0 s'(x)\geqslant0 s ′ ( x ) ⩾ 0 ;而 s ′ ( x ) = 0 s'(x)=0 s ′ ( x ) = 0 当且仅当 cos x = 1 \cos x=1 cos x = 1 ,
在 [ 0 , π ) [0,\pi) [ 0 , π ) 上只有 x = 0 x=0 x = 0 这一个点 。导数非负且只在孤立的一点为零,所以 s s s 在 [ 0 , π ) [0,\pi) [ 0 , π ) 上
严格递增 。于是当 0 < x < π 0<x<\pi 0 < x < π 时
s ( x ) > s ( 0 ) = 0 − sin 0 = 0 , s(x)>s(0)=0-\sin 0=0 , s ( x ) > s ( 0 ) = 0 − sin 0 = 0 ,
即 sin x < x \sin x<x sin x < x 。■ \blacksquare ■
图象上直观验证。 在同一坐标系里画 y = x y=x y = x 与 y = sin x y=\sin x y = sin x :两条曲线都过原点,且在原点处
切线相同 (y = sin x y=\sin x y = sin x 在 0 0 0 处的导数是 cos 0 = 1 \cos0=1 cos 0 = 1 ,正是直线 y = x y=x y = x 的斜率);离开原点后
正弦曲线向下弯(x ∈ ( 0 , π ) x\in(0,\pi) x ∈ ( 0 , π ) 上 ( sin x ) ′ ′ = − sin x < 0 (\sin x)''=-\sin x<0 ( sin x ) ′′ = − sin x < 0 ),而直线不弯,所以正弦曲线始终在
直线下方。在 ( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 上 sin x ⩽ 1 \sin x\leqslant1 sin x ⩽ 1 而 x x x 可以大到接近 π ≈ 3.14 \pi\approx3.14 π ≈ 3.14 ,差距还越拉越大。
注意「严格」这一步不能省。 只写 s ′ ⩾ 0 s'\geqslant0 s ′ ⩾ 0 只能得到 s ( x ) ⩾ 0 s(x)\geqslant0 s ( x ) ⩾ 0 ,即 sin x ⩽ x \sin x\leqslant x sin x ⩽ x ;
题目要的是严格小于 ,必须点明 s ′ s' s ′ 只在 x = 0 x=0 x = 0 处为零,从而 s s s 严格递增。
练习(第 102 页)第 2 题
如图,用铁丝围成一个上面是半圆,下面是矩形的图形,其面积为 a m 2 a \mathrm{~m}^{2} a m 2 。为使所用材料最省,圆的直径应为多少?
设未知量并写出约束。 设半圆的半径为 r r r (单位:m),则圆的直径为 2 r 2r 2 r ,它同时是矩形的一条边;
设矩形的另一条边(高)为 h h h 。图上看得很清楚:矩形的上边被半圆盖住,不需要铁丝 ,
所以所用铁丝的总长是「矩形的左、右、下三条边 + + + 半圆弧」:
L = 2 h + 2 r + π r . L=2h+2r+\pi r . L = 2 h + 2 r + π r .
面积由题给定:
S = 2 r h + 1 2 π r 2 = a ⟹ h = a − π r 2 2 2 r . S=2rh+\frac12\pi r^{2}=a \quad\Longrightarrow\quad h=\frac{a-\dfrac{\pi r^{2}}{2}}{2r} . S = 2 r h + 2 1 π r 2 = a ⟹ h = 2 r a − 2 π r 2 .
定义域。 需 r > 0 r>0 r > 0 ,且 h > 0 h>0 h > 0 ,即 a − π r 2 2 > 0 a-\dfrac{\pi r^{2}}{2}>0 a − 2 π r 2 > 0 ,得
0 < r < 2 a π . 0<r<\sqrt{\frac{2a}{\pi}} . 0 < r < π 2 a .
把 L L L 化成 r r r 的函数。
L ( r ) = 2 ⋅ a − π r 2 2 2 r + ( 2 + π ) r = a r − π r 2 + ( 2 + π ) r = a r + ( 2 + π 2 ) r . L(r)=2\cdot\frac{a-\dfrac{\pi r^{2}}{2}}{2r}+(2+\pi)r
=\frac{a}{r}-\frac{\pi r}{2}+(2+\pi)r
=\frac{a}{r}+\left(2+\frac{\pi}{2}\right)r . L ( r ) = 2 ⋅ 2 r a − 2 π r 2 + ( 2 + π ) r = r a − 2 π r + ( 2 + π ) r = r a + ( 2 + 2 π ) r .
求导定最小。
L ′ ( r ) = − a r 2 + ( 2 + π 2 ) = − a r 2 + 4 + π 2 . L'(r)=-\frac{a}{r^{2}}+\left(2+\frac{\pi}{2}\right)
=-\frac{a}{r^{2}}+\frac{4+\pi}{2} . L ′ ( r ) = − r 2 a + ( 2 + 2 π ) = − r 2 a + 2 4 + π .
令 L ′ ( r ) = 0 L'(r)=0 L ′ ( r ) = 0 得
r 2 = 2 a 4 + π , r 0 = 2 a 4 + π . r^{2}=\frac{2a}{4+\pi},\qquad r_{0}=\sqrt{\frac{2a}{4+\pi}} . r 2 = 4 + π 2 a , r 0 = 4 + π 2 a .
先验它在定义域内 :因 4 + π > π 4+\pi>\pi 4 + π > π ,有 2 a 4 + π < 2 a π \dfrac{2a}{4+\pi}<\dfrac{2a}{\pi} 4 + π 2 a < π 2 a ,
故 r 0 < 2 a π r_{0}<\sqrt{\dfrac{2a}{\pi}} r 0 < π 2 a ,落在定义域内。
再判号:L ′ ( r ) = 4 + π 2 − a r 2 L'(r)=\dfrac{4+\pi}{2}-\dfrac{a}{r^{2}} L ′ ( r ) = 2 4 + π − r 2 a 中 a r 2 \dfrac{a}{r^{2}} r 2 a 随 r r r 递减,
所以 L ′ L' L ′ 随 r r r 递增,r < r 0 r<r_{0} r < r 0 时 L ′ < 0 L'<0 L ′ < 0 、r > r 0 r>r_{0} r > r 0 时 L ′ > 0 L'>0 L ′ > 0 。r 0 r_{0} r 0 是唯一极小值点 ,
因而是最小值点。
答 :圆的直径应为
2 r 0 = 2 2 a 4 + π = 8 a 4 + π m , 2r_{0}=2\sqrt{\frac{2a}{4+\pi}}=\sqrt{\frac{8a}{4+\pi}}\ \text{m} , 2 r 0 = 2 4 + π 2 a = 4 + π 8 a m ,
此时所用铁丝最省。
自检。 在 r = r 0 r=r_{0} r = r 0 处,a r 0 = ( 2 + π 2 ) r 0 \dfrac{a}{r_{0}}=\left(2+\dfrac{\pi}{2}\right)r_{0} r 0 a = ( 2 + 2 π ) r 0 ,
即 L L L 的两项恰好相等 ,最小值 L min = 2 a ( 2 + π 2 ) = 2 a ( 4 + π ) L_{\min}=2\sqrt{a\left(2+\dfrac{\pi}{2}\right)}=\sqrt{2a(4+\pi)} L m i n = 2 a ( 2 + 2 π ) = 2 a ( 4 + π ) 。
这与基本不等式 a r + k r ⩾ 2 a k \dfrac{a}{r}+kr\geqslant2\sqrt{ak} r a + k r ⩾ 2 ak 的取等条件一致,两条路对上了。
这道题的动作 :实际问题里先分清”要最省的是谁” ——本题最省的是周长 (铁丝),
被固定的是面积 ;再用固定量把一个变量消掉,剩下一元函数求最值。
另外,半圆下面那条直径不用铁丝 ,这一条从图上读,漏了整题就错。
习题 5.3 第 1 题
判断下列函数的单调性,并求出单调区间:
(1) f ( x ) = − 2 x + 1 f(x) = -2x + 1 f ( x ) = − 2 x + 1 ; (2) f ( x ) = x + cos x , x ∈ ( 0 , π 2 ) f(x) = x + \cos x, x \in \left(0, \frac{\pi}{2}\right) f ( x ) = x + cos x , x ∈ ( 0 , 2 π ) ;
(3) f ( x ) = 2 x − 4 ; f(x)=2x-4; f ( x ) = 2 x − 4 ; (4) f ( x ) = 2 x 3 + 4 x . f(x)=2x^{3}+4x. f ( x ) = 2 x 3 + 4 x .
(1) 定义域 R \mathbf{R} R ,f ′ ( x ) = − 2 < 0 f'(x)=-2<0 f ′ ( x ) = − 2 < 0 恒成立,故 f f f 在 R \mathbf{R} R 上单调递减,
单调递减区间是 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) ,无递增区间 。
(2) 定义域由题给定为 ( 0 , π 2 ) \left(0,\dfrac{\pi}{2}\right) ( 0 , 2 π ) 。f ′ ( x ) = 1 − sin x f'(x)=1-\sin x f ′ ( x ) = 1 − sin x 。
在 ( 0 , π 2 ) \left(0,\dfrac{\pi}{2}\right) ( 0 , 2 π ) 上 0 < sin x < 1 0<\sin x<1 0 < sin x < 1 ,故 f ′ ( x ) > 0 f'(x)>0 f ′ ( x ) > 0 ,
f f f 在 ( 0 , π 2 ) \left(0,\dfrac{\pi}{2}\right) ( 0 , 2 π ) 上单调递增,该区间就是它的单调递增区间 。
(3) f ′ ( x ) = 2 > 0 f'(x)=2>0 f ′ ( x ) = 2 > 0 恒成立,f f f 在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上单调递增 。
(4) f ′ ( x ) = 6 x 2 + 4 f'(x)=6x^{2}+4 f ′ ( x ) = 6 x 2 + 4 。因 6 x 2 ⩾ 0 6x^{2}\geqslant0 6 x 2 ⩾ 0 ,故 f ′ ( x ) ⩾ 4 > 0 f'(x)\geqslant4>0 f ′ ( x ) ⩾ 4 > 0 恒成立,
f f f 在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上单调递增 。
这一题的动作 :f ′ f' f ′ 不变号 时根本不用列表——(1)(3) 是常数导数,(4) 是配好方的正定二次式,
(2) 靠三角函数的值域。先看看 f ′ f' f ′ 会不会变号,能省一整张表。
习题 5.3 第 2 题
判断下列函数的单调性,并求出单调区间:
(1) f ( x ) = x 2 + 2 x − 4 ; f(x)=x^{2}+2x-4; f ( x ) = x 2 + 2 x − 4 ;
(2) f ( x ) = 2 x 2 − 3 x + 3 ; f(x)=2x^{2}-3x+3; f ( x ) = 2 x 2 − 3 x + 3 ;
(3) f ( x ) = 3 x + x 3 ; f(x)=3x+x^{3}; f ( x ) = 3 x + x 3 ;
(4) f ( x ) = x 3 + x 2 − x . f(x)=x^{3}+x^{2}-x. f ( x ) = x 3 + x 2 − x .
四题定义域都是 R \mathbf{R} R 。
(1) f ′ ( x ) = 2 x + 2 = 2 ( x + 1 ) f'(x)=2x+2=2(x+1) f ′ ( x ) = 2 x + 2 = 2 ( x + 1 ) ,零点 x = − 1 x=-1 x = − 1 。x < − 1 x<-1 x < − 1 时 f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ,x > − 1 x>-1 x > − 1 时 f ′ > 0 f'>0 f ′ > 0 。
递减区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,-1) ( − ∞ , − 1 ) ,递增区间 ( − 1 , + ∞ ) (-1,+\infty) ( − 1 , + ∞ ) 。
(2) f ′ ( x ) = 4 x − 3 f'(x)=4x-3 f ′ ( x ) = 4 x − 3 ,零点 x = 3 4 x=\dfrac34 x = 4 3 。
递减区间 ( − ∞ , 3 4 ) \left(-\infty,\dfrac34\right) ( − ∞ , 4 3 ) ,递增区间 ( 3 4 , + ∞ ) \left(\dfrac34,+\infty\right) ( 4 3 , + ∞ ) 。
(3) f ′ ( x ) = 3 + 3 x 2 ⩾ 3 > 0 f'(x)=3+3x^{2}\geqslant3>0 f ′ ( x ) = 3 + 3 x 2 ⩾ 3 > 0 恒成立,f f f 在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上单调递增 。
(4) f ′ ( x ) = 3 x 2 + 2 x − 1 = ( 3 x − 1 ) ( x + 1 ) f'(x)=3x^{2}+2x-1=(3x-1)(x+1) f ′ ( x ) = 3 x 2 + 2 x − 1 = ( 3 x − 1 ) ( x + 1 ) ,零点 x = − 1 x=-1 x = − 1 与 x = 1 3 x=\dfrac13 x = 3 1 。开口向上,两根之间为负:
区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,\ -1) ( − ∞ , − 1 ) ( − 1 , 1 3 ) \left(-1,\ \frac13\right) ( − 1 , 3 1 ) ( 1 3 , + ∞ ) \left(\frac13,\ +\infty\right) ( 3 1 , + ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) + + + − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 递增 递减 递增
递增区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,-1) ( − ∞ , − 1 ) 与 ( 1 3 , + ∞ ) \left(\dfrac13,+\infty\right) ( 3 1 , + ∞ ) ,递减区间 ( − 1 , 1 3 ) \left(-1,\dfrac13\right) ( − 1 , 3 1 ) 。
自检。 (1)(2) 用二次函数的对称轴复核:x = − b 2 a x=-\dfrac{b}{2a} x = − 2 a b 分别为 − 1 -1 − 1 与 3 4 \dfrac34 4 3 ,与导数零点一致。
习题 5.3 第 3 题
如图,已知汽车在笔直的公路上行驶.
(1) 如果 y = f ( t ) y = f(t) y = f ( t ) 表示时刻 t t t 时汽车与起点的距离, 请标出汽车速度等于 0 的点; (2) 如果 y = f ( t ) y = f(t) y = f ( t ) 表示时刻 t t t 时汽车的速度, 那么 (1) 中标出点的意义是什么?
(1) 距离对时间的导数就是速度:v ( t ) = f ′ ( t ) v(t)=f'(t) v ( t ) = f ′ ( t ) 。所以「速度等于 0 0 0 」即 f ′ ( t ) = 0 f'(t)=0 f ′ ( t ) = 0 ,
在图象上就是切线水平的点 ——曲线的每一个「峰顶 」与「谷底 」。
读图:曲线自原点上升后,依次经过
峰 → 谷 → 峰 → 谷 → 峰 → 谷 → 再上升到右端 , \text{峰}\to\text{谷}\to\text{峰}\to\text{谷}\to\text{峰}\to\text{谷}\to\text{再上升到右端} , 峰 → 谷 → 峰 → 谷 → 峰 → 谷 → 再上升到右端 ,
共 3 个峰顶与 3 个谷底,即 6 个点 ,把它们标出来就是答案。
(顺带读出实际含义:峰顶处汽车离起点最远 ,随后掉头往回开;谷底处汽车离起点最近 ,
随后又开始远离。f f f 全程为正说明汽车没有越过起点。)
(2) 若 y = f ( t ) y=f(t) y = f ( t ) 表示的是速度 ,那么 f ′ ( t ) f'(t) f ′ ( t ) 就是加速度 。
同样这 6 个点满足 f ′ ( t ) = 0 f'(t)=0 f ′ ( t ) = 0 ,意义变成:
这些时刻汽车的加速度为 0 0 0 ,是汽车由加速转为减速(峰顶)、或由减速转为加速(谷底)的转折时刻 ,
也就是速度取到局部最大或局部最小的时刻。
这道题的动作 :同一张图、同一批点,纵轴的含义一变,读法就整体升一阶。
「距离图的水平切线 = 速度为零」和「速度图的水平切线 = 加速度为零」,
用的都是「导数 = 图象切线的斜率」这一条。
习题 5.3 第 4 题
导函数 y = f ′ ( x ) y = f'(x) y = f ′ ( x ) 的图象如图所示. 在标记的点中,在哪一点处
(1) 导函数 y = f ′ ( x ) y = f'(x) y = f ′ ( x ) 有极大值?
(2) 导函数 y = f ′ ( x ) y = f'(x) y = f ′ ( x ) 有极小值?
(3) 函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 有极大值?
(4) 函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 有极小值?
先读图。 图给的是 y = f ′ ( x ) y=f'(x) y = f ′ ( x ) 的图象,标了 x 1 , … , x 5 x_{1},\dots,x_{5} x 1 , … , x 5 :
曲线自左方下降,在 x 1 x_{1} x 1 处到达一个低点 (仍在 x x x 轴上方),随后上升;
在 x 2 x_{2} x 2 处到达一个高点 (在 x x x 轴上方),随后下降;
在 x 3 x_{3} x 3 处由上向下穿过 x x x 轴;
在 x 4 x_{4} x 4 处到达一个低点 (在 x x x 轴下方);
在 x 5 x_{5} x 5 处由下向上穿过 x x x 轴,此后一路上升。
关键是把两个层次分开 :(1)(2) 问的是曲线本身的峰谷,(3)(4) 问的是曲线与 x x x 轴的交点。
(1) 曲线自身的最高的那个转折点在 x 2 x_{2} x 2 :其左侧曲线上升、右侧下降。
故 y = f ′ ( x ) y=f'(x) y = f ′ ( x ) 在 x = x 2 x=x_{2} x = x 2 处有极大值。
(2) 曲线自身有两个「谷底」:x 1 x_{1} x 1 与 x 4 x_{4} x 4 ,两处左侧下降、右侧上升。
故 y = f ′ ( x ) y=f'(x) y = f ′ ( x ) 在 x = x 1 x=x_{1} x = x 1 与 x = x 4 x=x_{4} x = x 4 处都有极小值 (前者的极小值为正,后者为负)。
(3) f f f 的极大值点要求 f ′ f' f ′ 由正变负 。图上 f ′ f' f ′ 只在 x 3 x_{3} x 3 处由正变负。
故 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 x = x 3 x=x_{3} x = x 3 处有极大值。
(4) f f f 的极小值点要求 f ′ f' f ′ 由负变正 。图上 f ′ f' f ′ 只在 x 5 x_{5} x 5 处由负变正。
故 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 x = x 5 x=x_{5} x = x 5 处有极小值。
自检。 把 f ′ f' f ′ 的符号排一排:在 x 3 x_{3} x 3 左侧为正、( x 3 , x 5 ) (x_{3},x_{5}) ( x 3 , x 5 ) 上为负、x 5 x_{5} x 5 右侧为正,
于是 f f f 是「增 → 减 → 增」,极大在 x 3 x_{3} x 3 、极小在 x 5 x_{5} x 5 ,与上面一致;
而 x 1 , x 2 , x 4 x_{1},x_{2},x_{4} x 1 , x 2 , x 4 处 f ′ ≠ 0 f'\neq0 f ′ = 0 ,它们不可能 是 f f f 的极值点。
这道题的动作 :看 f ′ f' f ′ 的图找 f f f 的极值,只盯零点;找 f ′ f' f ′ 自己的极值,只盯峰谷。
两问混起来,就会把 x 2 x_{2} x 2 (f f f 上升最快处)误当成 f f f 的极大值点——这是本节最常见的错。
习题 5.3 第 5 题
求下列函数的极值:
(1) f ( x ) = 6 x 2 + x + 2 ; f(x)=6x^{2}+x+2; f ( x ) = 6 x 2 + x + 2 ; (2) f ( x ) = x 3 − 12 x ; f(x)=x^{3}-12x; f ( x ) = x 3 − 12 x ;
(3) f ( x ) = 6 − 12 x + x 3 ; f(x)=6-12x+x^{3}; f ( x ) = 6 − 12 x + x 3 ; (4) f ( x ) = 48 x − x 3 . f(x)=48x-x^{3}. f ( x ) = 48 x − x 3 .
四题定义域都是 R \mathbf{R} R 。
(1) f ′ ( x ) = 12 x + 1 f'(x)=12x+1 f ′ ( x ) = 12 x + 1 ,零点 x = − 1 12 x=-\dfrac1{12} x = − 12 1 ,由负变正 → 极小值点 :
f ( − 1 12 ) = 6 ⋅ 1 144 − 1 12 + 2 = 1 24 − 2 24 + 48 24 = 47 24 . f\left(-\frac1{12}\right)=6\cdot\frac1{144}-\frac1{12}+2=\frac1{24}-\frac2{24}+\frac{48}{24}=\frac{47}{24}. f ( − 12 1 ) = 6 ⋅ 144 1 − 12 1 + 2 = 24 1 − 24 2 + 24 48 = 24 47 .
极小值 47 24 \dfrac{47}{24} 24 47 ,无极大值。
(2) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 12 = 3 ( x − 2 ) ( x + 2 ) f'(x)=3x^{2}-12=3(x-2)(x+2) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 12 = 3 ( x − 2 ) ( x + 2 ) ,零点 x = ± 2 x=\pm2 x = ± 2 ,开口向上:f ′ f' f ′ 在 ( − 2 , 2 ) (-2,2) ( − 2 , 2 ) 上为负、两侧为正。
x = − 2 x=-2 x = − 2 处由正变负 → 极大值 f ( − 2 ) = − 8 + 24 = 16 f(-2)=-8+24=16 f ( − 2 ) = − 8 + 24 = 16 ;
x = 2 x=2 x = 2 处由负变正 → 极小值 f ( 2 ) = 8 − 24 = − 16 f(2)=8-24=-16 f ( 2 ) = 8 − 24 = − 16 。
(3) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 12 = 3 ( x − 2 ) ( x + 2 ) f'(x)=3x^{2}-12=3(x-2)(x+2) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 12 = 3 ( x − 2 ) ( x + 2 ) ,与 (2) 同号型。
x = − 2 x=-2 x = − 2 处由正变负 → 极大值 f ( − 2 ) = 6 + 24 − 8 = 22 f(-2)=6+24-8=22 f ( − 2 ) = 6 + 24 − 8 = 22 ;
x = 2 x=2 x = 2 处由负变正 → 极小值 f ( 2 ) = 6 − 24 + 8 = − 10 f(2)=6-24+8=-10 f ( 2 ) = 6 − 24 + 8 = − 10 。
(4) f ′ ( x ) = 48 − 3 x 2 = 3 ( 4 − x ) ( 4 + x ) f'(x)=48-3x^{2}=3(4-x)(4+x) f ′ ( x ) = 48 − 3 x 2 = 3 ( 4 − x ) ( 4 + x ) ,零点 x = ± 4 x=\pm4 x = ± 4 ,开口向下:f ′ f' f ′ 在 ( − 4 , 4 ) (-4,4) ( − 4 , 4 ) 上为正、两侧为负。
x = − 4 x=-4 x = − 4 处由负变正 → 极小值 f ( − 4 ) = − 192 + 64 = − 128 f(-4)=-192+64=-128 f ( − 4 ) = − 192 + 64 = − 128 ;
x = 4 x=4 x = 4 处由正变负 → 极大值 f ( 4 ) = 192 − 64 = 128 f(4)=192-64=128 f ( 4 ) = 192 − 64 = 128 。
自检。 (2)(4) 都是奇函数(f ( − x ) = − f ( x ) f(-x)=-f(x) f ( − x ) = − f ( x ) ),所以极大值与极小值互为相反数:
16 16 16 与 − 16 -16 − 16 、128 128 128 与 − 128 -128 − 128 ,相符。(3) 比 (2) 多了常数 6 6 6 并把 x 3 x^{3} x 3 与 − 12 x -12x − 12 x 的次序调换,
函数其实是 f ( x ) = x 3 − 12 x + 6 f(x)=x^{3}-12x+6 f ( x ) = x 3 − 12 x + 6 ,极值恰好各加 6 6 6 :16 + 6 = 22 16+6=22 16 + 6 = 22 、− 16 + 6 = − 10 -16+6=-10 − 16 + 6 = − 10 ,也相符。
习题 5.3 第 6 题
参照第5题,求下列函数在给定区间上的最大值与最小值:
(1) f ( x ) = 6 x 2 + x + 2 , x ∈ [ − 1 , 1 ] f(x)=6x^{2}+x+2,\quad x\in[-1,1] f ( x ) = 6 x 2 + x + 2 , x ∈ [ − 1 , 1 ] ;
(2) f ( x ) = x 3 − 12 x , x ∈ [ − 3 , 3 ] f(x)=x^{3}-12x,\quad x\in[-3,3] f ( x ) = x 3 − 12 x , x ∈ [ − 3 , 3 ] ;
(3) f ( x ) = 6 − 12 x + x 3 , x ∈ [ − 1 3 , 1 ] f(x)=6-12x+x^{3},\quad x\in\left[-\frac{1}{3},\quad1\right] f ( x ) = 6 − 12 x + x 3 , x ∈ [ − 3 1 , 1 ] ;
(4) f ( x ) = 48 x − x 3 , x ∈ [ − 3 , 5 ] . f(x)=48x-x^{3},\quad x\in[-3,5]. f ( x ) = 48 x − x 3 , x ∈ [ − 3 , 5 ] .
四个函数都连续,闭区间上最值必存在。做法同前:区间内的极值 + + + 两个端点值,一起比大小 。
(1) 极小值点 x = − 1 12 ∈ [ − 1 , 1 ] x=-\dfrac1{12}\in[-1,1] x = − 12 1 ∈ [ − 1 , 1 ] ,f ( − 1 12 ) = 47 24 f\left(-\dfrac1{12}\right)=\dfrac{47}{24} f ( − 12 1 ) = 24 47 。
端点 f ( − 1 ) = 6 − 1 + 2 = 7 f(-1)=6-1+2=7 f ( − 1 ) = 6 − 1 + 2 = 7 ,f ( 1 ) = 6 + 1 + 2 = 9 f(1)=6+1+2=9 f ( 1 ) = 6 + 1 + 2 = 9 。
比较 47 24 ≈ 1.958 < 7 < 9 \dfrac{47}{24}\approx1.958<7<9 24 47 ≈ 1.958 < 7 < 9 。最大值 9 9 9 (x = 1 x=1 x = 1 ),最小值 47 24 \dfrac{47}{24} 24 47 (x = − 1 12 x=-\dfrac1{12} x = − 12 1 )。
(2) 极值点 x = ± 2 x=\pm2 x = ± 2 都在 [ − 3 , 3 ] [-3,3] [ − 3 , 3 ] 内:f ( − 2 ) = 16 f(-2)=16 f ( − 2 ) = 16 ,f ( 2 ) = − 16 f(2)=-16 f ( 2 ) = − 16 。
端点 f ( − 3 ) = − 27 + 36 = 9 f(-3)=-27+36=9 f ( − 3 ) = − 27 + 36 = 9 ,f ( 3 ) = 27 − 36 = − 9 f(3)=27-36=-9 f ( 3 ) = 27 − 36 = − 9 。
比较 − 16 < − 9 < 9 < 16 -16<-9<9<16 − 16 < − 9 < 9 < 16 。最大值 16 16 16 (x = − 2 x=-2 x = − 2 ),最小值 − 16 -16 − 16 (x = 2 x=2 x = 2 )。
(3) 极值点 x = ± 2 x=\pm2 x = ± 2 都不在 [ − 1 3 , 1 ] \left[-\dfrac13,1\right] [ − 3 1 , 1 ] 内。在该区间上 x 2 ⩽ 1 < 4 x^{2}\leqslant1<4 x 2 ⩽ 1 < 4 ,
故 f ′ ( x ) = 3 ( x 2 − 4 ) < 0 f'(x)=3(x^{2}-4)<0 f ′ ( x ) = 3 ( x 2 − 4 ) < 0 ,函数单调递减,最值在端点:
f ( − 1 3 ) = 6 + 4 + ( − 1 27 ) = 10 − 1 27 = 269 27 , f ( 1 ) = 6 − 12 + 1 = − 5. f\left(-\frac13\right)=6+4+\left(-\frac1{27}\right)=10-\frac1{27}=\frac{269}{27},\qquad
f(1)=6-12+1=-5 . f ( − 3 1 ) = 6 + 4 + ( − 27 1 ) = 10 − 27 1 = 27 269 , f ( 1 ) = 6 − 12 + 1 = − 5.
最大值 269 27 \dfrac{269}{27} 27 269 (x = − 1 3 x=-\dfrac13 x = − 3 1 ),最小值 − 5 -5 − 5 (x = 1 x=1 x = 1 )。
(这里最容易手滑:f ( x ) = 6 − 12 x + x 3 f(x)=6-12x+x^{3} f ( x ) = 6 − 12 x + x 3 里的负号只属于 12 x 12x 12 x ,x 3 x^{3} x 3 前面是加号 。
( − 1 3 ) 3 = − 1 27 \left(-\dfrac13\right)^{3}=-\dfrac1{27} ( − 3 1 ) 3 = − 27 1 是负的,加进去要减 掉 1 27 \dfrac1{27} 27 1 ,
得 10 − 1 27 = 269 27 10-\dfrac1{27}=\dfrac{269}{27} 10 − 27 1 = 27 269 ;把它写成 10 + 1 27 10+\dfrac1{27} 10 + 27 1 就等于把函数当成了 6 − 12 x − x 3 6-12x-x^{3} 6 − 12 x − x 3 。)
(4) 极值点 x = ± 4 x=\pm4 x = ± 4 中,x = − 4 ∉ [ − 3 , 5 ] x=-4\notin[-3,5] x = − 4 ∈ / [ − 3 , 5 ] ,丢掉 ;只留 x = 4 x=4 x = 4 ,f ( 4 ) = 192 − 64 = 128 f(4)=192-64=128 f ( 4 ) = 192 − 64 = 128 。
端点 f ( − 3 ) = − 144 + 27 = − 117 f(-3)=-144+27=-117 f ( − 3 ) = − 144 + 27 = − 117 ,f ( 5 ) = 240 − 125 = 115 f(5)=240-125=115 f ( 5 ) = 240 − 125 = 115 。
比较 − 117 < 115 < 128 -117<115<128 − 117 < 115 < 128 。最大值 128 128 128 (x = 4 x=4 x = 4 ),最小值 − 117 -117 − 117 (x = − 3 x=-3 x = − 3 )。
注意 (4) 的最小值在左端点而不在右端点 :f f f 在 [ − 3 , 4 ] [-3,4] [ − 3 , 4 ] 上递增、在 [ 4 , 5 ] [4,5] [ 4 , 5 ] 上递减,
右端点 f ( 5 ) = 115 f(5)=115 f ( 5 ) = 115 虽比极大值小,却远大于左端点。端点要两个都算,不能只算”远离极值点的那个”。
习题 5.3 第 7 题
将一条长为 l l l 的铁丝截成两段, 分别弯成两个正方形. 要使两个正方形的面积和最小, 两段铁丝的长度分别是多少?
设未知量。 设一段长为 x x x ,则另一段长为 l − x l-x l − x ,且 0 < x < l 0<x<l 0 < x < l 。
两段各围成正方形,边长分别是 x 4 \dfrac{x}{4} 4 x 与 l − x 4 \dfrac{l-x}{4} 4 l − x ,面积和
S ( x ) = ( x 4 ) 2 + ( l − x 4 ) 2 = x 2 + ( l − x ) 2 16 , 0 < x < l . S(x)=\left(\frac{x}{4}\right)^{2}+\left(\frac{l-x}{4}\right)^{2}
=\frac{x^{2}+(l-x)^{2}}{16},\qquad 0<x<l . S ( x ) = ( 4 x ) 2 + ( 4 l − x ) 2 = 16 x 2 + ( l − x ) 2 , 0 < x < l .
求导。
S ′ ( x ) = 2 x − 2 ( l − x ) 16 = 4 x − 2 l 16 = 2 x − l 8 . S'(x)=\frac{2x-2(l-x)}{16}=\frac{4x-2l}{16}=\frac{2x-l}{8} . S ′ ( x ) = 16 2 x − 2 ( l − x ) = 16 4 x − 2 l = 8 2 x − l .
令 S ′ ( x ) = 0 S'(x)=0 S ′ ( x ) = 0 得 x = l 2 x=\dfrac{l}{2} x = 2 l ,它落在 ( 0 , l ) (0,l) ( 0 , l ) 内。判号:x < l 2 x<\dfrac l2 x < 2 l 时 S ′ < 0 S'<0 S ′ < 0 ,
x > l 2 x>\dfrac l2 x > 2 l 时 S ′ > 0 S'>0 S ′ > 0 ,故 x = l 2 x=\dfrac l2 x = 2 l 是唯一极小值点 ,因而是最小值点。
答 :两段铁丝的长度都是 l 2 \dfrac{l}{2} 2 l (即平均截开 ),此时面积和最小,最小值为
S ( l 2 ) = 2 ⋅ ( l 2 ) 2 16 = l 2 32 . S\left(\frac l2\right)=\frac{2\cdot\left(\frac l2\right)^{2}}{16}=\frac{l^{2}}{32} . S ( 2 l ) = 16 2 ⋅ ( 2 l ) 2 = 32 l 2 .
自检(另一条路)。 由基本不等式 x 2 + ( l − x ) 2 ⩾ [ x + ( l − x ) ] 2 2 = l 2 2 x^{2}+(l-x)^{2}\geqslant\dfrac{[x+(l-x)]^{2}}{2}=\dfrac{l^{2}}{2} x 2 + ( l − x ) 2 ⩾ 2 [ x + ( l − x ) ] 2 = 2 l 2 ,
等号当且仅当 x = l − x x=l-x x = l − x 即 x = l 2 x=\dfrac l2 x = 2 l ,得 S ⩾ l 2 32 S\geqslant\dfrac{l^{2}}{32} S ⩾ 32 l 2 ,与导数结论一致。
注意开区间也能有最小值 :本题定义域 ( 0 , l ) (0,l) ( 0 , l ) 不是闭区间,最值定理不适用;
能下结论靠的是「唯一极小值点 ⟹ 最小值点 」这条,理由是左减右增。
习题 5.3 第 8 题
将一个边长为 a a a 的正方形铁片的四角截去四个边长均为 x x x 的小正方形, 做成一个无盖方盒. (1) 试把方盒的容积 V V V 表示为 x x x 的函数; (2) x x x 多大时, 方盒的容积 V V V 最大?
(1) 四角各截去一个边长 x x x 的小正方形后,把四边折起,得到一个底面为正方形、高为 x x x 的
无盖盒子。底面边长是原边长减去两端各 x x x ,即 a − 2 x a-2x a − 2 x 。所以
V ( x ) = ( a − 2 x ) 2 x . V(x)=(a-2x)^{2}\,x . V ( x ) = ( a − 2 x ) 2 x .
定义域 :要折得起来须 x > 0 x>0 x > 0 ,且底面边长为正须 a − 2 x > 0 a-2x>0 a − 2 x > 0 ,故
0 < x < a 2 . 0<x<\frac{a}{2} . 0 < x < 2 a .
(2) 求导(用乘积法则,把公因式提出来):
V ′ ( x ) = 2 ( a − 2 x ) ⋅ ( − 2 ) ⋅ x + ( a − 2 x ) 2 = ( a − 2 x ) [ ( a − 2 x ) − 4 x ] = ( a − 2 x ) ( a − 6 x ) . V'(x)=2(a-2x)\cdot(-2)\cdot x+(a-2x)^{2}
=(a-2x)\big[(a-2x)-4x\big]=(a-2x)(a-6x) . V ′ ( x ) = 2 ( a − 2 x ) ⋅ ( − 2 ) ⋅ x + ( a − 2 x ) 2 = ( a − 2 x ) [ ( a − 2 x ) − 4 x ] = ( a − 2 x ) ( a − 6 x ) .
在定义域 ( 0 , a 2 ) \left(0,\dfrac a2\right) ( 0 , 2 a ) 上 a − 2 x > 0 a-2x>0 a − 2 x > 0 ,所以 V ′ V' V ′ 的符号与 a − 6 x a-6x a − 6 x 相同 :
区间 ( 0 , a 6 ) \left(0,\ \frac a6\right) ( 0 , 6 a ) ( a 6 , a 2 ) \left(\frac a6,\ \frac a2\right) ( 6 a , 2 a ) a − 6 x a-6x a − 6 x + + + − - − V ′ ( x ) V'(x) V ′ ( x ) + + + − - − V ( x ) V(x) V ( x ) 单调递增 单调递减
x = a 6 x=\dfrac a6 x = 6 a 是唯一极大值点,左增右减,故它是最大值点:
V ( a 6 ) = ( a − a 3 ) 2 ⋅ a 6 = ( 2 a 3 ) 2 ⋅ a 6 = 4 a 2 9 ⋅ a 6 = 2 a 3 27 . V\left(\frac a6\right)=\left(a-\frac a3\right)^{2}\cdot\frac a6
=\left(\frac{2a}{3}\right)^{2}\cdot\frac a6=\frac{4a^{2}}{9}\cdot\frac a6=\frac{2a^{3}}{27} . V ( 6 a ) = ( a − 3 a ) 2 ⋅ 6 a = ( 3 2 a ) 2 ⋅ 6 a = 9 4 a 2 ⋅ 6 a = 27 2 a 3 .
答 :当 x = a 6 x=\dfrac{a}{6} x = 6 a 时容积最大,最大容积为 2 a 3 27 \dfrac{2a^{3}}{27} 27 2 a 3 。
自检。 取 a = 6 a=6 a = 6 :V ( x ) = ( 6 − 2 x ) 2 x V(x)=(6-2x)^{2}x V ( x ) = ( 6 − 2 x ) 2 x ,x = 1 x=1 x = 1 时 V = 16 V=16 V = 16 ;再试 x = 0.8 x=0.8 x = 0.8 得 V ≈ 15.49 V\approx15.49 V ≈ 15.49 、
x = 1.2 x=1.2 x = 1.2 得 V ≈ 15.55 V\approx15.55 V ≈ 15.55 ,两侧都更小,最大点确在 x = 1 = a 6 x=1=\dfrac a6 x = 1 = 6 a 。
这道题的动作 :求导后先提公因式再判号 。若把 ( a − 2 x ) 2 x (a-2x)^{2}x ( a − 2 x ) 2 x 展开成三次式再求导,
得到的 12 x 2 − 8 a x + a 2 12x^{2}-8ax+a^{2} 12 x 2 − 8 a x + a 2 还要解一次二次方程;提公因式则直接读出两个根,
而且立刻看出 x = a 2 x=\dfrac a2 x = 2 a 是定义域端点、不是内部的极值点。
习题 5.3 第 9 题
用测量工具测量某物体的长度,由于工具的精度以及测量技术的原因,测得 n 个数据
a 1 , a 2 , a 3 , ⋯ , a n . a_{1}, a_{2}, a_{3}, \cdots, a_{n}. a 1 , a 2 , a 3 , ⋯ , a n .
证明:用 n 个数据的平均值
x = 1 n ∑ i = 1 n a i x=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}a_{i} x = n 1 ∑ i = 1 n a i
表示这个物体的长度,能使这 n 个数据的方差
f ( x ) = 1 n ∑ i = 1 n ( x − a i ) 2 f(x)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(x-a_{i})^{2} f ( x ) = n 1 ∑ i = 1 n ( x − a i ) 2
最小.
先把记号分开。 题面里 x x x 既当自变量又当平均值,容易缠住。以下把平均值记作
m = 1 n ∑ i = 1 n a i , m=\frac1n\sum_{i=1}^{n}a_{i} , m = n 1 i = 1 ∑ n a i ,
要证的是:函数 f ( x ) = 1 n ∑ i = 1 n ( x − a i ) 2 f(x)=\dfrac1n\displaystyle\sum_{i=1}^{n}(x-a_{i})^{2} f ( x ) = n 1 i = 1 ∑ n ( x − a i ) 2 (x ∈ R x\in\mathbf{R} x ∈ R )在 x = m x=m x = m 处取到最小值。
求导。 有限和可以逐项求导:
f ′ ( x ) = 1 n ∑ i = 1 n 2 ( x − a i ) = 2 n ( n x − ∑ i = 1 n a i ) = 2 ( x − 1 n ∑ i = 1 n a i ) = 2 ( x − m ) . f'(x)=\frac1n\sum_{i=1}^{n}2(x-a_{i})
=\frac2n\left(nx-\sum_{i=1}^{n}a_{i}\right)
=2\left(x-\frac1n\sum_{i=1}^{n}a_{i}\right)=2(x-m) . f ′ ( x ) = n 1 i = 1 ∑ n 2 ( x − a i ) = n 2 ( n x − i = 1 ∑ n a i ) = 2 ( x − n 1 i = 1 ∑ n a i ) = 2 ( x − m ) .
判号。 f ′ ( x ) = 2 ( x − m ) f'(x)=2(x-m) f ′ ( x ) = 2 ( x − m ) 的符号只由 x − m x-m x − m 决定:
区间 ( − ∞ , m ) (-\infty,\ m) ( − ∞ , m ) ( m , + ∞ ) (m,\ +\infty) ( m , + ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 单调递减 单调递增
于是 x = m x=m x = m 是 f f f 在 R \mathbf{R} R 上的唯一极小值点 ,左减右增,因而是最小值点 :
f ( x ) ⩾ f ( m ) = 1 n ∑ i = 1 n ( m − a i ) 2 ( x ∈ R ) . f(x)\geqslant f(m)=\frac1n\sum_{i=1}^{n}(m-a_{i})^{2}\qquad(x\in\mathbf{R}) . f ( x ) ⩾ f ( m ) = n 1 i = 1 ∑ n ( m − a i ) 2 ( x ∈ R ) .
即用平均值 m m m 表示物体长度时,这 n n n 个数据的方差最小。■ \blacksquare ■
自检(配方法)。 展开
f ( x ) = x 2 − 2 m x + 1 n ∑ i = 1 n a i 2 = ( x − m ) 2 + ( 1 n ∑ i = 1 n a i 2 − m 2 ) , f(x)=x^{2}-2mx+\frac1n\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}
=(x-m)^{2}+\left(\frac1n\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}-m^{2}\right) , f ( x ) = x 2 − 2 m x + n 1 i = 1 ∑ n a i 2 = ( x − m ) 2 + ( n 1 i = 1 ∑ n a i 2 − m 2 ) ,
这是开口向上、对称轴 x = m x=m x = m 的二次函数,最小值在 x = m x=m x = m 处取到,与导数结论一致;
括号里那一项正是数据本身的方差,也就是 f ( m ) f(m) f ( m ) 。
这道题的动作 :求和号里的求导可以逐项做 ,做完把 ∑ a i \sum a_{i} ∑ a i 一次性换成 n m nm nm ,
n n n 个数据就被压缩成了一个参数。这就是「最小二乘」思想在高中范围内最简单的一例。
习题 5.3 第 10 题
已知某商品的生产成本 C C C 与产量 q q q 之间的关系为 C = 100 + 4 q C = 100 + 4q C = 100 + 4 q ,单价 p p p 与产量 q q q 之间的关系为 p = 25 − 1 8 q p = 25 - \frac{1}{8} q p = 25 − 8 1 q 。产量 q q q 为何值时,利润最大?
列出利润函数。 利润 = = = 收入 − - − 成本,收入 = = = 单价 × \times × 产量:
L ( q ) = p q − C = ( 25 − 1 8 q ) q − ( 100 + 4 q ) = 25 q − q 2 8 − 100 − 4 q = − q 2 8 + 21 q − 100. L(q)=pq-C=\left(25-\frac18q\right)q-(100+4q)
=25q-\frac{q^{2}}{8}-100-4q=-\frac{q^{2}}{8}+21q-100 . L ( q ) = pq − C = ( 25 − 8 1 q ) q − ( 100 + 4 q ) = 25 q − 8 q 2 − 100 − 4 q = − 8 q 2 + 21 q − 100.
定义域。 产量非负故 q > 0 q>0 q > 0 ;又单价须为正,25 − q 8 > 0 25-\dfrac q8>0 25 − 8 q > 0 给出 q < 200 q<200 q < 200 。所以 0 < q < 200 0<q<200 0 < q < 200 。
求导。
L ′ ( q ) = − q 4 + 21. L'(q)=-\frac{q}{4}+21 . L ′ ( q ) = − 4 q + 21.
令 L ′ ( q ) = 0 L'(q)=0 L ′ ( q ) = 0 得 q = 84 q=84 q = 84 ,落在 ( 0 , 200 ) (0,200) ( 0 , 200 ) 内。判号:q < 84 q<84 q < 84 时 L ′ > 0 L'>0 L ′ > 0 ,q > 84 q>84 q > 84 时 L ′ < 0 L'<0 L ′ < 0 ,
故 q = 84 q=84 q = 84 是唯一极大值点 ,也就是最大值点。
最大利润:
L ( 84 ) = − 84 2 8 + 21 × 84 − 100 = − 882 + 1764 − 100 = 782. L(84)=-\frac{84^{2}}{8}+21\times84-100=-882+1764-100=782 . L ( 84 ) = − 8 8 4 2 + 21 × 84 − 100 = − 882 + 1764 − 100 = 782.
答 :产量 q = 84 q=84 q = 84 时利润最大,最大利润为 782 782 782 (与成本、单价同单位)。
自检。 L L L 是开口向下的二次函数,顶点横坐标 − b 2 a = − 21 2 × ( − 1 8 ) = 84 -\dfrac{b}{2a}=-\dfrac{21}{2\times\left(-\frac18\right)}=84 − 2 a b = − 2 × ( − 8 1 ) 21 = 84 ,
与导数结论一致。
习题 5.3 第 11 题
已知某商品进价为 a a a 元/件,根据以往经验,当售价是 b ( b ⩾ 4 3 a ) b\left(b \geqslant \frac{4}{3} a\right) b ( b ⩾ 3 4 a ) 元/件时,可卖出 c c c 件。市场调查表明,当售价下降 10 % 10\% 10% 时,销量可增加 40 % 40\% 40% 。现决定一次性降价,售价为多少时,可获得最大利润?
设降价的比例。 设售价在 b b b 的基础上下降 x x x (即降价比例为 x x x ,0 ⩽ x < 1 0\leqslant x<1 0 ⩽ x < 1 ),
则新售价为 b ( 1 − x ) b(1-x) b ( 1 − x ) 。由「降 10 % 10\% 10% 销量增 40 % 40\% 40% 」的线性关系,降 x x x 时销量增 4 x 4x 4 x ,
即销量为 c ( 1 + 4 x ) c(1+4x) c ( 1 + 4 x ) 。
利润函数。 每件赚 b ( 1 − x ) − a b(1-x)-a b ( 1 − x ) − a 元,共卖 c ( 1 + 4 x ) c(1+4x) c ( 1 + 4 x ) 件:
y ( x ) = [ b ( 1 − x ) − a ] ⋅ c ( 1 + 4 x ) . y(x)=\big[b(1-x)-a\big]\cdot c(1+4x) . y ( x ) = [ b ( 1 − x ) − a ] ⋅ c ( 1 + 4 x ) .
展开(记 c > 0 c>0 c > 0 为常数提在外面):
y ( x ) = c [ ( b − a ) − b x ] ( 1 + 4 x ) = c [ − 4 b x 2 + ( 3 b − 4 a ) x + ( b − a ) ] . y(x)=c\big[(b-a)-bx\big](1+4x)
=c\big[-4bx^{2}+(3b-4a)x+(b-a)\big] . y ( x ) = c [ ( b − a ) − b x ] ( 1 + 4 x ) = c [ − 4 b x 2 + ( 3 b − 4 a ) x + ( b − a ) ] .
求导。
y ′ ( x ) = c [ − 8 b x + ( 3 b − 4 a ) ] . y'(x)=c\big[-8bx+(3b-4a)\big] . y ′ ( x ) = c [ − 8 b x + ( 3 b − 4 a ) ] .
令 y ′ ( x ) = 0 y'(x)=0 y ′ ( x ) = 0 得
x 0 = 3 b − 4 a 8 b . x_{0}=\frac{3b-4a}{8b} . x 0 = 8 b 3 b − 4 a .
验它有意义。 由题设 b ⩾ 4 3 a b\geqslant\dfrac43a b ⩾ 3 4 a 即 3 b ⩾ 4 a 3b\geqslant4a 3 b ⩾ 4 a ,故 x 0 ⩾ 0 x_{0}\geqslant0 x 0 ⩾ 0 ;
又 3 b − 4 a < 3 b 3b-4a<3b 3 b − 4 a < 3 b 给出 x 0 < 3 8 < 1 x_{0}<\dfrac38<1 x 0 < 8 3 < 1 。所以 x 0 ∈ [ 0 , 3 8 ) x_{0}\in\left[0,\dfrac38\right) x 0 ∈ [ 0 , 8 3 ) ,是允许的降价比例。
判号。 y ′ y' y ′ 是关于 x x x 的一次函数、斜率 − 8 b c < 0 -8bc<0 − 8 b c < 0 ,故 x < x 0 x<x_{0} x < x 0 时 y ′ > 0 y'>0 y ′ > 0 、x > x 0 x>x_{0} x > x 0 时 y ′ < 0 y'<0 y ′ < 0 ,
x 0 x_{0} x 0 是唯一极大值点 ,也就是最大值点。
换回售价:
b ( 1 − x 0 ) = b ⋅ 8 b − ( 3 b − 4 a ) 8 b = 5 b + 4 a 8 . b(1-x_{0})=b\cdot\frac{8b-(3b-4a)}{8b}=\frac{5b+4a}{8} . b ( 1 − x 0 ) = b ⋅ 8 b 8 b − ( 3 b − 4 a ) = 8 5 b + 4 a .
答 :售价定为 5 b + 4 a 8 \dfrac{5b+4a}{8} 8 5 b + 4 a 元/件时利润最大。
自检两处:
边界情形 b = 4 3 a b=\dfrac43a b = 3 4 a :此时 x 0 = 0 x_{0}=0 x 0 = 0 ,售价 5 ⋅ 4 3 a + 4 a 8 = 20 3 a + 4 a 8 = 4 3 a = b \dfrac{5\cdot\frac43a+4a}{8}=\dfrac{\frac{20}{3}a+4a}{8}=\dfrac43a=b 8 5 ⋅ 3 4 a + 4 a = 8 3 20 a + 4 a = 3 4 a = b ,
即不降价 最好,与 x 0 = 0 x_{0}=0 x 0 = 0 一致。题设的 b ⩾ 4 3 a b\geqslant\dfrac43a b ⩾ 3 4 a 正是为了保证降价比例不为负。
仍然赚钱 :5 b + 4 a 8 \dfrac{5b+4a}{8} 8 5 b + 4 a 关于 b b b 递增,故它 ⩾ 4 3 a > a \geqslant\dfrac43a>a ⩾ 3 4 a > a ,新售价始终高于进价。
习题 5.3 第 12 题
利用函数的单调性,证明下列不等式,并通过函数图象直观验证:
(1) e x > 1 + x , x ≠ 0 ; e^{x}>1+x, x\neq0; e x > 1 + x , x = 0 ; (2) ln x < x < e x , x > 0. \ln x<x<e^{x}, x>0. ln x < x < e x , x > 0.
(1) 令 s ( x ) = e x − 1 − x s(x)=\mathrm{e}^{x}-1-x s ( x ) = e x − 1 − x ,定义域 R \mathbf{R} R 。求导:
s ′ ( x ) = e x − 1. s'(x)=\mathrm{e}^{x}-1 . s ′ ( x ) = e x − 1.
由指数函数 y = e x y=\mathrm{e}^{x} y = e x 严格递增且 e 0 = 1 \mathrm{e}^{0}=1 e 0 = 1 知:x < 0 x<0 x < 0 时 s ′ ( x ) < 0 s'(x)<0 s ′ ( x ) < 0 ,x > 0 x>0 x > 0 时 s ′ ( x ) > 0 s'(x)>0 s ′ ( x ) > 0 。
所以 s s s 在 ( − ∞ , 0 ] (-\infty,0] ( − ∞ , 0 ] 上严格递减 、在 [ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 上严格递增 ,x = 0 x=0 x = 0 是唯一最小值点:
s ( x ) ⩾ s ( 0 ) = 1 − 1 − 0 = 0. s(x)\geqslant s(0)=1-1-0=0 . s ( x ) ⩾ s ( 0 ) = 1 − 1 − 0 = 0.
再把”严格”补上 :当 x < 0 x<0 x < 0 时由严格递减得 s ( x ) > s ( 0 ) = 0 s(x)>s(0)=0 s ( x ) > s ( 0 ) = 0 ;当 x > 0 x>0 x > 0 时由严格递增得 s ( x ) > s ( 0 ) = 0 s(x)>s(0)=0 s ( x ) > s ( 0 ) = 0 。
故对一切 x ≠ 0 x\neq0 x = 0 有 s ( x ) > 0 s(x)>0 s ( x ) > 0 ,即 e x > 1 + x \mathrm{e}^{x}>1+x e x > 1 + x 。■ \blacksquare ■
图象验证 :y = e x y=\mathrm{e}^{x} y = e x 在点 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 处的切线斜率是 e 0 = 1 \mathrm{e}^{0}=1 e 0 = 1 ,切线方程正是 y = 1 + x y=1+x y = 1 + x ;
而 ( e x ) ′ ′ = e x > 0 (\mathrm{e}^{x})''=\mathrm{e}^{x}>0 ( e x ) ′′ = e x > 0 ,曲线处处下凸 (开口朝上,也叫凹),所以除切点外整条曲线都在切线上方。
这条不等式的几何内容就是「指数曲线在它自己的切线之上」。
(2) 分两半证。
右半 x < e x x<\mathrm{e}^{x} x < e x : 由 (1),当 x > 0 x>0 x > 0 时 x ≠ 0 x\neq0 x = 0 ,故 e x > 1 + x > x \mathrm{e}^{x}>1+x>x e x > 1 + x > x (最后一步因 1 > 0 1>0 1 > 0 )。
左半 ln x < x \ln x<x ln x < x : 令 u ( x ) = x − ln x u(x)=x-\ln x u ( x ) = x − ln x ,定义域 x > 0 x>0 x > 0 。求导
u ′ ( x ) = 1 − 1 x = x − 1 x , u'(x)=1-\frac1x=\frac{x-1}{x} , u ′ ( x ) = 1 − x 1 = x x − 1 ,
分母为正,故 x < 1 x<1 x < 1 时 u ′ < 0 u'<0 u ′ < 0 、x > 1 x>1 x > 1 时 u ′ > 0 u'>0 u ′ > 0 ,x = 1 x=1 x = 1 是唯一极小值点,也是最小值点:
u ( x ) ⩾ u ( 1 ) = 1 − ln 1 = 1 > 0 , u(x)\geqslant u(1)=1-\ln1=1>0 , u ( x ) ⩾ u ( 1 ) = 1 − ln 1 = 1 > 0 ,
即 x − ln x ⩾ 1 > 0 x-\ln x\geqslant1>0 x − ln x ⩾ 1 > 0 ,所以 ln x < x \ln x<x ln x < x 。合起来得 ln x < x < e x ( x > 0 ) \ln x<x<\mathrm{e}^{x}\ (x>0) ln x < x < e x ( x > 0 ) 。■ \blacksquare ■
图象验证 :三条曲线 y = ln x y=\ln x y = ln x 、y = x y=x y = x 、y = e x y=\mathrm{e}^{x} y = e x 中,第一条与第三条关于直线 y = x y=x y = x 对称。
y = e x y=\mathrm{e}^{x} y = e x 整体在 y = x y=x y = x 上方(两者无交点),对称过去就是 y = ln x y=\ln x y = ln x 整体在 y = x y=x y = x 下方。
一条不等式照镜子就得到另一条 ,这也是为什么两半可以只算一半。
注意两半的余量下界都是 1 1 1 ,但”紧”的程度不一样 :左半 x − ln x ⩾ 1 x-\ln x\geqslant1 x − ln x ⩾ 1 ,等号在 x = 1 x=1 x = 1 处
真的取到 ;右半 e x − x > 1 \mathrm{e}^{x}-x>1 e x − x > 1 在 x > 0 x>0 x > 0 上恒是严格不等号 (1 1 1 只是 x → 0 + x\to0^{+} x → 0 + 的极限,
取不到)。所以论”谁更紧”是左半更紧 (它够得着 1 1 1 )——不能说成”左半的余量更大”。逐点去比则
互有大小:x = 0.5 x=0.5 x = 0.5 时左 ≈ 1.19 > \approx1.19> ≈ 1.19 > 右 ≈ 1.15 \approx1.15 ≈ 1.15 ;x = 1 x=1 x = 1 时左 = 1 < =1< = 1 < 右 = e − 1 ≈ 1.72 =\mathrm{e}-1\approx1.72 = e − 1 ≈ 1.72 ;
x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时右边约为 e x \mathrm{e}^{x} e x 、左边约为 x x x ,右边远远更大。能确定的只有一件事:
两处最紧的位置不同 ——左半在 x = 1 x=1 x = 1 ,右半在 x → 0 + x\to0^{+} x → 0 + ,不会撞在同一点上。
习题 5.3 第 13 题
利用信息技术工具,根据给定的 a, b, c, d 的值,可以画出函数
f ( x ) = a x 3 + b x 2 + c x + d ( a ≠ 0 ) f (x) = a x ^ {3} + b x ^ {2} + c x + d (a \neq 0) f ( x ) = a x 3 + b x 2 + c x + d ( a = 0 )
的图象,当 a = − 4 , b = 1 , c = 5 , d = − 1 a = -4, b = 1, c = 5, d = -1 a = − 4 , b = 1 , c = 5 , d = − 1 时,f ( x ) f(x) f ( x ) 的图象如图所示.改变 a , b , c , d a, b, c, d a , b , c , d 的值,观察图象的形状:
(1) 你能归纳函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 图象的大致形状吗?它的图象有什么特点?你能从图象上大致估计它的单调区间吗?
(2) 运用导数研究它的单调性,并求出相应的单调区间.
(1) 从图上读,再归纳。
图上画的是 a = − 4 , b = 1 , c = 5 , d = − 1 a=-4,\ b=1,\ c=5,\ d=-1 a = − 4 , b = 1 , c = 5 , d = − 1 的那一条:曲线自左上方陡降 ,在 x ≈ − 0.6 x\approx-0.6 x ≈ − 0.6 处到达一个
谷底 (纵坐标约 − 2.8 -2.8 − 2.8 ),随后上升 ,在 x ≈ 0.7 x\approx0.7 x ≈ 0.7 处到达一个峰顶 (纵坐标约 1.6 1.6 1.6 ),
之后又陡降 并向右下方离开画面。所以从图上可以估计:
递减区间约 ( − ∞ , − 0.6 ) 与 ( 0.7 , + ∞ ) , 递增区间约 ( − 0.6 , 0.7 ) . \text{递减区间约 }(-\infty,-0.6)\ \text{与}\ (0.7,+\infty),\qquad \text{递增区间约 }(-0.6,\ 0.7) . 递减区间约 ( − ∞ , − 0.6 ) 与 ( 0.7 , + ∞ ) , 递增区间约 ( − 0.6 , 0.7 ) .
改变 a , b , c , d a,b,c,d a , b , c , d 反复观察,可以归纳出三条特点:
走向由 a a a 的符号决定。 a > 0 a>0 a > 0 时图象自左下方来、往右上方去;a < 0 a<0 a < 0 时反过来(本图即 a < 0 a<0 a < 0 )。
原因是 x → ± ∞ x\to\pm\infty x → ± ∞ 时 a x 3 ax^{3} a x 3 这一项压过其余各项。
形状只有两类 :要么是带一个”谷”和一个”峰”的 S 形 (升降升或降升降,有两个极值点),
要么全程单调 (没有极值点,中间可能有一处切线水平的”平台”)。不会出现三个及以上的转折 ,
因为 f ′ f' f ′ 是二次函数,最多两个零点。
中心对称。 图象关于点 ( − b 3 a , f ( − b 3 a ) ) \left(-\dfrac{b}{3a},\ f\left(-\dfrac{b}{3a}\right)\right) ( − 3 a b , f ( − 3 a b ) ) 中心对称;
有两个极值点时,这个对称中心正好在两个极值点的正中间。d d d 只把整条曲线上下平移。
(2) 用导数算准。 一般地
f ′ ( x ) = 3 a x 2 + 2 b x + c , f'(x)=3ax^{2}+2bx+c , f ′ ( x ) = 3 a x 2 + 2 b x + c ,
这是二次函数,判别式 Δ = ( 2 b ) 2 − 4 ⋅ 3 a ⋅ c = 4 b 2 − 12 a c \Delta=(2b)^{2}-4\cdot3a\cdot c=4b^{2}-12ac Δ = ( 2 b ) 2 − 4 ⋅ 3 a ⋅ c = 4 b 2 − 12 a c 。于是分两类:
Δ ⩽ 0 \Delta\leqslant0 Δ ⩽ 0 :f ′ f' f ′ 不变号(与 3 a 3a 3 a 同号),f f f 在 R \mathbf{R} R 上单调——a > 0 a>0 a > 0 时全程递增,a < 0 a<0 a < 0 时全程递减;
Δ > 0 \Delta>0 Δ > 0 :f ′ f' f ′ 有两个零点,f f f 在两根之间与两根之外的单调性相反,恰有一个极大值点与一个极小值点。
代入本图的数据 a = − 4 , b = 1 , c = 5 , d = − 1 a=-4,\ b=1,\ c=5,\ d=-1 a = − 4 , b = 1 , c = 5 , d = − 1 :
f ′ ( x ) = − 12 x 2 + 2 x + 5. f'(x)=-12x^{2}+2x+5 . f ′ ( x ) = − 12 x 2 + 2 x + 5.
令 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f ′ ( x ) = 0 ,即 12 x 2 − 2 x − 5 = 0 12x^{2}-2x-5=0 12 x 2 − 2 x − 5 = 0 ,判别式 Δ = ( − 2 ) 2 − 4 × 12 × ( − 5 ) = 4 + 240 = 244 > 0 \Delta=(-2)^{2}-4\times12\times(-5)=4+240=244>0 Δ = ( − 2 ) 2 − 4 × 12 × ( − 5 ) = 4 + 240 = 244 > 0 ,
x = 2 ± 244 24 = 1 ± 61 12 . x=\frac{2\pm\sqrt{244}}{24}=\frac{1\pm\sqrt{61}}{12} . x = 24 2 ± 244 = 12 1 ± 61 .
记 x 1 = 1 − 61 12 ≈ − 0.568 x_{1}=\dfrac{1-\sqrt{61}}{12}\approx-0.568 x 1 = 12 1 − 61 ≈ − 0.568 ,x 2 = 1 + 61 12 ≈ 0.734 x_{2}=\dfrac{1+\sqrt{61}}{12}\approx0.734 x 2 = 12 1 + 61 ≈ 0.734 。
因二次项系数 − 12 < 0 -12<0 − 12 < 0 ,抛物线开口向下,故 f ′ f' f ′ 在两根之间为正、两根之外为负:
区间 ( − ∞ , x 1 ) (-\infty,\ x_{1}) ( − ∞ , x 1 ) ( x 1 , x 2 ) (x_{1},\ x_{2}) ( x 1 , x 2 ) ( x 2 , + ∞ ) (x_{2},\ +\infty) ( x 2 , + ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) − - − + + + − - − f ( x ) f(x) f ( x ) 单调递减 单调递增 单调递减
答 :单调递增区间是 ( 1 − 61 12 , 1 + 61 12 ) \left(\dfrac{1-\sqrt{61}}{12},\ \dfrac{1+\sqrt{61}}{12}\right) ( 12 1 − 61 , 12 1 + 61 ) ,
单调递减区间是 ( − ∞ , 1 − 61 12 ) \left(-\infty,\ \dfrac{1-\sqrt{61}}{12}\right) ( − ∞ , 12 1 − 61 ) 与
( 1 + 61 12 , + ∞ ) \left(\dfrac{1+\sqrt{61}}{12},\ +\infty\right) ( 12 1 + 61 , + ∞ ) 。
与 (1) 的估计对照。 x 1 ≈ − 0.568 x_{1}\approx-0.568 x 1 ≈ − 0.568 、x 2 ≈ 0.734 x_{2}\approx0.734 x 2 ≈ 0.734 ,与从图上读出的 − 0.6 -0.6 − 0.6 、0.7 0.7 0.7 吻合;
极值也对得上:
f ( x 2 ) ≈ − 4 ( 0.734 ) 3 + ( 0.734 ) 2 + 5 ( 0.734 ) − 1 ≈ 1.63 , f ( x 1 ) ≈ − 2.78 , f(x_{2})\approx-4(0.734)^{3}+(0.734)^{2}+5(0.734)-1\approx1.63,\qquad f(x_{1})\approx-2.78 , f ( x 2 ) ≈ − 4 ( 0.734 ) 3 + ( 0.734 ) 2 + 5 ( 0.734 ) − 1 ≈ 1.63 , f ( x 1 ) ≈ − 2.78 ,
(这两个数的精确值是 f ( x 1 , 2 ) = − 125 ∓ 61 61 216 f(x_{1,2})=\dfrac{-125\mp61\sqrt{61}}{216} f ( x 1 , 2 ) = 216 − 125 ∓ 61 61 ,即 − 2.78438 … -2.78438\ldots − 2.78438 … 与 1.62697 … 1.62697\ldots 1.62697 … ;
取两位小数是 − 2.78 -2.78 − 2.78 与 1.63 1.63 1.63 。)
正是图上那个峰顶与谷底的高度。图给方向,导数给准数 ——这道题要的就是这两步的配合。
复习参考题 5 第 1 题
已知点 P P P 和点 Q Q Q 是曲线 y = x 2 − 2 x − 3 y = x^2 - 2x - 3 y = x 2 − 2 x − 3 上的两点,且点 P P P 的横坐标是 1,点 Q Q Q 的横坐标是 4. 求:
(1) 割线 PQ 的斜率; (2) 点 P 处的切线方程.
先求两点的坐标。 把横坐标代入 y = x 2 − 2 x − 3 y=x^{2}-2x-3 y = x 2 − 2 x − 3 :
y P = 1 − 2 − 3 = − 4 , y Q = 16 − 8 − 3 = 5 , y_{P}=1-2-3=-4,\qquad y_{Q}=16-8-3=5 , y P = 1 − 2 − 3 = − 4 , y Q = 16 − 8 − 3 = 5 ,
即 P ( 1 , − 4 ) P(1,-4) P ( 1 , − 4 ) ,Q ( 4 , 5 ) Q(4,5) Q ( 4 , 5 ) 。
(1) 割线斜率就是两点间的平均变化率 :
k P Q = y Q − y P x Q − x P = 5 − ( − 4 ) 4 − 1 = 9 3 = 3. k_{PQ}=\frac{y_{Q}-y_{P}}{x_{Q}-x_{P}}=\frac{5-(-4)}{4-1}=\frac93=3 . k P Q = x Q − x P y Q − y P = 4 − 1 5 − ( − 4 ) = 3 9 = 3.
(2) 切线斜率是瞬时变化率 ,即导数值。由 y ′ = 2 x − 2 y'=2x-2 y ′ = 2 x − 2 得
y ′ ∣ x = 1 = 2 × 1 − 2 = 0. y'\big|_{x=1}=2\times1-2=0 . y ′ x = 1 = 2 × 1 − 2 = 0.
所以点 P P P 处的切线是水平线 ,方程为
y = − 4. y=-4 . y = − 4.
自检。 y = x 2 − 2 x − 3 = ( x − 1 ) 2 − 4 y=x^{2}-2x-3=(x-1)^{2}-4 y = x 2 − 2 x − 3 = ( x − 1 ) 2 − 4 ,顶点正是 P ( 1 , − 4 ) P(1,-4) P ( 1 , − 4 ) ,抛物线在顶点处的切线当然水平,相符。
另外割线斜率 3 3 3 与切线斜率 0 0 0 相差很大,说明从 x = 1 x=1 x = 1 到 x = 4 x=4 x = 4 这一段函数变化很不均匀——
这正是平均变化率与瞬时变化率的区别。
复习参考题 5 第 2 题
求下列函数的导数:
(1) y = 2 x tan x ; y=2x\tan x; y = 2 x tan x ;
(2) y = 2 x ln x ; y=2^{x}\ln x; y = 2 x ln x ;
(3) y = ( x − 2 ) 3 ( 3 x + 1 ) 2 ; y=(x-2)^{3}(3x+1)^{2}; y = ( x − 2 ) 3 ( 3 x + 1 ) 2 ;
(4) y = x 2 ( 2 x + 1 ) 3 ; y=\frac{x^{2}}{(2x+1)^{3}}; y = ( 2 x + 1 ) 3 x 2 ;
(5) y = e − 2 x + 1 cos ( − x 2 + x ) ; y=e^{-2x+1}\cos(-x^{2}+x); y = e − 2 x + 1 cos ( − x 2 + x ) ;
(6) y = sin 2 x x . y=\frac{\sin 2x}{\sqrt{x}}. y = x s i n 2 x .
用到的公式:( tan x ) ′ = 1 cos 2 x (\tan x)'=\dfrac1{\cos^{2}x} ( tan x ) ′ = cos 2 x 1 、( a x ) ′ = a x ln a (a^{x})'=a^{x}\ln a ( a x ) ′ = a x ln a 、( ln x ) ′ = 1 x (\ln x)'=\dfrac1x ( ln x ) ′ = x 1 ,
以及乘积、商与复合函数的求导法则。
(1) 定义域 x ≠ π 2 + k π ( k ∈ Z ) x\neq\dfrac{\pi}{2}+k\pi\ (k\in\mathbf{Z}) x = 2 π + k π ( k ∈ Z ) 。用乘积法则:
y ′ = 2 tan x + 2 x ⋅ 1 cos 2 x = 2 tan x + 2 x cos 2 x . y'=2\tan x+2x\cdot\frac1{\cos^{2}x}=2\tan x+\frac{2x}{\cos^{2}x} . y ′ = 2 tan x + 2 x ⋅ cos 2 x 1 = 2 tan x + cos 2 x 2 x .
(2) 定义域 x > 0 x>0 x > 0 。用乘积法则:
y ′ = 2 x ln 2 ⋅ ln x + 2 x ⋅ 1 x = 2 x ( ln 2 ⋅ ln x + 1 x ) . y'=2^{x}\ln2\cdot\ln x+2^{x}\cdot\frac1x=2^{x}\left(\ln2\cdot\ln x+\frac1x\right) . y ′ = 2 x ln 2 ⋅ ln x + 2 x ⋅ x 1 = 2 x ( ln 2 ⋅ ln x + x 1 ) .
(3) 定义域 R \mathbf{R} R 。乘积法则加两次复合:
y ′ = 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) 2 + ( x − 2 ) 3 ⋅ 2 ( 3 x + 1 ) ⋅ 3. y'=3(x-2)^{2}(3x+1)^{2}+(x-2)^{3}\cdot2(3x+1)\cdot3 . y ′ = 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) 2 + ( x − 2 ) 3 ⋅ 2 ( 3 x + 1 ) ⋅ 3.
提公因式 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) 3(x-2)^{2}(3x+1) 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) (这一步不做,答案就很难核对):
y ′ = 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) [ ( 3 x + 1 ) + 2 ( x − 2 ) ] = 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) ( 5 x − 3 ) . y'=3(x-2)^{2}(3x+1)\big[(3x+1)+2(x-2)\big]=3(x-2)^{2}(3x+1)(5x-3) . y ′ = 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) [ ( 3 x + 1 ) + 2 ( x − 2 ) ] = 3 ( x − 2 ) 2 ( 3 x + 1 ) ( 5 x − 3 ) .
(4) 定义域 x ≠ − 1 2 x\neq-\dfrac12 x = − 2 1 。用商的法则:
y ′ = 2 x ( 2 x + 1 ) 3 − x 2 ⋅ 3 ( 2 x + 1 ) 2 ⋅ 2 ( 2 x + 1 ) 6 . y'=\frac{2x(2x+1)^{3}-x^{2}\cdot3(2x+1)^{2}\cdot2}{(2x+1)^{6}} . y ′ = ( 2 x + 1 ) 6 2 x ( 2 x + 1 ) 3 − x 2 ⋅ 3 ( 2 x + 1 ) 2 ⋅ 2 .
分子提出 ( 2 x + 1 ) 2 (2x+1)^{2} ( 2 x + 1 ) 2 与分母约掉:
y ′ = 2 x ( 2 x + 1 ) − 6 x 2 ( 2 x + 1 ) 4 = 4 x 2 + 2 x − 6 x 2 ( 2 x + 1 ) 4 = 2 x ( 1 − x ) ( 2 x + 1 ) 4 . y'=\frac{2x(2x+1)-6x^{2}}{(2x+1)^{4}}=\frac{4x^{2}+2x-6x^{2}}{(2x+1)^{4}}
=\frac{2x(1-x)}{(2x+1)^{4}} . y ′ = ( 2 x + 1 ) 4 2 x ( 2 x + 1 ) − 6 x 2 = ( 2 x + 1 ) 4 4 x 2 + 2 x − 6 x 2 = ( 2 x + 1 ) 4 2 x ( 1 − x ) .
(5) 定义域 R \mathbf{R} R 。先用偶函数性质化简:cos ( − x 2 + x ) = cos ( x 2 − x ) \cos(-x^{2}+x)=\cos(x^{2}-x) cos ( − x 2 + x ) = cos ( x 2 − x ) ,于是
y = e − 2 x + 1 cos ( x 2 − x ) y=\mathrm{e}^{-2x+1}\cos(x^{2}-x) y = e − 2 x + 1 cos ( x 2 − x ) 。两个因子各自复合,再用乘积法则:
( e − 2 x + 1 ) ′ = − 2 e − 2 x + 1 , [ cos ( x 2 − x ) ] ′ = − sin ( x 2 − x ) ⋅ ( 2 x − 1 ) , \left(\mathrm{e}^{-2x+1}\right)'=-2\mathrm{e}^{-2x+1},\qquad
\big[\cos(x^{2}-x)\big]'=-\sin(x^{2}-x)\cdot(2x-1) , ( e − 2 x + 1 ) ′ = − 2 e − 2 x + 1 , [ cos ( x 2 − x ) ] ′ = − sin ( x 2 − x ) ⋅ ( 2 x − 1 ) ,
y ′ = − 2 e − 2 x + 1 cos ( x 2 − x ) − ( 2 x − 1 ) e − 2 x + 1 sin ( x 2 − x ) = − e − 2 x + 1 [ 2 cos ( x 2 − x ) + ( 2 x − 1 ) sin ( x 2 − x ) ] . y'=-2\mathrm{e}^{-2x+1}\cos(x^{2}-x)-(2x-1)\mathrm{e}^{-2x+1}\sin(x^{2}-x)
=-\mathrm{e}^{-2x+1}\big[2\cos(x^{2}-x)+(2x-1)\sin(x^{2}-x)\big] . y ′ = − 2 e − 2 x + 1 cos ( x 2 − x ) − ( 2 x − 1 ) e − 2 x + 1 sin ( x 2 − x ) = − e − 2 x + 1 [ 2 cos ( x 2 − x ) + ( 2 x − 1 ) sin ( x 2 − x ) ] .
(6) 定义域 x > 0 x>0 x > 0 (分母 x \sqrt x x 要求 x > 0 x>0 x > 0 )。用商的法则,( x ) ′ = 1 2 x (\sqrt x)'=\dfrac1{2\sqrt x} ( x ) ′ = 2 x 1 :
y ′ = 2 cos 2 x ⋅ x − sin 2 x ⋅ 1 2 x x . y'=\frac{2\cos2x\cdot\sqrt x-\sin2x\cdot\dfrac1{2\sqrt x}}{x} . y ′ = x 2 cos 2 x ⋅ x − sin 2 x ⋅ 2 x 1 .
分子分母同乘 2 x 2\sqrt x 2 x 整理:
y ′ = 4 x cos 2 x − sin 2 x 2 x x . y'=\frac{4x\cos2x-\sin2x}{2x\sqrt x} . y ′ = 2 x x 4 x cos 2 x − sin 2 x .
这六小问的动作 :先定义域、再看结构 (是乘积、是商、还是复合),
最后能提公因式就提 ——(3)(4) 两问不提公因式,写出来的式子既长又难验算。
复习参考题 5 第 3 题
已知函数 y = f ( x ) y = f(x) y = f ( x ) 的图象是下列四个图象之一,且其导函数 y = f ′ ( x ) y = f'(x) y = f ′ ( x ) 的图象如图所示,则该函数的图象是( ).
(第3题) (A) (B) (C) (D)
先读导函数的图。 y = f ′ ( x ) y=f'(x) y = f ′ ( x ) 的图象是一段位于 x x x 轴上方 的拱形,定义在 [ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上,
两端 f ′ ( − 1 ) = f ′ ( 1 ) = 0 f'(-1)=f'(1)=0 f ′ ( − 1 ) = f ′ ( 1 ) = 0 ,中间隆起、在 x = 0 x=0 x = 0 处取到最大值 。由此得到两条信息:
f ′ ⩾ 0 f'\geqslant0 f ′ ⩾ 0 且只在两端为零 ⟹ f f f 在 [ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上单调递增 ,且在 x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 处切线水平;
f ′ f' f ′ 在 x = 0 x=0 x = 0 处最大 ⟹ f f f 在 x = 0 x=0 x = 0 处上升得最陡 。
所以要找的图象是:两端平(水平切线)、中间陡 的递增曲线——一条”S”形。
逐个选项排除 (四个选项都画在 [ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上,都递增):
选项 图象特征 对应的 f ′ f' f ′ 判断 (A) 中间平、两端陡 f ′ f' f ′ 在 x = 0 x=0 x = 0 处最小、两端最大与图恰好相反 ,排除 (B) 两端平、中间陡 f ′ f' f ′ 在 x = 0 x=0 x = 0 处最大、两端为零符合 (C) 左端平、右端陡(一路变陡) f ′ f' f ′ 单调递增排除 (D) 左端陡、右端平(一路变缓) f ′ f' f ′ 单调递减排除
答:选 (B)。
这道题的动作 :由 f ′ f' f ′ 的图选 f f f 的图,要读的不只是符号,还有大小 。
四个选项全是增函数,符号这一层区分不了它们;分胜负的是「哪里最陡 」——
它对应 f ′ f' f ′ 的最大值点。这与本节练习那道「画 f f f 的大致形状」是同一个考点的正反两面。
复习参考题 5 第 4 题
求下列曲线在给定点处的切线方程:
(1) y = x − 1 x y = x - \frac{1}{x} y = x − x 1 , (1, 0);
(2) y = e 2 x − 1 x 2 y = \frac{e^{2x-1}}{x^{2}} y = x 2 e 2 x − 1 , ( 1 2 , 4 ) \left(\frac{1}{2}, 4\right) ( 2 1 , 4 ) .
(1) 先验点在曲线上:x = 1 x=1 x = 1 时 y = 1 − 1 = 0 y=1-1=0 y = 1 − 1 = 0 ✓。定义域 x ≠ 0 x\neq0 x = 0 。
y ′ = 1 + 1 x 2 , y ′ ∣ x = 1 = 1 + 1 = 2. y'=1+\frac1{x^{2}},\qquad y'\big|_{x=1}=1+1=2 . y ′ = 1 + x 2 1 , y ′ x = 1 = 1 + 1 = 2.
切线方程(点斜式):
y − 0 = 2 ( x − 1 ) ⟹ y = 2 x − 2. y-0=2(x-1)\quad\Longrightarrow\quad y=2x-2 . y − 0 = 2 ( x − 1 ) ⟹ y = 2 x − 2.
(2) 先验点在曲线上:x = 1 2 x=\dfrac12 x = 2 1 时 e 2 × 1 2 − 1 = e 0 = 1 \mathrm{e}^{2\times\frac12-1}=\mathrm{e}^{0}=1 e 2 × 2 1 − 1 = e 0 = 1 ,
x 2 = 1 4 x^{2}=\dfrac14 x 2 = 4 1 ,故 y = 1 1 / 4 = 4 y=\dfrac{1}{1/4}=4 y = 1/4 1 = 4 ✓。定义域 x ≠ 0 x\neq0 x = 0 。
用商的法则,分子再复合一次:
y ′ = 2 e 2 x − 1 ⋅ x 2 − e 2 x − 1 ⋅ 2 x x 4 = 2 x e 2 x − 1 ( x − 1 ) x 4 = 2 e 2 x − 1 ( x − 1 ) x 3 . y'=\frac{2\mathrm{e}^{2x-1}\cdot x^{2}-\mathrm{e}^{2x-1}\cdot2x}{x^{4}}
=\frac{2x\mathrm{e}^{2x-1}(x-1)}{x^{4}}=\frac{2\mathrm{e}^{2x-1}(x-1)}{x^{3}} . y ′ = x 4 2 e 2 x − 1 ⋅ x 2 − e 2 x − 1 ⋅ 2 x = x 4 2 x e 2 x − 1 ( x − 1 ) = x 3 2 e 2 x − 1 ( x − 1 ) .
代入 x = 1 2 x=\dfrac12 x = 2 1 :分子 2 × 1 × ( 1 2 − 1 ) = − 1 2\times1\times\left(\dfrac12-1\right)=-1 2 × 1 × ( 2 1 − 1 ) = − 1 ,分母 ( 1 2 ) 3 = 1 8 \left(\dfrac12\right)^{3}=\dfrac18 ( 2 1 ) 3 = 8 1 ,
y ′ ∣ x = 1 2 = − 1 1 / 8 = − 8. y'\Big|_{x=\frac12}=\frac{-1}{1/8}=-8 . y ′ x = 2 1 = 1/8 − 1 = − 8.
切线方程:
y − 4 = − 8 ( x − 1 2 ) ⟹ y = − 8 x + 8. y-4=-8\left(x-\frac12\right)\quad\Longrightarrow\quad y=-8x+8 . y − 4 = − 8 ( x − 2 1 ) ⟹ y = − 8 x + 8.
自检。 (2) 的切线在 x = 1 2 x=\dfrac12 x = 2 1 处的值 − 8 × 1 2 + 8 = 4 -8\times\dfrac12+8=4 − 8 × 2 1 + 8 = 4 ,与切点纵坐标一致;
斜率为负也合理——x = 1 2 x=\dfrac12 x = 2 1 时 x − 1 < 0 x-1<0 x − 1 < 0 ,导数的符号由 ( x − 1 ) (x-1) ( x − 1 ) 决定。
求切线的三步 :验切点在不在曲线上 → 求导代值得斜率 → 点斜式 。第一步最容易省,
但题目给的点未必在曲线上(那时就变成”过某点作切线”,是另一类题)。
复习参考题 5 第 5 题
一个距地心距离为 r r r ,质量为 m m m 的人造卫星,与地球之间的万有引力 F F F 由公式 F = G M m r 2 F = \frac{GMm}{r^2} F = r 2 GM m 给出,其中 M M M 为地球质量,G G G 为引力常量。求 F F F 对于 r r r 的瞬时变化率。
把 F F F 看成 r r r 的函数 ,其中 G , M , m G,M,m G , M , m 都是常数:
F ( r ) = G M m ⋅ r − 2 , r > 0. F(r)=GMm\cdot r^{-2},\qquad r>0 . F ( r ) = GM m ⋅ r − 2 , r > 0.
由幂函数求导公式 ( r n ) ′ = n r n − 1 (r^{n})'=nr^{n-1} ( r n ) ′ = n r n − 1 :
F ′ ( r ) = G M m ⋅ ( − 2 ) r − 3 = − 2 G M m r 3 . F'(r)=GMm\cdot(-2)r^{-3}=-\frac{2GMm}{r^{3}} . F ′ ( r ) = GM m ⋅ ( − 2 ) r − 3 = − r 3 2 GM m .
答 :F F F 对 r r r 的瞬时变化率是 − 2 G M m r 3 -\dfrac{2GMm}{r^{3}} − r 3 2 GM m 。
读一读这个结果的物理含义。 它是负数 ,说明卫星离地心越远、引力越小;
而且它的绝对值 2 G M m r 3 \dfrac{2GMm}{r^{3}} r 3 2 GM m 随 r r r 增大而迅速变小 (按 r 3 r^{3} r 3 衰减),
即在近地处稍微升高一点,引力就掉得很快;到了高轨道,再升高一点引力几乎不再变化。
这道题的动作 :先分清谁是自变量 。式子里有 G , M , m , r G,M,m,r G , M , m , r 四个字母,题目问的是「F F F 对于 r r r 的
变化率」,于是只有 r r r 是变量,其余三个都并进常数因子。含参式子求导,第一句话永远是「对谁求导」。
复习参考题 5 第 6 题
一杯 80 ∘ 80^{\circ} 8 0 ∘ C 的热红茶置于 20 ∘ 20^{\circ} 2 0 ∘ C 的房间里,它的温度会逐渐下降,温度 T ( 单位: ∘ C ) T(\text{单位: }^{\circ}\text{C}) T ( 单位 : ∘ C ) 与时间 t(单位:min)之间的关系由函数 T = f ( t ) T = f(t) T = f ( t ) 给出.
(1) 判断 f ′ ( t ) f'(t) f ′ ( t ) 的正负,并说明理由.
(2) f ′ ( 3 ) = − 4 f^{\prime}(3) = -4 f ′ ( 3 ) = − 4 的实际意义是什么?如果 f ( 3 ) = 65 ∘ C f(3) = 65^{\circ}\mathrm{C} f ( 3 ) = 6 5 ∘ C ,你能画出函数 f ( t ) f(t) f ( t ) 在 t = 3 t = 3 t = 3 时图象的大致形状吗?
(1) f ′ ( t ) < 0 f'(t)<0 f ′ ( t ) < 0 。
理由:f ′ ( t ) f'(t) f ′ ( t ) 是温度对时间的瞬时变化率。红茶温度 80 ∘ C 80^{\circ}\mathrm{C} 8 0 ∘ C 高于室温 20 ∘ C 20^{\circ}\mathrm{C} 2 0 ∘ C ,
热量持续从茶传向房间,所以茶温单调下降 ,即 T = f ( t ) T=f(t) T = f ( t ) 是减函数;
减函数的导数非正,而降温始终在进行(只要茶温还高于室温就不会停),故 f ′ ( t ) < 0 f'(t)<0 f ′ ( t ) < 0 。
(2) 实际意义 :f ′ ( 3 ) = − 4 f'(3)=-4 f ′ ( 3 ) = − 4 表示的是在 t = 3 m i n t=3\ \mathrm{min} t = 3 min 这一时刻茶温正以每分钟 4 ∘ C 4^{\circ}\mathrm{C} 4 ∘ C 的速度下降 。
注意这是瞬时 速度,不是”第 3 分钟内降了 4 ∘ C 4^{\circ}\mathrm{C} 4 ∘ C ”——
在 t = 3 t=3 t = 3 附近很短的一段时间 Δ t \Delta t Δ t 内,温度变化约为 − 4 Δ t -4\Delta t − 4Δ t 。
图象在 t = 3 t=3 t = 3 附近的大致形状 :
图象经过点 ( 3 , 65 ) (3,\ 65) ( 3 , 65 ) ;
该点处的切线斜率是 − 4 -4 − 4 ,切线方程为 T − 65 = − 4 ( t − 3 ) T-65=-4(t-3) T − 65 = − 4 ( t − 3 ) ,即 T = − 4 t + 77 T=-4t+77 T = − 4 t + 77 ;
曲线在这一点附近是下降 的(f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ),且下降得越来越慢 :茶越凉,与室温的温差越小,
散热越慢,所以 ∣ f ′ ( t ) ∣ |f'(t)| ∣ f ′ ( t ) ∣ 随时间减小。因此曲线在切点附近位于切线上方 ,形状向下弯得平缓
(凹向上);
放到整段来看:图象从 ( 0 , 80 ) (0,80) ( 0 , 80 ) 出发单调下降,先陡后缓,长时间后无限接近水平线 T = 20 T=20 T = 20
(室温),但不会低于它。
这道题的动作 :把导数的三种语言对上号——符号 ↔ \leftrightarrow ↔ 升降 、
绝对值大小 ↔ \leftrightarrow ↔ 快慢 、导数值 ↔ \leftrightarrow ↔ 切线斜率 。
第 (2) 问要求的”大致形状”,答的就是”过哪个点、斜率多少、往哪弯”这三件事。
复习参考题 5 第 7 题
求函数 f ( x ) = x 2 3 f(x) = \sqrt[3]{x^2} f ( x ) = 3 x 2 的单调区间.
定义域。 f ( x ) = x 2 3 = x 2 3 f(x)=\sqrt[3]{x^{2}}=x^{\frac23} f ( x ) = 3 x 2 = x 3 2 ,立方根对任何实数都有定义,故定义域为 R \mathbf{R} R 。
求导。 当 x ≠ 0 x\neq0 x = 0 时
f ′ ( x ) = 2 3 x − 1 3 = 2 3 x 3 . f'(x)=\frac23x^{-\frac13}=\frac{2}{3\sqrt[3]{x}} . f ′ ( x ) = 3 2 x − 3 1 = 3 3 x 2 .
在 x = 0 x=0 x = 0 处这个式子无意义(分母为零),即 f f f 在 x = 0 x=0 x = 0 处不可导 ;但 f f f 在 x = 0 x=0 x = 0 处连续
(f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ),所以 x = 0 x=0 x = 0 仍可以作为单调区间的端点。
判号。 x 3 \sqrt[3]{x} 3 x 与 x x x 同号:
区间 ( − ∞ , 0 ) (-\infty,\ 0) ( − ∞ , 0 ) ( 0 , + ∞ ) (0,\ +\infty) ( 0 , + ∞ ) x 3 \sqrt[3]{x} 3 x − - − + + + f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 单调递减 单调递增
答 :单调递减区间是 ( − ∞ , 0 ) (-\infty,0) ( − ∞ , 0 ) ,单调递增区间是 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) 。
自检。 f ( x ) = x 2 3 = ( ∣ x ∣ 3 ) 2 ⩾ 0 f(x)=\sqrt[3]{x^{2}}=\left(\sqrt[3]{|x|}\right)^{2}\geqslant0 f ( x ) = 3 x 2 = ( 3 ∣ x ∣ ) 2 ⩾ 0 ,且 f ( − x ) = f ( x ) f(-x)=f(x) f ( − x ) = f ( x ) ,
是偶函数,最小值 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ;取 f ( − 8 ) = 64 3 = 4 f(-8)=\sqrt[3]{64}=4 f ( − 8 ) = 3 64 = 4 、f ( − 1 ) = 1 f(-1)=1 f ( − 1 ) = 1 、f ( 1 ) = 1 f(1)=1 f ( 1 ) = 1 、f ( 8 ) = 4 f(8)=4 f ( 8 ) = 4 ,
确实左降右升,相符。
这道题的动作 :导数不存在的点也可能是单调性的分界点 。本节列表判号时,
切分点取的是「f ′ f' f ′ 的零点 ∪ \cup ∪ f ′ f' f ′ 不存在的点 ∪ \cup ∪ 定义域的断点」三者之并——
本题正是第二类,图象在原点处有一个尖点 (左右切线都竖直,方向相反),不是光滑的谷底。
复习参考题 5 第 8 题
已知函数 f ( x ) = x 2 + p x + q f(x) = x^{2} + px + q f ( x ) = x 2 + p x + q ,试确定 p , q p, q p , q 的值,使得当 x = 1 x = 1 x = 1 时,f ( x ) f(x) f ( x ) 有最小值 4.
用两个条件列两个方程。
条件一(x = 1 x=1 x = 1 是极值点) :f ′ ( x ) = 2 x + p f'(x)=2x+p f ′ ( x ) = 2 x + p ,故
f ′ ( 1 ) = 2 + p = 0 ⟹ p = − 2. f'(1)=2+p=0\quad\Longrightarrow\quad p=-2 . f ′ ( 1 ) = 2 + p = 0 ⟹ p = − 2.
条件二(最小值是 4 4 4 ) :
f ( 1 ) = 1 + p + q = 4. f(1)=1+p+q=4 . f ( 1 ) = 1 + p + q = 4.
把 p = − 2 p=-2 p = − 2 代入得 1 − 2 + q = 4 1-2+q=4 1 − 2 + q = 4 ,即 q = 5 q=5 q = 5 。
回代验证(这一步必须做,因为 f ′ ( x 0 ) = 0 f'(x_{0})=0 f ′ ( x 0 ) = 0 只是必要条件) :
f ( x ) = x 2 − 2 x + 5 = ( x − 1 ) 2 + 4. f(x)=x^{2}-2x+5=(x-1)^{2}+4 . f ( x ) = x 2 − 2 x + 5 = ( x − 1 ) 2 + 4.
二次项系数 1 > 0 1>0 1 > 0 ,抛物线开口向上,f ′ ( x ) = 2 ( x − 1 ) f'(x)=2(x-1) f ′ ( x ) = 2 ( x − 1 ) 在 x < 1 x<1 x < 1 时为负、x > 1 x>1 x > 1 时为正,
故 x = 1 x=1 x = 1 确为极小值点,且因函数在 R \mathbf{R} R 上只有这一个极值点,它就是最小值点 ,
最小值 f ( 1 ) = 4 f(1)=4 f ( 1 ) = 4 ✓。
答 :p = − 2 p=-2 p = − 2 ,q = 5 q=5 q = 5 。
这道题的动作 :“在某点取最值”给的是两个条件 ——导数为零(定位置)与函数值(定高度),
正好解出两个待定系数。解完一定要回代验 :若二次项系数为负,同样的方程组解出来的会是最大值。
复习参考题 5 第 9 题
已知函数 f ( x ) = x ( x − c ) 2 f(x) = x(x - c)^2 f ( x ) = x ( x − c ) 2 在 x = 2 x = 2 x = 2 处有极大值,求 c c c 的值.
求导并分解。 用乘积法则:
f ′ ( x ) = ( x − c ) 2 + x ⋅ 2 ( x − c ) = ( x − c ) [ ( x − c ) + 2 x ] = ( x − c ) ( 3 x − c ) . f'(x)=(x-c)^{2}+x\cdot2(x-c)=(x-c)\big[(x-c)+2x\big]=(x-c)(3x-c) . f ′ ( x ) = ( x − c ) 2 + x ⋅ 2 ( x − c ) = ( x − c ) [ ( x − c ) + 2 x ] = ( x − c ) ( 3 x − c ) .
必要条件定出候选值。 x = 2 x=2 x = 2 是极值点 ⟹ f ′ ( 2 ) = 0 f'(2)=0 f ′ ( 2 ) = 0 :
( 2 − c ) ( 6 − c ) = 0 ⟹ c = 2 或 c = 6. (2-c)(6-c)=0\quad\Longrightarrow\quad c=2\ \text{或}\ c=6 . ( 2 − c ) ( 6 − c ) = 0 ⟹ c = 2 或 c = 6.
逐个验”是不是极大” (这一步不能省——必要条件筛出的是候选,不是答案):
若 c = 2 c=2 c = 2 : f ′ ( x ) = ( x − 2 ) ( 3 x − 2 ) f'(x)=(x-2)(3x-2) f ′ ( x ) = ( x − 2 ) ( 3 x − 2 ) ,零点 x = 2 3 x=\dfrac23 x = 3 2 与 x = 2 x=2 x = 2 ,开口向上,故 f ′ f' f ′ 在
( 2 3 , 2 ) \left(\dfrac23,2\right) ( 3 2 , 2 ) 上为负、在 x > 2 x>2 x > 2 时为正。x = 2 x=2 x = 2 处 f ′ f' f ′ 由负变正 ,
是极小值点 ,不合题意,舍去 。
若 c = 6 c=6 c = 6 : f ′ ( x ) = ( x − 6 ) ( 3 x − 6 ) = 3 ( x − 6 ) ( x − 2 ) f'(x)=(x-6)(3x-6)=3(x-6)(x-2) f ′ ( x ) = ( x − 6 ) ( 3 x − 6 ) = 3 ( x − 6 ) ( x − 2 ) ,零点 x = 2 x=2 x = 2 与 x = 6 x=6 x = 6 ,开口向上,故:
区间 ( − ∞ , 2 ) (-\infty,\ 2) ( − ∞ , 2 ) ( 2 , 6 ) (2,\ 6) ( 2 , 6 ) ( 6 , + ∞ ) (6,\ +\infty) ( 6 , + ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) + + + − - − + + + f ( x ) f(x) f ( x ) 递增 递减 递增
x = 2 x=2 x = 2 处 f ′ f' f ′ 由正变负 ,是极大值点 ✓,符合题意。
答 :c = 6 c=6 c = 6 。(此时极大值 f ( 2 ) = 2 × ( 2 − 6 ) 2 = 32 f(2)=2\times(2-6)^{2}=32 f ( 2 ) = 2 × ( 2 − 6 ) 2 = 32 。)
这道题的动作 :f ′ ( x 0 ) = 0 f'(x_{0})=0 f ′ ( x 0 ) = 0 解出的每一个值都要回去验变号 。本题两个候选值一个是极大、
一个是极小,只写”f ′ ( 2 ) = 0 f'(2)=0 f ′ ( 2 ) = 0 得 c = 2 c=2 c = 2 或 6 6 6 “就交卷,一半的答案是错的。
复习参考题 5 第 10 题
如图,过点 P ( 1 , 1 ) P(1, 1) P ( 1 , 1 ) 作直线 A B AB A B ,分别与 x x x 轴的正半轴、y y y 轴的正半轴交于点 A , B A, B A , B 。当直线 A B AB A B 在什么位置时,△ A O B \triangle AOB △ A O B 的面积最小?最小面积是多少?
设截距。 设 A ( a , 0 ) A(a,0) A ( a , 0 ) 、B ( 0 , b ) B(0,b) B ( 0 , b ) ,由题设 a > 0 a>0 a > 0 、b > 0 b>0 b > 0 ,直线 A B AB A B 的截距式为
x a + y b = 1. \frac{x}{a}+\frac{y}{b}=1 . a x + b y = 1.
用”过 P P P “把两个未知量并成一个。 把 P ( 1 , 1 ) P(1,1) P ( 1 , 1 ) 代入:
1 a + 1 b = 1. \frac1a+\frac1b=1 . a 1 + b 1 = 1.
解出 b b b :1 b = 1 − 1 a = a − 1 a \dfrac1b=1-\dfrac1a=\dfrac{a-1}{a} b 1 = 1 − a 1 = a a − 1 ,故
b = a a − 1 . b=\frac{a}{a-1} . b = a − 1 a .
定义域。 要 b > 0 b>0 b > 0 须 a − 1 > 0 a-1>0 a − 1 > 0 ,即 a > 1 a>1 a > 1 。(这正是几何上的要求:P P P 在第一象限内部,
截距必须都大于 P P P 的对应坐标。)
面积函数。
S ( a ) = 1 2 a b = 1 2 ⋅ a ⋅ a a − 1 = a 2 2 ( a − 1 ) , a > 1. S(a)=\frac12ab=\frac12\cdot a\cdot\frac{a}{a-1}=\frac{a^{2}}{2(a-1)},\qquad a>1 . S ( a ) = 2 1 ab = 2 1 ⋅ a ⋅ a − 1 a = 2 ( a − 1 ) a 2 , a > 1.
求导。
S ′ ( a ) = 2 a ⋅ 2 ( a − 1 ) − a 2 ⋅ 2 4 ( a − 1 ) 2 = 4 a 2 − 4 a − 2 a 2 4 ( a − 1 ) 2 = 2 a 2 − 4 a 4 ( a − 1 ) 2 = a ( a − 2 ) 2 ( a − 1 ) 2 . S'(a)=\frac{2a\cdot2(a-1)-a^{2}\cdot2}{4(a-1)^{2}}
=\frac{4a^{2}-4a-2a^{2}}{4(a-1)^{2}}
=\frac{2a^{2}-4a}{4(a-1)^{2}}=\frac{a(a-2)}{2(a-1)^{2}} . S ′ ( a ) = 4 ( a − 1 ) 2 2 a ⋅ 2 ( a − 1 ) − a 2 ⋅ 2 = 4 ( a − 1 ) 2 4 a 2 − 4 a − 2 a 2 = 4 ( a − 1 ) 2 2 a 2 − 4 a = 2 ( a − 1 ) 2 a ( a − 2 ) .
在 a > 1 a>1 a > 1 上分母为正、a > 0 a>0 a > 0 ,故 S ′ S' S ′ 的符号只由 a − 2 a-2 a − 2 决定:
区间 ( 1 , 2 ) (1,\ 2) ( 1 , 2 ) ( 2 , + ∞ ) (2,\ +\infty) ( 2 , + ∞ ) S ′ ( a ) S'(a) S ′ ( a ) − - − + + + S ( a ) S(a) S ( a ) 单调递减 单调递增
a = 2 a=2 a = 2 是唯一极小值点 ,因而是最小值点。此时
b = 2 2 − 1 = 2 , S min = 2 2 2 ( 2 − 1 ) = 2. b=\frac{2}{2-1}=2,\qquad S_{\min}=\frac{2^{2}}{2(2-1)}=2 . b = 2 − 1 2 = 2 , S m i n = 2 ( 2 − 1 ) 2 2 = 2.
答 :当 A ( 2 , 0 ) A(2,0) A ( 2 , 0 ) 、B ( 0 , 2 ) B(0,2) B ( 0 , 2 ) ,即直线 A B AB A B 的方程为 x 2 + y 2 = 1 \dfrac x2+\dfrac y2=1 2 x + 2 y = 1 (也就是 x + y = 2 x+y=2 x + y = 2 ,
斜率 − 1 -1 − 1 )时,△ A O B \triangle AOB △ A O B 的面积最小,最小面积为 2 2 2 。
自检(另一条路)。 由 1 a + 1 b = 1 \dfrac1a+\dfrac1b=1 a 1 + b 1 = 1 与基本不等式,
1 = 1 a + 1 b ⩾ 2 a b 1=\dfrac1a+\dfrac1b\geqslant\dfrac{2}{\sqrt{ab}} 1 = a 1 + b 1 ⩾ ab 2 ,得 a b ⩾ 2 \sqrt{ab}\geqslant2 ab ⩾ 2 ,a b ⩾ 4 ab\geqslant4 ab ⩾ 4 ,
故 S = a b 2 ⩾ 2 S=\dfrac{ab}{2}\geqslant2 S = 2 ab ⩾ 2 ,等号当且仅当 a = b = 2 a=b=2 a = b = 2 ,与导数结论一致。
这道题的动作 :约束条件(过定点)用来消元,目标(面积)用来求导。
定义域 a > 1 a>1 a > 1 是从 b > 0 b>0 b > 0 逼出来的,不写它,a = 0 a=0 a = 0 这个 S ′ S' S ′ 的另一个零点就会混进来。
复习参考题 5 第 11 题
如图,直线 l l l 和圆 P P P ,当 l l l 从 l 0 l_0 l 0 开始在平面上按逆时针方向绕点 O O O 匀速转动(转动角度不超过 90 ∘ 90^{\circ} 9 0 ∘ )时,它扫过的圆内阴影部分的面积 S S S 是时间 t t t 的函数. 这个函数的图象大致是( ).
(A)
(B)
这类题不需要求出 S ( t ) S(t) S ( t ) 的解析式,只需判断 S ′ ( t ) S'(t) S ′ ( t ) 的变化趋势。
先看图上的几何关系。 直线 l 0 l_{0} l 0 过 O O O 且与圆 P P P 相切 (图上圆恰好压在 l 0 l_{0} l 0 上),
l l l 绕 O O O 匀速逆时针转动,扫过的阴影是圆内被 l 0 l_{0} l 0 与 l l l 夹住的那部分。
S S S 的增长快慢由什么决定? 设转角 θ = ω t \theta=\omega t θ = ω t (ω \omega ω 是常数角速度)。
转角再增加一点点 Δ θ \Delta\theta Δ θ 时,新扫过的是一片以 O O O 为顶点的”细扇形”,
它落在圆内的那一段有多长,决定了这一瞬扫进来的面积有多大 。也就是说,
S ′ ( t ) ∝ ( 直线 l 被圆截得的弦所处的位置与长度 ) . S'(t)\ \propto\ (\text{直线 }l\ \text{被圆截得的弦所处的位置与长度}) . S ′ ( t ) ∝ ( 直线 l 被圆截得的弦所处的位置与长度 ) .
于是可以逐段判断:
刚开始 (l l l 接近 l 0 l_{0} l 0 ):l l l 与圆几乎相切,截出的弦很短 ,S ′ S' S ′ 接近 0 0 0 ⟹ 曲线起步平缓 ;
中途 (l l l 扫过圆心 P P P 附近):截出的弦最长(过圆心时是直径),S ′ S' S ′ 达到最大 ⟹ 曲线最陡 ;
最后 (l l l 转到圆的另一侧、又接近相切):弦重新变短,S ′ S' S ′ 回落到 0 0 0 ⟹ 曲线重新变平 ,
并稳定在圆的总面积那个高度。
所以 S ( t ) S(t) S ( t ) 的图象是一条慢 → 快 → 慢的 S 形递增曲线 ,两端平缓、中间陡峭,且上方有水平的封顶
(扫完整个圆之后不再增加)。
逐个选项排除:
选项 图象特征 对应的 S ′ S' S ′ 判断 (A) 直线段 S ′ S' S ′ 恒为常数与”两端慢中间快”矛盾,排除 (B) 一路变陡的上凸曲线 S ′ S' S ′ 单调递增,末端最大末端应变平,排除 (C) 快 → 慢 → 快 S ′ S' S ′ 先减后增与实际恰好相反 ,排除 (D) 慢 → 快 → 慢,末端趋平 S ′ S' S ′ 先增后减,两端为零符合
答:选 (D)。
这道题的动作 :函数图象题不必求解析式,判 S ′ S' S ′ 的单调性就够。
把「面积增长的快慢」翻译成「扫过的那条弦有多长」,是本题唯一的一步实质推理;
剩下的是把”慢-快-慢”这个节奏与四张图对号。
复习参考题 5 第 12 题
当室内的有毒细菌开始增加时,就要使用杀菌剂。刚开始使用的时候,细菌数量还会继续增加,随着时间的增加,它增加的幅度逐渐变小,到一定时间,细菌数量开始减少。已知使用杀菌剂 t h t \mathrm{~h} t h 后的细菌数量为 b ( t ) = 10 5 + 10 4 t − 10 3 t 2 b(t) = 10^{5} + 10^{4} t - 10^{3} t^{2} b ( t ) = 1 0 5 + 1 0 4 t − 1 0 3 t 2 。(1)求细菌数量在 t = 5 t = 5 t = 5 与 t = 10 t = 10 t = 10 时的瞬时变化率。(2)细菌数量在哪段时间增加,在哪段时间减少?为什么?
求导。 瞬时变化率就是 b ′ ( t ) b'(t) b ′ ( t ) :
b ′ ( t ) = 10 4 − 2 × 10 3 t . b'(t)=10^{4}-2\times10^{3}t . b ′ ( t ) = 1 0 4 − 2 × 1 0 3 t .
(1) 代入两个时刻:
b ′ ( 5 ) = 10 4 − 2 × 10 3 × 5 = 10 4 − 10 4 = 0 , b'(5)=10^{4}-2\times10^{3}\times5=10^{4}-10^{4}=0 , b ′ ( 5 ) = 1 0 4 − 2 × 1 0 3 × 5 = 1 0 4 − 1 0 4 = 0 ,
b ′ ( 10 ) = 10 4 − 2 × 10 3 × 10 = 10 4 − 2 × 10 4 = − 10 4 . b'(10)=10^{4}-2\times10^{3}\times10=10^{4}-2\times10^{4}=-10^{4} . b ′ ( 10 ) = 1 0 4 − 2 × 1 0 3 × 10 = 1 0 4 − 2 × 1 0 4 = − 1 0 4 .
答 :t = 5 t=5 t = 5 时瞬时变化率为 0 0 0 (细菌数量此刻既不增也不减,正处在峰值);
t = 10 t=10 t = 10 时瞬时变化率为 − 10 4 -10^{4} − 1 0 4 ,即每小时减少约 10 000 10\,000 10 000 个。
(2) 先明确定义域:t ⩾ 0 t\geqslant0 t ⩾ 0 ;又细菌数量非负,b ( t ) ⩾ 0 b(t)\geqslant0 b ( t ) ⩾ 0 即
10 3 ( 100 + 10 t − t 2 ) ⩾ 0 ⟺ t 2 − 10 t − 100 ⩽ 0 ⟺ 0 ⩽ t ⩽ 5 + 5 5 ≈ 16.2 , 10^{3}\left(100+10t-t^{2}\right)\geqslant0\ \Longleftrightarrow\ t^{2}-10t-100\leqslant0
\ \Longleftrightarrow\ 0\leqslant t\leqslant5+5\sqrt5\approx16.2 , 1 0 3 ( 100 + 10 t − t 2 ) ⩾ 0 ⟺ t 2 − 10 t − 100 ⩽ 0 ⟺ 0 ⩽ t ⩽ 5 + 5 5 ≈ 16.2 ,
模型在 t ≈ 16.2 h t\approx16.2\ \mathrm{h} t ≈ 16.2 h 之后就没有实际意义了。
再判 b ′ b' b ′ 的符号:b ′ ( t ) = 10 3 ( 10 − 2 t ) b'(t)=10^{3}(10-2t) b ′ ( t ) = 1 0 3 ( 10 − 2 t ) ,故
区间 [ 0 , 5 ) [0,\ 5) [ 0 , 5 ) ( 5 , 5 + 5 5 ] (5,\ 5+5\sqrt5] ( 5 , 5 + 5 5 ] b ′ ( t ) b'(t) b ′ ( t ) + + + − - − b ( t ) b(t) b ( t ) 单调递增 单调递减
答 :在 0 ⩽ t < 5 0\leqslant t<5 0 ⩽ t < 5 (前 5 小时)细菌数量增加,在 t > 5 t>5 t > 5 之后减少。
理由就是导数的符号:t < 5 t<5 t < 5 时 b ′ ( t ) > 0 b'(t)>0 b ′ ( t ) > 0 ,t > 5 t>5 t > 5 时 b ′ ( t ) < 0 b'(t)<0 b ′ ( t ) < 0 ;t = 5 t=5 t = 5 是转折点,
此时细菌数量达到最大值
b ( 5 ) = 10 5 + 5 × 10 4 − 25 × 10 3 = 100 000 + 50 000 − 25 000 = 125 000. b(5)=10^{5}+5\times10^{4}-25\times10^{3}=100\,000+50\,000-25\,000=125\,000 . b ( 5 ) = 1 0 5 + 5 × 1 0 4 − 25 × 1 0 3 = 100 000 + 50 000 − 25 000 = 125 000.
与题目描述对照(自检) :题面说”刚开始细菌还会继续增加,增加的幅度逐渐变小,到一定时间开始减少”。
模型完全吻合——b ′ b' b ′ 是一条递减 的直线:起初 b ′ ( 0 ) = 10 4 > 0 b'(0)=10^{4}>0 b ′ ( 0 ) = 1 0 4 > 0 (在增加),
b ′ b' b ′ 一路变小(增加的幅度变小),在 t = 5 t=5 t = 5 处穿过零(开始减少)。
复习参考题 5 第 13 题
已知曲线 y = x + ln x y = x + \ln x y = x + ln x 在点(1,1)处的切线与曲线 y = a x 2 + ( 2 a + 3 ) x + 1 y = ax^2 + (2a + 3)x + 1 y = a x 2 + ( 2 a + 3 ) x + 1 只有一个公共点,求 a a a 的值.
第一步:求切线。 曲线 y = x + ln x y=x+\ln x y = x + ln x 的定义域是 x > 0 x>0 x > 0 ;验切点:x = 1 x=1 x = 1 时 y = 1 + ln 1 = 1 y=1+\ln1=1 y = 1 + ln 1 = 1 ✓。
y ′ = 1 + 1 x , y ′ ∣ x = 1 = 1 + 1 = 2. y'=1+\frac1x,\qquad y'\big|_{x=1}=1+1=2 . y ′ = 1 + x 1 , y ′ x = 1 = 1 + 1 = 2.
切线方程为 y − 1 = 2 ( x − 1 ) y-1=2(x-1) y − 1 = 2 ( x − 1 ) ,即
y = 2 x − 1. y=2x-1 . y = 2 x − 1.
第二步:联立。 与 y = a x 2 + ( 2 a + 3 ) x + 1 y=ax^{2}+(2a+3)x+1 y = a x 2 + ( 2 a + 3 ) x + 1 联立消去 y y y :
2 x − 1 = a x 2 + ( 2 a + 3 ) x + 1 , 2x-1=ax^{2}+(2a+3)x+1 , 2 x − 1 = a x 2 + ( 2 a + 3 ) x + 1 ,
a x 2 + ( 2 a + 3 − 2 ) x + 2 = 0 , 即 a x 2 + ( 2 a + 1 ) x + 2 = 0. ( ∗ ) ax^{2}+(2a+3-2)x+2=0,\qquad\text{即}\qquad ax^{2}+(2a+1)x+2=0 . \tag{$*$} a x 2 + ( 2 a + 3 − 2 ) x + 2 = 0 , 即 a x 2 + ( 2 a + 1 ) x + 2 = 0. ( ∗ )
“只有一个公共点”就是方程 ( ∗ ) (*) ( ∗ ) 恰有一个实根。这里必须分 a = 0 a=0 a = 0 与 a ≠ 0 a\neq0 a = 0 两类 ——
( ∗ ) (*) ( ∗ ) 是不是二次方程,取决于 a a a 。
情形一:a = 0 a=0 a = 0 。 ( ∗ ) (*) ( ∗ ) 变成一次方程 x + 2 = 0 x+2=0 x + 2 = 0 ,唯一解 x = − 2 x=-2 x = − 2 ,公共点只有一个 ✓。
(此时第二条曲线是直线 y = 3 x + 1 y=3x+1 y = 3 x + 1 ,与切线 y = 2 x − 1 y=2x-1 y = 2 x − 1 斜率不同,必交于唯一点,几何上也对得上。)
情形二:a ≠ 0 a\neq0 a = 0 。 ( ∗ ) (*) ( ∗ ) 是二次方程,恰有一个实根 ⟺ Δ = 0 \iff\Delta=0 ⟺ Δ = 0 :
Δ = ( 2 a + 1 ) 2 − 4 ⋅ a ⋅ 2 = 4 a 2 + 4 a + 1 − 8 a = 4 a 2 − 4 a + 1 = ( 2 a − 1 ) 2 . \Delta=(2a+1)^{2}-4\cdot a\cdot2=4a^{2}+4a+1-8a=4a^{2}-4a+1=(2a-1)^{2} . Δ = ( 2 a + 1 ) 2 − 4 ⋅ a ⋅ 2 = 4 a 2 + 4 a + 1 − 8 a = 4 a 2 − 4 a + 1 = ( 2 a − 1 ) 2 .
令 ( 2 a − 1 ) 2 = 0 (2a-1)^{2}=0 ( 2 a − 1 ) 2 = 0 得 a = 1 2 a=\dfrac12 a = 2 1 ,满足 a ≠ 0 a\neq0 a = 0 ✓。
此时 ( ∗ ) (*) ( ∗ ) 为 1 2 x 2 + 2 x + 2 = 0 \dfrac12x^{2}+2x+2=0 2 1 x 2 + 2 x + 2 = 0 ,即 x 2 + 4 x + 4 = 0 x^{2}+4x+4=0 x 2 + 4 x + 4 = 0 ,重根 x = − 2 x=-2 x = − 2 ,公共点唯一 ✓。
答 :a = 0 a=0 a = 0 或 a = 1 2 a=\dfrac12 a = 2 1 。
这道题的动作 :“只有一个公共点”不等于”判别式为零”。 二次项系数含参时,
a = 0 a=0 a = 0 让方程降次成一次、照样只有一个解,是最容易漏掉的那一类。
本题的判别式恰好是完全平方 ( 2 a − 1 ) 2 (2a-1)^{2} ( 2 a − 1 ) 2 ,除 a = 1 2 a=\dfrac12 a = 2 1 外都 > 0 >0 > 0 ,
所以两类各贡献一个答案,缺一不可。
复习参考题 5 第 14 题
用总长 14.8 m 14.8 \mathrm{~m} 14.8 m 的钢条制作一个长方体容器的框架, 如果所制容器底面一边的长比另一边的长多 0.5 m 0.5 \mathrm{~m} 0.5 m , 那么高为多少时容器的容积最大? 最大容积是多少?
设未知量并用总长消元。 设底面较短的一边长为 x m x\ \mathrm{m} x m ,则较长的一边为 ( x + 0.5 ) m (x+0.5)\ \mathrm{m} ( x + 0.5 ) m ,
设高为 h m h\ \mathrm{m} h m 。长方体框架共 12 条棱 ,三个方向各 4 条:
4 [ x + ( x + 0.5 ) + h ] = 14.8 ⟹ 2 x + h = 3.2 ⟹ h = 3.2 − 2 x . 4\big[x+(x+0.5)+h\big]=14.8\quad\Longrightarrow\quad 2x+h=3.2\quad\Longrightarrow\quad h=3.2-2x . 4 [ x + ( x + 0.5 ) + h ] = 14.8 ⟹ 2 x + h = 3.2 ⟹ h = 3.2 − 2 x .
定义域。 须 x > 0 x>0 x > 0 且 h > 0 h>0 h > 0 ,即 3.2 − 2 x > 0 3.2-2x>0 3.2 − 2 x > 0 ,故
0 < x < 1.6. 0<x<1.6 . 0 < x < 1.6.
容积函数。
V ( x ) = x ( x + 0.5 ) ( 3.2 − 2 x ) = − 2 x 3 + 2.2 x 2 + 1.6 x , 0 < x < 1.6. V(x)=x(x+0.5)(3.2-2x)=-2x^{3}+2.2x^{2}+1.6x,\qquad 0<x<1.6 . V ( x ) = x ( x + 0.5 ) ( 3.2 − 2 x ) = − 2 x 3 + 2.2 x 2 + 1.6 x , 0 < x < 1.6.
(展开核对:x ( x + 0.5 ) = x 2 + 0.5 x x(x+0.5)=x^{2}+0.5x x ( x + 0.5 ) = x 2 + 0.5 x ;再乘 ( 3.2 − 2 x ) (3.2-2x) ( 3.2 − 2 x ) 得 3.2 x 2 − 2 x 3 + 1.6 x − x 2 = − 2 x 3 + 2.2 x 2 + 1.6 x 3.2x^{2}-2x^{3}+1.6x-x^{2}=-2x^{3}+2.2x^{2}+1.6x 3.2 x 2 − 2 x 3 + 1.6 x − x 2 = − 2 x 3 + 2.2 x 2 + 1.6 x ✓)
求导。
V ′ ( x ) = − 6 x 2 + 4.4 x + 1.6. V'(x)=-6x^{2}+4.4x+1.6 . V ′ ( x ) = − 6 x 2 + 4.4 x + 1.6.
令 V ′ ( x ) = 0 V'(x)=0 V ′ ( x ) = 0 ,即 6 x 2 − 4.4 x − 1.6 = 0 6x^{2}-4.4x-1.6=0 6 x 2 − 4.4 x − 1.6 = 0 ,两边乘 5 2 \dfrac52 2 5 化成整系数:
15 x 2 − 11 x − 4 = 0 ⟹ ( 15 x + 4 ) ( x − 1 ) = 0 , 15x^{2}-11x-4=0\quad\Longrightarrow\quad (15x+4)(x-1)=0 , 15 x 2 − 11 x − 4 = 0 ⟹ ( 15 x + 4 ) ( x − 1 ) = 0 ,
x = 1 或 x = − 4 15 ( 舍,不在定义域内 ) . x=1\quad\text{或}\quad x=-\frac{4}{15}\ (\text{舍,不在定义域内}) . x = 1 或 x = − 15 4 ( 舍,不在定义域内 ) .
判号。 V ′ V' V ′ 是开口向下的二次函数,两根为 − 4 15 -\dfrac4{15} − 15 4 与 1 1 1 ,故在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 上 V ′ > 0 V'>0 V ′ > 0 、
在 ( 1 , 1.6 ) (1,1.6) ( 1 , 1.6 ) 上 V ′ < 0 V'<0 V ′ < 0 。x = 1 x=1 x = 1 是唯一极大值点 ,因而是最大值点。
代回。
h = 3.2 − 2 × 1 = 1.2 ( m ) , V max = 1 × 1.5 × 1.2 = 1.8 ( m 3 ) . h=3.2-2\times1=1.2\ (\mathrm{m}),\qquad
V_{\max}=1\times1.5\times1.2=1.8\ (\mathrm{m}^{3}) . h = 3.2 − 2 × 1 = 1.2 ( m ) , V m a x = 1 × 1.5 × 1.2 = 1.8 ( m 3 ) .
答 :高为 1.2 m 1.2\ \mathrm{m} 1.2 m 时容积最大,最大容积是 1.8 m 3 1.8\ \mathrm{m}^{3} 1.8 m 3 。
自检。 核对钢条总长:4 × ( 1 + 1.5 + 1.2 ) = 4 × 3.7 = 14.8 m 4\times(1+1.5+1.2)=4\times3.7=14.8\ \mathrm{m} 4 × ( 1 + 1.5 + 1.2 ) = 4 × 3.7 = 14.8 m ✓。
再试两个邻近值:x = 0.9 x=0.9 x = 0.9 时 h = 1.4 h=1.4 h = 1.4 ,V = 0.9 × 1.4 × 1.4 = 1.764 < 1.8 V=0.9\times1.4\times1.4=1.764<1.8 V = 0.9 × 1.4 × 1.4 = 1.764 < 1.8 ;
x = 1.1 x=1.1 x = 1.1 时 h = 1.0 h=1.0 h = 1.0 ,V = 1.1 × 1.6 × 1.0 = 1.76 < 1.8 V=1.1\times1.6\times1.0=1.76<1.8 V = 1.1 × 1.6 × 1.0 = 1.76 < 1.8 ,最大点确在 x = 1 x=1 x = 1 。
注意题目问的是”高”,答案要答 h = 1.2 m h=1.2\ \mathrm{m} h = 1.2 m ,不是 x = 1 x=1 x = 1 。 设的量与问的量不一致时,
最后必须换回去——这是实际问题最常见的丢分处。
复习参考题 5 第 15 题
用半径为 R R R 的圆形铁皮剪出一个圆心角为 α \alpha α 的扇形,制成一个圆锥形容器。扇形的圆心角 α \alpha α 为多大时,容器的容积最大?
先把扇形与圆锥的关系写清楚。 剪出的扇形半径是 R R R 、圆心角是 α \alpha α (弧度制),
卷成圆锥后:
扇形的弧长 = 圆锥底面圆的周长 :设底面半径为 r r r ,则 α R = 2 π r \alpha R=2\pi r α R = 2 π r ,故 r = α R 2 π r=\dfrac{\alpha R}{2\pi} r = 2 π α R ;
扇形的半径 = 圆锥的母线长 :母线为 R R R ,于是由勾股定理,圆锥的高
h = R 2 − r 2 . h=\sqrt{R^{2}-r^{2}} . h = R 2 − r 2 .
定义域。 须 0 < r < R 0<r<R 0 < r < R (r = R r=R r = R 时高为零,卷不成锥),对应 0 < α < 2 π 0<\alpha<2\pi 0 < α < 2 π 。
容积函数(先以 r r r 为变量,最后再换回 α \alpha α )。
V ( r ) = 1 3 π r 2 h = 1 3 π r 2 R 2 − r 2 , 0 < r < R . V(r)=\frac13\pi r^{2}h=\frac13\pi r^{2}\sqrt{R^{2}-r^{2}},\qquad 0<r<R . V ( r ) = 3 1 π r 2 h = 3 1 π r 2 R 2 − r 2 , 0 < r < R .
技巧:对 V 2 V^{2} V 2 求最值。 V > 0 V>0 V > 0 ,且 t ↦ t 2 t\mapsto t^{2} t ↦ t 2 在 t > 0 t>0 t > 0 上递增,
所以 V V V 与 V 2 V^{2} V 2 在同一点取到最大值。令
W ( r ) = V 2 = π 2 9 r 4 ( R 2 − r 2 ) = π 2 9 ( R 2 r 4 − r 6 ) . W(r)=V^{2}=\frac{\pi^{2}}{9}r^{4}\left(R^{2}-r^{2}\right)=\frac{\pi^{2}}{9}\left(R^{2}r^{4}-r^{6}\right) . W ( r ) = V 2 = 9 π 2 r 4 ( R 2 − r 2 ) = 9 π 2 ( R 2 r 4 − r 6 ) .
这样就避开了根号。求导:
W ′ ( r ) = π 2 9 ( 4 R 2 r 3 − 6 r 5 ) = π 2 9 r 3 ( 4 R 2 − 6 r 2 ) . W'(r)=\frac{\pi^{2}}{9}\left(4R^{2}r^{3}-6r^{5}\right)=\frac{\pi^{2}}{9}\,r^{3}\left(4R^{2}-6r^{2}\right) . W ′ ( r ) = 9 π 2 ( 4 R 2 r 3 − 6 r 5 ) = 9 π 2 r 3 ( 4 R 2 − 6 r 2 ) .
在 ( 0 , R ) (0,R) ( 0 , R ) 上 r 3 > 0 r^{3}>0 r 3 > 0 ,故 W ′ W' W ′ 的符号与 4 R 2 − 6 r 2 4R^{2}-6r^{2} 4 R 2 − 6 r 2 相同。令 W ′ ( r ) = 0 W'(r)=0 W ′ ( r ) = 0 得
r 2 = 2 R 2 3 , r 0 = 6 3 R ≈ 0.816 R ∈ ( 0 , R ) ✓ r^{2}=\frac{2R^{2}}{3},\qquad r_{0}=\frac{\sqrt6}{3}R\approx0.816R\in(0,R) ✓ r 2 = 3 2 R 2 , r 0 = 3 6 R ≈ 0.816 R ∈ ( 0 , R ) ✓
判号:r < r 0 r<r_{0} r < r 0 时 4 R 2 − 6 r 2 > 0 4R^{2}-6r^{2}>0 4 R 2 − 6 r 2 > 0 即 W ′ > 0 W'>0 W ′ > 0 ;r > r 0 r>r_{0} r > r 0 时 W ′ < 0 W'<0 W ′ < 0 。
r 0 r_{0} r 0 是唯一极大值点 ,因而是最大值点。
换回圆心角。
α = 2 π r 0 R = 2 π R ⋅ 6 3 R = 2 6 3 π . \alpha=\frac{2\pi r_{0}}{R}=\frac{2\pi}{R}\cdot\frac{\sqrt6}{3}R=\frac{2\sqrt6}{3}\pi . α = R 2 π r 0 = R 2 π ⋅ 3 6 R = 3 2 6 π .
答 :当圆心角 α = 2 6 3 π \alpha=\dfrac{2\sqrt6}{3}\pi α = 3 2 6 π (约 5.13 5.13 5.13 弧度,即约 294 ∘ 294^{\circ} 29 4 ∘ )时容积最大,此时
h = R 2 − 2 R 2 3 = 3 3 R , V max = 1 3 π ⋅ 2 R 2 3 ⋅ 3 3 R = 2 3 27 π R 3 . h=\sqrt{R^{2}-\frac{2R^{2}}{3}}=\frac{\sqrt3}{3}R,\qquad
V_{\max}=\frac13\pi\cdot\frac{2R^{2}}{3}\cdot\frac{\sqrt3}{3}R=\frac{2\sqrt3}{27}\pi R^{3} . h = R 2 − 3 2 R 2 = 3 3 R , V m a x = 3 1 π ⋅ 3 2 R 2 ⋅ 3 3 R = 27 2 3 π R 3 .
自检。 α ≈ 294 ∘ < 360 ∘ \alpha\approx294^{\circ}<360^{\circ} α ≈ 29 4 ∘ < 36 0 ∘ ,扇形确实剪得出来 ✓;
再取 r = 0.7 R r=0.7R r = 0.7 R 与 r = 0.9 R r=0.9R r = 0.9 R 试算 V / ( π R 3 ) V/(\pi R^{3}) V / ( π R 3 ) :
1 3 ( 0.49 ) 1 − 0.49 = 0.1166 \dfrac13(0.49)\sqrt{1-0.49}=0.1166 3 1 ( 0.49 ) 1 − 0.49 = 0.1166 、1 3 ( 0.81 ) 1 − 0.81 = 0.1177 \dfrac13(0.81)\sqrt{1-0.81}=0.1177 3 1 ( 0.81 ) 1 − 0.81 = 0.1177 ,
而 r 0 r_{0} r 0 处为 2 3 27 ≈ 0.1283 \dfrac{2\sqrt3}{27}\approx0.1283 27 2 3 ≈ 0.1283 ,两侧都更小 ✓。
这道题的动作 :带根号的最值,先对平方求导。 V V V 里既有 r 2 r^{2} r 2 又有 R 2 − r 2 \sqrt{R^{2}-r^{2}} R 2 − r 2 ,
直接求导要用乘积法则再通分;换成 V 2 V^{2} V 2 之后是纯多项式,导数一眼分解。
另外一定要把答案换回题目问的量 (问的是圆心角 α \alpha α ,不是底面半径 r r r )。
复习参考题 5 第 16 题
已知 A, B 两地的距离是 130 k m 130 \mathrm{~km} 130 km . 根据交通法规, 两地之间的公路车速应限制在 50 ∼ 100 k m / h 50 \sim 100 \mathrm{~km/h} 50 ∼ 100 km/h . 假设油价是 7 元/L, 以 x k m / h x \mathrm{~km/h} x km/h 的速度行驶时, 汽车的耗油率为 ( 3 + x 2 360 ) L / h \left(3 + \frac{x^2}{360}\right) \mathrm{L/h} ( 3 + 360 x 2 ) L/h , 司机每小时的工资是 35 元. 那么最经济的车速是多少 (精确到 1 k m / h 1 \mathrm{~km/h} 1 km/h )? 如果不考虑其他费用, 这次行车的总费用是多少 (精确到 1 元)?
把总费用写成 x x x 的函数。 以 x k m / h x\ \mathrm{km/h} x km/h 行驶 130 k m 130\ \mathrm{km} 130 km ,所需时间为
T = 130 x ( h ) . T=\frac{130}{x}\ (\mathrm{h}) . T = x 130 ( h ) .
每小时的花费由两部分组成:油费 7 ( 3 + x 2 360 ) 7\left(3+\dfrac{x^{2}}{360}\right) 7 ( 3 + 360 x 2 ) 元/h 与 工资 35 35 35 元/h。
所以总费用
y ( x ) = 130 x [ 7 ( 3 + x 2 360 ) + 35 ] = 130 x ( 56 + 7 x 2 360 ) , y(x)=\frac{130}{x}\left[7\left(3+\frac{x^{2}}{360}\right)+35\right]
=\frac{130}{x}\left(56+\frac{7x^{2}}{360}\right) , y ( x ) = x 130 [ 7 ( 3 + 360 x 2 ) + 35 ] = x 130 ( 56 + 360 7 x 2 ) ,
y ( x ) = 7280 x + 910 x 360 = 7280 x + 91 x 36 , 50 ⩽ x ⩽ 100. y(x)=\frac{7280}{x}+\frac{910x}{360}=\frac{7280}{x}+\frac{91x}{36},\qquad 50\leqslant x\leqslant100 . y ( x ) = x 7280 + 360 910 x = x 7280 + 36 91 x , 50 ⩽ x ⩽ 100.
(130 × 56 = 7280 130\times56=7280 130 × 56 = 7280 ;130 × 7 360 = 910 360 = 91 36 130\times\dfrac{7}{360}=\dfrac{910}{360}=\dfrac{91}{36} 130 × 360 7 = 360 910 = 36 91 。)
求导。
y ′ ( x ) = − 7280 x 2 + 91 36 . y'(x)=-\frac{7280}{x^{2}}+\frac{91}{36} . y ′ ( x ) = − x 2 7280 + 36 91 .
令 y ′ ( x ) = 0 y'(x)=0 y ′ ( x ) = 0 :
x 2 = 7280 × 36 91 = 262080 91 = 2880 , x^{2}=\frac{7280\times36}{91}=\frac{262080}{91}=2880 , x 2 = 91 7280 × 36 = 91 262080 = 2880 ,
x 0 = 2880 = 24 5 ≈ 53.666. x_{0}=\sqrt{2880}=24\sqrt5\approx53.666 . x 0 = 2880 = 24 5 ≈ 53.666.
先验它在限速范围内 :50 < 53.666 < 100 50<53.666<100 50 < 53.666 < 100 ✓。
判号:y ′ ( x ) = 91 36 − 7280 x 2 y'(x)=\dfrac{91}{36}-\dfrac{7280}{x^{2}} y ′ ( x ) = 36 91 − x 2 7280 中 7280 x 2 \dfrac{7280}{x^{2}} x 2 7280 随 x x x 递减,
故 y ′ y' y ′ 随 x x x 递增;x < x 0 x<x_{0} x < x 0 时 y ′ < 0 y'<0 y ′ < 0 、x > x 0 x>x_{0} x > x 0 时 y ′ > 0 y'>0 y ′ > 0 。
x 0 x_{0} x 0 是 [ 50 , 100 ] [50,100] [ 50 , 100 ] 上的唯一极小值点 ,因而是最小值点(端点 50 50 50 与 100 100 100 的函数值都更大)。
答(精确到 1 k m / h 1\ \mathrm{km/h} 1 km/h ) :最经济的车速约为 54 k m / h 54\ \mathrm{km/h} 54 km/h 。
总费用。 在 x 0 = 2880 x_{0}=\sqrt{2880} x 0 = 2880 处两项恰好相等:
y ( x 0 ) = 2 7280 1 ⋅ 91 36 = 2 662480 36 = 2 × 135.65 ≈ 271.3 , y(x_{0})=2\sqrt{\frac{7280}{1}\cdot\frac{91}{36}}=2\sqrt{\frac{662480}{36}}
=2\times135.65\approx271.3 , y ( x 0 ) = 2 1 7280 ⋅ 36 91 = 2 36 662480 = 2 × 135.65 ≈ 271.3 ,
用四舍五入后的 x = 54 x=54 x = 54 核算也一样:
y ( 54 ) = 7280 54 + 91 × 54 36 ≈ 134.81 + 136.50 = 271.31. y(54)=\frac{7280}{54}+\frac{91\times54}{36}\approx134.81+136.50=271.31 . y ( 54 ) = 54 7280 + 36 91 × 54 ≈ 134.81 + 136.50 = 271.31.
答 :这次行车的总费用约为 271 271 271 元。
这道题的动作 :“最经济”要先问清”费用由哪几项构成”。 本题的关键是把
“每小时的钱”乘上”开了几小时”——跑得快省工资却费油,跑得慢省油却费工资 ,
两项一个随 x x x 减、一个随 x x x 增,最优点就在两者相等处(7280 x = 91 x 36 \dfrac{7280}{x}=\dfrac{91x}{36} x 7280 = 36 91 x )。
另外限速区间必须验 :若算出的 x 0 x_{0} x 0 落在 [ 50 , 100 ] [50,100] [ 50 , 100 ] 之外,答案就要改取端点。
复习参考题 5 第 17 题
作函数 y = e x ( 2 x − 1 ) x − 1 y=\frac{\mathrm{e}^{x}(2x-1)}{x-1} y = x − 1 e x ( 2 x − 1 ) 的大致图象.
按课本第 101 页给的五步走。
第 1 步:定义域。 分母 x − 1 ≠ 0 x-1\neq0 x − 1 = 0 ,故定义域为 { x ∣ x ≠ 1 } \{x\mid x\neq1\} { x ∣ x = 1 } ,即
( − ∞ , 1 ) ∪ ( 1 , + ∞ ) (-\infty,1)\cup(1,+\infty) ( − ∞ , 1 ) ∪ ( 1 , + ∞ ) 。
第 2 步:求导并找 y ′ y' y ′ 的零点。 用商的法则,先算分子的导数:
[ e x ( 2 x − 1 ) ] ′ = e x ( 2 x − 1 ) + 2 e x = e x ( 2 x + 1 ) , \big[\mathrm{e}^{x}(2x-1)\big]'=\mathrm{e}^{x}(2x-1)+2\mathrm{e}^{x}=\mathrm{e}^{x}(2x+1) , [ e x ( 2 x − 1 ) ] ′ = e x ( 2 x − 1 ) + 2 e x = e x ( 2 x + 1 ) ,
y ′ = e x ( 2 x + 1 ) ( x − 1 ) − e x ( 2 x − 1 ) ( x − 1 ) 2 = e x [ ( 2 x 2 − x − 1 ) − ( 2 x − 1 ) ] ( x − 1 ) 2 = e x x ( 2 x − 3 ) ( x − 1 ) 2 . y'=\frac{\mathrm{e}^{x}(2x+1)(x-1)-\mathrm{e}^{x}(2x-1)}{(x-1)^{2}}
=\frac{\mathrm{e}^{x}\big[(2x^{2}-x-1)-(2x-1)\big]}{(x-1)^{2}}
=\frac{\mathrm{e}^{x}\,x(2x-3)}{(x-1)^{2}} . y ′ = ( x − 1 ) 2 e x ( 2 x + 1 ) ( x − 1 ) − e x ( 2 x − 1 ) = ( x − 1 ) 2 e x [ ( 2 x 2 − x − 1 ) − ( 2 x − 1 ) ] = ( x − 1 ) 2 e x x ( 2 x − 3 ) .
因 e x > 0 \mathrm{e}^{x}>0 e x > 0 、( x − 1 ) 2 > 0 (x-1)^{2}>0 ( x − 1 ) 2 > 0 ,y ′ y' y ′ 的符号完全由 x ( 2 x − 3 ) x(2x-3) x ( 2 x − 3 ) 决定 ,零点为
x = 0 x=0 x = 0 与 x = 3 2 x=\dfrac32 x = 2 3 。
第 3 步:列表判号(切分点还要加上定义域的断点 x = 1 x=1 x = 1 )。
区间 ( − ∞ , 0 ) (-\infty,\ 0) ( − ∞ , 0 ) ( 0 , 1 ) (0,\ 1) ( 0 , 1 ) ( 1 , 3 2 ) \left(1,\ \frac32\right) ( 1 , 2 3 ) ( 3 2 , + ∞ ) \left(\frac32,\ +\infty\right) ( 2 3 , + ∞ ) x x x − - − + + + + + + + + + 2 x − 3 2x-3 2 x − 3 − - − − - − − - − + + + y ′ y' y ′ + + + − - − − - − + + + y y y 单调递增 单调递减 单调递减 单调递增
于是极大值 y ( 0 ) = 1 × ( − 1 ) − 1 = 1 y(0)=\dfrac{1\times(-1)}{-1}=1 y ( 0 ) = − 1 1 × ( − 1 ) = 1 ,极小值
y ( 3 2 ) = e 3 / 2 ( 3 − 1 ) 1 2 = 4 e 3 / 2 ≈ 17.93. y\left(\frac32\right)=\frac{\mathrm{e}^{3/2}(3-1)}{\frac12}=4\mathrm{e}^{3/2}\approx17.93 . y ( 2 3 ) = 2 1 e 3/2 ( 3 − 1 ) = 4 e 3/2 ≈ 17.93.
(注意 x = 1 x=1 x = 1 处函数无定义,虽然两侧 y ′ y' y ′ 同号,也不能 把 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 与 ( 1 , 3 2 ) \left(1,\dfrac32\right) ( 1 , 2 3 )
合并成一个递减区间。)
第 4 步:特殊点与变化趋势。
与 x x x 轴的交点 :2 x − 1 = 0 2x-1=0 2 x − 1 = 0 得 x = 1 2 x=\dfrac12 x = 2 1 ,点 ( 1 2 , 0 ) \left(\dfrac12,0\right) ( 2 1 , 0 ) ;
与 y y y 轴的交点 :x = 0 x=0 x = 0 时 y = 1 y=1 y = 1 ,点 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) (正是极大值点);
符号 :x < 1 2 x<\dfrac12 x < 2 1 时 2 x − 1 < 0 2x-1<0 2 x − 1 < 0 、x − 1 < 0 x-1<0 x − 1 < 0 ,y > 0 y>0 y > 0 ;1 2 < x < 1 \dfrac12<x<1 2 1 < x < 1 时 y < 0 y<0 y < 0 ;x > 1 x>1 x > 1 时 y > 0 y>0 y > 0 ;
竖直渐近线 x = 1 x=1 x = 1 :x → 1 − x\to1^{-} x → 1 − 时分子 → e ⋅ 1 > 0 \to\mathrm{e}\cdot1>0 → e ⋅ 1 > 0 、分母 → 0 − \to0^{-} → 0 − ,故 y → − ∞ y\to-\infty y → − ∞ ;
x → 1 + x\to1^{+} x → 1 + 时 y → + ∞ y\to+\infty y → + ∞ ;
水平渐近线 y = 0 y=0 y = 0 :x → − ∞ x\to-\infty x → − ∞ 时 e x → 0 \mathrm{e}^{x}\to0 e x → 0 而 2 x − 1 x − 1 → 2 \dfrac{2x-1}{x-1}\to2 x − 1 2 x − 1 → 2 ,
故 y → 0 y\to0 y → 0 ,且由上面的符号讨论知是从上方 趋近;
x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 e x → + ∞ \mathrm{e}^{x}\to+\infty e x → + ∞ 、2 x − 1 x − 1 → 2 \dfrac{2x-1}{x-1}\to2 x − 1 2 x − 1 → 2 ,故 y → + ∞ y\to+\infty y → + ∞ 。
第 5 步:画出大致图象。 综合以上:
在 ( − ∞ , 0 ) (-\infty,0) ( − ∞ , 0 ) 上,曲线从左端贴着 x x x 轴上方(y → 0 + y\to0^{+} y → 0 + )一路上升,到 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 处到达
极大值 ,切线水平;
在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 上下降,穿过 x x x 轴于 ( 1 2 , 0 ) \left(\dfrac12,0\right) ( 2 1 , 0 ) ,随后急速跌向 − ∞ -\infty − ∞ ,
以直线 x = 1 x=1 x = 1 为竖直渐近线;
在 ( 1 , 3 2 ) \left(1,\dfrac32\right) ( 1 , 2 3 ) 上,曲线从 + ∞ +\infty + ∞ 急速下落,到
( 3 2 , 4 e 3 / 2 ) \left(\dfrac32,\ 4\mathrm{e}^{3/2}\right) ( 2 3 , 4 e 3/2 ) 处到达极小值 ≈ 17.9 \approx17.9 ≈ 17.9 ,切线水平;
在 ( 3 2 , + ∞ ) \left(\dfrac32,+\infty\right) ( 2 3 , + ∞ ) 上重新上升且越来越陡,趋于 + ∞ +\infty + ∞ 。
自检。 取几个点验一下走势:y ( − 2 ) = e − 2 × ( − 5 ) − 3 ≈ 0.226 y(-2)=\dfrac{\mathrm{e}^{-2}\times(-5)}{-3}\approx0.226 y ( − 2 ) = − 3 e − 2 × ( − 5 ) ≈ 0.226 、
y ( − 1 ) = e − 1 × ( − 3 ) − 2 ≈ 0.552 y(-1)=\dfrac{\mathrm{e}^{-1}\times(-3)}{-2}\approx0.552 y ( − 1 ) = − 2 e − 1 × ( − 3 ) ≈ 0.552 、y ( 0 ) = 1 y(0)=1 y ( 0 ) = 1 ——左段确在上升且趋于 0 0 0 ✓;
y ( 2 ) = e 2 × 3 1 ≈ 22.17 > 4 e 3 / 2 ≈ 17.93 y(2)=\dfrac{\mathrm{e}^{2}\times3}{1}\approx22.17>4\mathrm{e}^{3/2}\approx17.93 y ( 2 ) = 1 e 2 × 3 ≈ 22.17 > 4 e 3/2 ≈ 17.93 ✓,右段确在上升。
这道题的动作 :“作大致图象”要交四样东西 ——单调区间与极值、与坐标轴的交点、
两端的趋势、渐近线。本题特别之处在于定义域断开 ,x = 1 x=1 x = 1 这条竖直渐近线把图象切成两支,
列表时断点必须与 y ′ y' y ′ 的零点一起当切分点 ,否则会把两支的单调性错误地连起来。
复习参考题 5 第 18 题
已知函数 f ( x ) = e x − ln ( x + m ) f(x) = \mathrm{e}^{x} - \ln (x + m) f ( x ) = e x − ln ( x + m ) . 当 m ⩽ 2 m \leqslant 2 m ⩽ 2 时,求证 f ( x ) > 0 f(x) > 0 f ( x ) > 0 .
先写定义域。 ln ( x + m ) \ln(x+m) ln ( x + m ) 要求 x + m > 0 x+m>0 x + m > 0 ,即 x > − m x>-m x > − m 。要证的是:对一切 x > − m x>-m x > − m 有
e x > ln ( x + m ) \mathrm{e}^{x}>\ln(x+m) e x > ln ( x + m ) 。
第一步:把参数 m m m 消掉,只需证 m = 2 m=2 m = 2 那一条。
设 m ⩽ 2 m\leqslant2 m ⩽ 2 ,取任意 x > − m x>-m x > − m 。由 m ⩽ 2 m\leqslant2 m ⩽ 2 得 − m ⩾ − 2 -m\geqslant-2 − m ⩾ − 2 ,故 x > − m ⩾ − 2 x>-m\geqslant-2 x > − m ⩾ − 2 ,
即 x > − 2 x>-2 x > − 2 ,ln ( x + 2 ) \ln(x+2) ln ( x + 2 ) 也有定义。又 0 < x + m ⩽ x + 2 0<x+m\leqslant x+2 0 < x + m ⩽ x + 2 ,而 ln \ln ln 是增函数,所以
ln ( x + m ) ⩽ ln ( x + 2 ) . \ln(x+m)\leqslant\ln(x+2) . ln ( x + m ) ⩽ ln ( x + 2 ) .
于是
f ( x ) = e x − ln ( x + m ) ⩾ e x − ln ( x + 2 ) . f(x)=\mathrm{e}^{x}-\ln(x+m)\geqslant\mathrm{e}^{x}-\ln(x+2) . f ( x ) = e x − ln ( x + m ) ⩾ e x − ln ( x + 2 ) .
因此只要证明:当 x > − 2 x>-2 x > − 2 时 e x > ln ( x + 2 ) \mathrm{e}^{x}>\ln(x+2) e x > ln ( x + 2 ) 。
第二步:用两条已证的基本不等式夹一下。 本章已经证过两条(习题 5.3 第 12 题与第 99 页练习第 2 题):
e x ⩾ x + 1 ( x ∈ R ) , 等号当且仅当 x = 0 ; \mathrm{e}^{x}\geqslant x+1\ (x\in\mathbf{R}),\ \text{等号当且仅当}\ x=0; e x ⩾ x + 1 ( x ∈ R ) , 等号当且仅当 x = 0 ;
ln t ⩽ t − 1 ( t > 0 ) , 等号当且仅当 t = 1. \ln t\leqslant t-1\ (t>0),\ \text{等号当且仅当}\ t=1 . ln t ⩽ t − 1 ( t > 0 ) , 等号当且仅当 t = 1.
(第二条即第 99 页练习第 2 题的 t − 1 ⩾ ln t t-1\geqslant\ln t t − 1 ⩾ ln t 。)
在第二条里取 t = x + 2 > 0 t=x+2>0 t = x + 2 > 0 ,得
ln ( x + 2 ) ⩽ ( x + 2 ) − 1 = x + 1. \ln(x+2)\leqslant(x+2)-1=x+1 . ln ( x + 2 ) ⩽ ( x + 2 ) − 1 = x + 1.
把两条串起来:
e x ⩾ x + 1 ⩾ ln ( x + 2 ) . ( ⋆ ) \mathrm{e}^{x}\ \geqslant\ x+1\ \geqslant\ \ln(x+2) . \tag{$\star$} e x ⩾ x + 1 ⩾ ln ( x + 2 ) . ( ⋆ )
第三步:说明 ( ⋆ ) (\star) ( ⋆ ) 里至少有一个是严格不等号。
左边取等号要求 x = 0 x=0 x = 0 ;右边取等号要求 x + 2 = 1 x+2=1 x + 2 = 1 ,即 x = − 1 x=-1 x = − 1 。
这两个条件不可能同时成立 ,所以对任何 x > − 2 x>-2 x > − 2 ,( ⋆ ) (\star) ( ⋆ ) 中至少有一处是严格的,从而
e x > ln ( x + 2 ) ( x > − 2 ) . \mathrm{e}^{x}>\ln(x+2)\qquad(x>-2) . e x > ln ( x + 2 ) ( x > − 2 ) .
收口。 结合第一步,对 m ⩽ 2 m\leqslant2 m ⩽ 2 与任意 x > − m x>-m x > − m :
f ( x ) = e x − ln ( x + m ) ⩾ e x − ln ( x + 2 ) > 0. ■ f(x)=\mathrm{e}^{x}-\ln(x+m)\geqslant\mathrm{e}^{x}-\ln(x+2)>0 . \qquad\blacksquare f ( x ) = e x − ln ( x + m ) ⩾ e x − ln ( x + 2 ) > 0. ■
自检。 取 m = 2 m=2 m = 2 、x = − 1 x=-1 x = − 1 :f ( − 1 ) = e − 1 − ln 1 = 0.368 > 0 f(-1)=\mathrm{e}^{-1}-\ln1=0.368>0 f ( − 1 ) = e − 1 − ln 1 = 0.368 > 0 ✓;
取 m = 2 m=2 m = 2 、x → − 2 + x\to-2^{+} x → − 2 + :e x → e − 2 ≈ 0.135 \mathrm{e}^{x}\to\mathrm{e}^{-2}\approx0.135 e x → e − 2 ≈ 0.135 而 ln ( x + 2 ) → − ∞ \ln(x+2)\to-\infty ln ( x + 2 ) → − ∞ ,
f → + ∞ f\to+\infty f → + ∞ ✓;取 m = 0 m=0 m = 0 、x = 0.1 x=0.1 x = 0.1 :e 0.1 = 1.105 \mathrm{e}^{0.1}=1.105 e 0.1 = 1.105 ,ln 0.1 = − 2.303 \ln0.1=-2.303 ln 0.1 = − 2.303 ,f > 0 f>0 f > 0 ✓。
这道题的动作 :含参不等式先”把参数放到最不利的一端”。 m m m 越大,ln ( x + m ) \ln(x+m) ln ( x + m ) 越大、
f f f 越小,所以 m = 2 m=2 m = 2 是最难的一档;证下它,m < 2 m<2 m < 2 自动成立。
第二步用的是「指数在切线之上、对数在切线之下 」这一对镜像不等式,
它们的公共切线正是 y = x + 1 y=x+1 y = x + 1 ——这也是为什么两处的等号点(x = 0 x=0 x = 0 与 x = − 1 x=-1 x = − 1 )必然错开。
复习参考题 5 第 19 题
已知函数 f ( x ) = a e 2 x + ( a − 2 ) e x − x f(x) = a\mathrm{e}^{2x} + (a - 2)\mathrm{e}^x - x f ( x ) = a e 2 x + ( a − 2 ) e x − x .
(1) 讨论 f ( x ) f(x) f ( x ) 的单调性;
(2) 若 f ( x ) f(x) f ( x ) 有两个零点,求 a 的取值范围.
定义域为 R \mathbf{R} R 。
(1) 求导并因式分解。
f ′ ( x ) = 2 a e 2 x + ( a − 2 ) e x − 1. f'(x)=2a\mathrm{e}^{2x}+(a-2)\mathrm{e}^{x}-1 . f ′ ( x ) = 2 a e 2 x + ( a − 2 ) e x − 1.
把它看成关于 e x \mathrm{e}^{x} e x 的二次式并分解:
f ′ ( x ) = ( 2 e x + 1 ) ( a e x − 1 ) . f'(x)=\left(2\mathrm{e}^{x}+1\right)\left(a\mathrm{e}^{x}-1\right) . f ′ ( x ) = ( 2 e x + 1 ) ( a e x − 1 ) .
(展开核对:2 a e 2 x − 2 e x + a e x − 1 = 2 a e 2 x + ( a − 2 ) e x − 1 2a\mathrm{e}^{2x}-2\mathrm{e}^{x}+a\mathrm{e}^{x}-1=2a\mathrm{e}^{2x}+(a-2)\mathrm{e}^{x}-1 2 a e 2 x − 2 e x + a e x − 1 = 2 a e 2 x + ( a − 2 ) e x − 1 ✓)
因 e x > 0 \mathrm{e}^{x}>0 e x > 0 ,恒有 2 e x + 1 > 1 > 0 2\mathrm{e}^{x}+1>1>0 2 e x + 1 > 1 > 0 ,所以 f ′ f' f ′ 的符号与 a e x − 1 a\mathrm{e}^{x}-1 a e x − 1 相同 。分两类:
① a ⩽ 0 a\leqslant0 a ⩽ 0 : 此时 a e x ⩽ 0 a\mathrm{e}^{x}\leqslant0 a e x ⩽ 0 ,故 a e x − 1 ⩽ − 1 < 0 a\mathrm{e}^{x}-1\leqslant-1<0 a e x − 1 ⩽ − 1 < 0 ,
f ′ ( x ) < 0 f'(x)<0 f ′ ( x ) < 0 恒成立。f f f 在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上单调递减。
② a > 0 a>0 a > 0 : 解 a e x − 1 = 0 a\mathrm{e}^{x}-1=0 a e x − 1 = 0 得 e x = 1 a \mathrm{e}^{x}=\dfrac1a e x = a 1 ,即 x = − ln a x=-\ln a x = − ln a 。
由 e x \mathrm{e}^{x} e x 递增知:x < − ln a x<-\ln a x < − ln a 时 a e x < 1 a\mathrm{e}^{x}<1 a e x < 1 ,f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ;x > − ln a x>-\ln a x > − ln a 时 f ′ > 0 f'>0 f ′ > 0 。
f f f 在 ( − ∞ , − ln a ) (-\infty,-\ln a) ( − ∞ , − ln a ) 上单调递减,在 ( − ln a , + ∞ ) (-\ln a,+\infty) ( − ln a , + ∞ ) 上单调递增 ,
x = − ln a x=-\ln a x = − ln a 是唯一极小值点。
(2) 零点个数。
先排除 a ⩽ 0 a\leqslant0 a ⩽ 0 : 由 (1),f f f 在 R \mathbf{R} R 上单调递减,至多一个零点 ,不可能有两个。
再看 a > 0 a>0 a > 0 : f f f 先减后增,最小值在 x 0 = − ln a x_{0}=-\ln a x 0 = − ln a 处。计算它——
此时 e x 0 = 1 a \mathrm{e}^{x_{0}}=\dfrac1a e x 0 = a 1 ,e 2 x 0 = 1 a 2 \mathrm{e}^{2x_{0}}=\dfrac1{a^{2}} e 2 x 0 = a 2 1 ,− x 0 = ln a -x_{0}=\ln a − x 0 = ln a :
f ( x 0 ) = a ⋅ 1 a 2 + ( a − 2 ) ⋅ 1 a + ln a = 1 a + 1 − 2 a + ln a = ln a − 1 a + 1. f(x_{0})=a\cdot\frac1{a^{2}}+(a-2)\cdot\frac1a+\ln a
=\frac1a+1-\frac2a+\ln a=\ln a-\frac1a+1 . f ( x 0 ) = a ⋅ a 2 1 + ( a − 2 ) ⋅ a 1 + ln a = a 1 + 1 − a 2 + ln a = ln a − a 1 + 1.
两端的趋势 (这一步决定”最小值为负”是否真能推出两个零点):
x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ :a e 2 x a\mathrm{e}^{2x} a e 2 x 是指数增长,压过 − x -x − x 的线性下降,故 f ( x ) → + ∞ f(x)\to+\infty f ( x ) → + ∞ ;
x → − ∞ x\to-\infty x → − ∞ :e 2 x → 0 \mathrm{e}^{2x}\to0 e 2 x → 0 、e x → 0 \mathrm{e}^{x}\to0 e x → 0 ,而 − x → + ∞ -x\to+\infty − x → + ∞ ,故 f ( x ) → + ∞ f(x)\to+\infty f ( x ) → + ∞ 。
于是 f f f 在 ( − ∞ , x 0 ] (-\infty,x_{0}] ( − ∞ , x 0 ] 上从 + ∞ +\infty + ∞ 严格降到 f ( x 0 ) f(x_{0}) f ( x 0 ) 、在 [ x 0 , + ∞ ) [x_{0},+\infty) [ x 0 , + ∞ ) 上从
f ( x 0 ) f(x_{0}) f ( x 0 ) 严格升回 + ∞ +\infty + ∞ 。由零点存在定理与严格单调性:
f ( x ) 恰有两个零点 ⟺ f ( x 0 ) < 0. f(x)\ \text{恰有两个零点}\ \iff\ f(x_{0})<0 . f ( x ) 恰有两个零点 ⟺ f ( x 0 ) < 0.
解不等式 f ( x 0 ) < 0 f(x_{0})<0 f ( x 0 ) < 0 。 令
g ( a ) = ln a − 1 a + 1 , a > 0. g(a)=\ln a-\frac1a+1,\qquad a>0 . g ( a ) = ln a − a 1 + 1 , a > 0.
求导:
g ′ ( a ) = 1 a + 1 a 2 > 0 , g'(a)=\frac1a+\frac1{a^{2}}>0 , g ′ ( a ) = a 1 + a 2 1 > 0 ,
故 g g g 在 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) 上严格递增 。又
g ( 1 ) = ln 1 − 1 + 1 = 0 , g(1)=\ln1-1+1=0 , g ( 1 ) = ln 1 − 1 + 1 = 0 ,
所以
g ( a ) < 0 ⟺ 0 < a < 1. g(a)<0\iff 0<a<1 . g ( a ) < 0 ⟺ 0 < a < 1.
答 :a a a 的取值范围是 ( 0 , 1 ) (0,\ 1) ( 0 , 1 ) 。
自检。 取 a = 1 2 a=\dfrac12 a = 2 1 :x 0 = ln 2 ≈ 0.693 x_{0}=\ln2\approx0.693 x 0 = ln 2 ≈ 0.693 ,
f ( x 0 ) = ln 1 2 − 2 + 1 = − 0.693 − 1 = − 1.693 < 0 f(x_{0})=\ln\dfrac12-2+1=-0.693-1=-1.693<0 f ( x 0 ) = ln 2 1 − 2 + 1 = − 0.693 − 1 = − 1.693 < 0 ,应有两个零点;
直接验两个符号相反的点:f ( 0 ) = 1 2 − 3 2 − 0 = − 1 < 0 f(0)=\dfrac12-\dfrac32-0=-1<0 f ( 0 ) = 2 1 − 2 3 − 0 = − 1 < 0 、
f ( − 2 ) = 1 2 e − 4 − 3 2 e − 2 + 2 ≈ 0.009 − 0.203 + 2 = 1.806 > 0 f(-2)=\dfrac12\mathrm{e}^{-4}-\dfrac32\mathrm{e}^{-2}+2\approx0.009-0.203+2=1.806>0 f ( − 2 ) = 2 1 e − 4 − 2 3 e − 2 + 2 ≈ 0.009 − 0.203 + 2 = 1.806 > 0 、
f ( 2 ) = 1 2 e 4 − 3 2 e 2 − 2 ≈ 27.30 − 11.08 − 2 = 14.22 > 0 f(2)=\dfrac12\mathrm{e}^{4}-\dfrac32\mathrm{e}^{2}-2\approx27.30-11.08-2=14.22>0 f ( 2 ) = 2 1 e 4 − 2 3 e 2 − 2 ≈ 27.30 − 11.08 − 2 = 14.22 > 0 ,
( − 2 , 0 ) (-2,0) ( − 2 , 0 ) 与 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 内各有一个零点 ✓。
再取 a = 1 a=1 a = 1 :f ( x 0 ) = g ( 1 ) = 0 f(x_{0})=g(1)=0 f ( x 0 ) = g ( 1 ) = 0 ,只有一个零点(重合在极小值点上),恰好落在范围之外 ✓。
这道题的动作 :含参零点题的三步 ——
① 求导后把 e x \mathrm{e}^{x} e x 当整体因式分解 ,符号讨论就只剩一个因子;
② 用唯一极小值 把”两个零点”翻译成”最小值 < 0 <0 < 0 “,但必须先验两端都趋于 + ∞ +\infty + ∞ ,
否则最小值为负也可能只有一个零点甚至没有;
③ 最小值本身又是一个关于 a a a 的函数,再求一次导 判它的单调性,
临界值 a = 1 a=1 a = 1 由 g ( 1 ) = 0 g(1)=0 g ( 1 ) = 0 一眼看出,不必解超越方程。