二倍角公式的运用_二倍角公式及应用

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学科：数学

教学内容：导数的应用

（一）【学习目标】

利用导数研究函数的切线、单调性、极大（小）值、函数在连续区间［a，b］上的最大（小）值，培养数学思维能力．

【高考试题剖析】

91．曲线y＝x在点（3，3）处的切线倾斜角α＝__________．

92923【解析】∵y′＝－x，∴y′|x＝3＝－x|x＝3＝－1，∴α＝4π．

3【答案】4π

x－x2．函数f（x）＝e＋e在（0，＋∞）上的单调性是___________． 【解析】∵f′（x）＝ex－e－x＝e－x（e2x－1），当x∈（0，＋∞）时，f′（x）>0． ∴f（x）在（0，＋∞）上是增函数． 【答案】增函数

3．函数y＝1＋3x－x3有（）A．极小值－1，极大值1

B．极小值－2，极大值3 C．极小值－2，极大值2

D．极小值－1，极大值3

2【解析】∵f′（x）＝3－3x＝0，∴x＝±1 ∴f（1）＝3，f（－1）＝－1． 【答案】D 324．函数y＝2x－3x－12x＋5在［0，3］上最大、小值是（）A．5，－15

B．5，4

C．－4，－15 D．5，－16 2【解析】y′＝6x－6x－12＝6（x－2）（x＋1）令y′＝0，得：x＝2或x＝－1（舍）检验知，当x＝2时，y极小＝－15．

又f（0）＝5，f（3）＝2×27－3×9－12×3＋5＝－4 ∴y最大值＝5，y最小值＝－15 【答案】A 5．下面说法正确的是（）

A．函数在闭区间上的极大值一定比极小值大 B．函数在闭区间上的最大值一定是极大值

C．对于f（x）＝x3＋px2＋2x＋1，若|p|

【解析】极值是函数的局部性质，最值是函数的整体性质，因此，极大值不一定是最大值，A错．由于函数的最值可能在端点取得，因此最大值不一定是极值，B错．

22对于C，∵f′（x）＝3x＋2px＋2，方程3x＋2px＋2＝0，当|p|

【答案】C 【典型例题精讲】

1［例1］研究函数f（x）＝ax3＋bx2－ax＋1的单调性，其中a≠0．

1【解】∵f′（x）＝3ax＋2bx－a

2b当a＞0时，f′（x）＞0，则x＜

2b33a或

22xbb33a，2bf′（x）＜0时，b33a2xbb33ab32，(,所以f（x）在在[bb3a2b2b33a],[b3a,)上单调递增，3,bb3a3]上单调递减．

[当a＜0时，同样可得f（x）在bb3bb3,]3a3a上单调递增，b3222bb323a3a在（－∞，＋∞）上单调递减．

432［例2］偶函数f（x）＝ax＋bx＋cx＋dx＋e的图象过点P（0，1），且在x＝1处的切线方程为y＝x－2，（1）求y＝f（x）的解析式；（2）求y＝f（x）的极值．

【解】（1）∵f（x）是偶函数，∴b＝d＝0．又图象过点P（0，1），则e＝1，此时f（x）42＝ax＋cx＋1 ∴y′＝4ax3＋2cx，∴y′|x＝1＝4a＋2c＝1

① 又切线的切点（1，－1）在曲线上，∴a＋c＋1＝－1 ②

由①②得,],[ba52,c92，∴

f(x)52x4923x12

（2）f′（x）＝10x3－9x＝0，∴x＝0或x＝±10． 通过列表可知：

341当x＝±10时，f（x）极小＝－40

当x＝0时，f（x）极大＝1 1［例3］曲线y＝3x6上哪一个点的法线在y轴上截距最小?（所谓法线是指：过曲线上一点与以此点为切点的切线垂直的直线）

1【解】在曲线y＝3x6上任取一点（x，y），过该点切线的斜率为k＝2x5

1∴法线的斜率为－2x．

51∴法线的方程为Y－y＝－2x（z－x）

5Yy令z＝0，得法线在y轴上的截距：

12x4x6312x

4xx则

令Y′＝0，得x＝±1 当x＜－1时，Y′＜0，则Y单调减小； 当－1＜x＜0时，Y′＞0，则Y单调增加； 当0＜x＜1时，Y′＜0，则Y单调减小； 当x＞1时，Y′＞0，则Y单调增加； Y2x5252(x1051)51从而当x＝±1时，Y取得最小值为6，此时点（±1，3）为所求．

32［例4］已知f（x）＝ax＋bx＋cx（a≠0）在x＝±1时取得极值，且f（1）＝－1，（1）试求常数a、b、c的值；

（2）试判断x＝±1是函数的极大值还是极小值，并说明理由．

【分析】考查函数f（x）是实数域上的可导函数，可先求导确定可能的极值点，再通过极值点与导数的关系，即极值点必为f′（x）＝0的根建立起由极值点x＝±1所确定的相关等式，运用待定系数法确定a、b、c的值．

2（1）【解法一】f′（x）＝3ax＋2bx＋c，∵x＝±1是函数的极值点

2∴x＝±1是方程3ax＋2bx＋c＝0的两根． 由根与系数的关系知：

又f（1）＝－1，∴a＋b＋c＝－1

③由①、②、③解，得：【解法二】由f′（1）＝f′（－1）＝0，得：3a＋2b＋c＝0 ① 3a－2b＋c＝0

② 又f（1）＝－1，∴a＋b＋c＝－1

③

2．1333233f(x)xxx(x1)(x1)22，∴f′（x）＝222（2）

当x1时f′（x）>0，当－1

【注】本题从逆向思维的角度出发，根据题设结构进行逆向联想，合理地实现了问题的转化，使抽象的问题具体化，在转化的过程中充分运用了已知条件确定了解题的大方向．

［例5］证明方程sinx＝2x只有一个实根：x＝0．

【证明】构造函数f（x）＝2x－sinx，x∈（－∞，＋∞）．

∵f′（x）＝2－cosx>0，∴f（x）在（－∞，＋∞）上是增函数． 由①、②、③解得：

a1,b0,c3a12,b0,c3又当x＝0时，f（x）＝0，∴方程2x＝sinx有惟一实根x＝0． 【注】本题体现了函数思想的应用．

【达标训练】

1．函数y＝（x2－1）3＋1在x＝－1处（）A．有极大值

B．有极小值 C．无极值

D．无法确定极值情况

22【解析】∵y′＝3（x－1）·2x，令y′＝0，得：x＝0或x＝1或x＝－1，但当x∈（－∞，－1）时，y′

【答案】C 2．设y＝（2x＋a）2，且y′（2）＝20，则a等于（）A．－1 B．1

C．0

D．任意实数 【解析】∵y′＝4（2x＋a），∵y′|x＝2＝20，∴a＝1． 【答案】B 3．函数y＝sin2x－x，x∈

[,22上的最大值是___________，最小值是_________．

32]【解析】∵y′＝2cos2x－1＝0，∴x＝±6

f(而端点6)326,f(6)6,f(2),f()222

所以y的最大值是2，最小值是－2．

【答案】2 －2

4．如果函数f（x）＝ax3－x2＋x－５在（－∞，＋∞）上单调递增，则a__________． 【解析】∵y′＝3ax2－2x＋1＞0

1∴a＞0且Δ＝4－12a＜0，即a＞3．

1【答案】＞3

5．求证：当|x|≤2时，|3x－x3|≤2． 【证明】设f（x）＝3x－x3

22f′（x）＝3－3x＝3（1－x）当x＝±1时，f′（x）＝0 当x＜－1时，f′（x）＜0 当－1

所以当｜x｜≤2时，｜3x－x3｜≤2．

16．设f（x）＝x－2x－2x＋５

（1）求函数f（x）的单调递增、递减区间；

（2）当x∈［－1，2］时，f（x）＜m恒成立，求实数m的取值范围．

322【解析】（1）令f′（x）＝3x2－x－2＞0，得x＜－3或x＞1．

22∴函数的单调增区间为（－∞，－3）、（1，＋∞），单调减区间为（－3，1）（2）原命题等价于f（x）在［－1，2］上的最大值小于m．

2由f′（x）＝0，得x＝－3或1，2327又f（2）＝7 ∴m＞［f（x）］max＝7．

27．求函数y＝xlnx的极值． f(1)11,f(2)522,f(1)72，1【解析】定义域D：（0，＋∞），y′＝2xlnx＋x·x＝x（2lnx＋1）．

212121212令y′＝0，得：x＝e时，y′>0，12，当0e∴y在（e12，＋∞）上是增函数．

1211∴x＝e时，y有极小值（e）2（－2）＝－2e．

【解题指导】

掌握求给定函数的单调区间、极值、最值的一般方法，会求已知曲线在指定点处的切线的斜率．

【拓展练习】 备选题

1．求y＝excosx的极值．

【解】y′＝ex（cosx－sinx），令y′＝0，即cosx－sinx＝0，得x＝2kπ＋4或x＝52kπ＋4π，k∈Z．

35当x∈（2kπ＋4，2kπ＋4π）（k∈Z）时，y′0，f（x）为增函数，因此，当x＝2kπ＋4（k2∈Z）时，y有极大值2·e2k4（k∈Z）．

52当x＝2kπ＋4π（k∈Z）时，y有极小值－2·e（k∈Z）．

322．已知f（x）＝2x－6x＋m（m为常数），在［－2，2］上有最大值3，那么此函数在［－2，2］上的最小值为（）

A．－37

B．－29 C．－5

D．－11

2【解析】∵f′（x）＝6x－12x＝6x（x－2），由f′（x）＝0，得x＝0或2．

∵f（0）＝m，f（2）＝－8＋m，f（－2）＝－40＋m，有f（0）>f（2）>f（－2）∴m＝3，最小值为f（－2）＝－37． 【答案】A 3．函数y＝3x2－2lnx的单调增区间为_____；减区间为_____． 【解析】函数的定义域为：（0，＋∞）

42k5230

33∵y′＝6x－x，令y′>0，得x>3，∴单调增区间为（3，＋∞），由y′

3∴单调减区间为（0，3）．

33【答案】（3，＋∞）（0，3）

4．求曲线y＝4－x2（x>0）上与定点P（0，2）距离最近的点． 【解】设曲线y＝4－x2上任意一点为Q（x，y），则

4|PQ|＝

2423设f（x）＝|PQ|＝x－3x＋4，则f′（x）＝4x－6x＝2x（2x2－3）(x0)(y2)22x2(2x)22x43x23令f′（x）＝0，∵x>0，∴x＝

32，又当0

32时取极小值，因为f（x）只有一个极3当x>2时，f′（x）>0，∴f（x）在x＝

35,值点，因此该极小值也是最小值，相应地|PQ|也取得最小值，这时Q点坐标为（22），35,22）即与点P（0，2）最近的点是Q（．

注：如果函数f（x）在给定区间内只有一个极值点（单峰函数），那么极小值即为最小值，极大值即为最大值．

学科：数学 教学内容：导数的应用

（二）【学习目标】

利用导数求解一些实际问题的最大值和最小值，培养学生分析问题、解决问题的能力．

【高考试题剖析】

x1）的单调性是______________．

lgelgex2(1xx)(1)222xx11x 【解析】y′＝xx1lge021x，所以f（x）在R上是增函数． 1．函数f（x）＝lg（x＋【答案】增函数

212．已知一直线切曲线y＝10x于x＝2，且交此曲线于另一点，则此点坐标___________．

313【解析】∵k＝y′｜x＝2＝（10x）′｜x＝2＝1.2 又切点为（2，0.8），切线方程为6x－5y－8＝0

x2x4,联立解得y0.8y6.4 所以另一交点为（－4，－6.4）． 【答案】（－4，－6.4）

3．等边三角形当高为8 cm时，其面积对高的改变率是__________． 13xy106x5y801【解析】∵S＝162163h2，∴S′＝3h ∴S′|h＝8＝3

【答案】3

4．函数y＝x3＋3x2－24x＋12的极小值是_____．

【解析】∵y′＝3x2＋6x－24＝3（x2＋2x－8）＝3（x＋4）（x－2）令y′＝0，得x＝－4或x＝2，检验知：当x＝2时，y取极小值－16． 【答案】－16

【典型例题精讲】

1［例1］当x＞0时，证明ln（1＋x）＞x－2x．

21【证明】设f（x）＝ln（1＋x）＋2x2－x，其定义域为（－1，＋∞），1x1f′（x）＝x1

∴f（x）在（－1，＋∞）上是增函数

由增函数定义知：当x＞0时，f（x）＞f（0）＝0 1即ln（1＋x）＋2x2－x＞0 x1x201所以当x＞0时，ln（1＋x）＞x－2x．

［例2］设f（x）＝ax3＋x恰有三个单调区间，试确定实数a的取值范围，并求出这三个单调区间．

2【解】∵f′（x）＝3ax＋1，若a>0，则f′（x）>0，x∈（－∞，＋∞），此时f（x）只有一个单调区间，矛盾；若a＝0，则f′（x）＝1>0，此时f（x）仍只有一个单调区间．

2(x若a

13a)(x113a，综上可知a

113a，＋∞），增区间为（－

3a)三个单调区间，其中减区间为（－∞，－

3a）和（，13a）．

［例3］用总长14.8 m的钢条制作一个长方体容器的框架，如果所制容器的底面的一边比另一边长0.5 m，那么高为多少时容器的容积最大?并求出它的最大容积? 【解】设容器底面短边长为x m，则另一边长为（x＋0.5）m，高为（3.2－2x）m，由3.2－2x＞0，x＞0，得0＜x＜1.6 设容器的容积为y m3，则有y＝x（x＋0.5）（3.2－2x）（0＜x＜1.6)

整理y＝－2x3＋2.2x2＋1.6x ∴y′＝－6x2＋4.4x＋1.6

4令y′＝0 ∴x1＝1，x2＝－15（舍去）．

从而，在定义域（0，1.6）内只有在x＝1处使y′＝0，由题意，若x过小（接近0）或过大（接近1.6）时，y值很小（接近0），因此，当x＝1时，ymax＝1.8，此时高1.2 m．

3【答】容器的高为1.2 m时容积最大，最大容积为1.8 m． ［例4］一艘轮船在航行中的燃料费和它的速度的立方成正比，已知在速度为每小时10公里时燃料费是每小时6元，而其他与速度无关的费用是每小时96元，问此轮船以何种速度航行时，能使行驶每公里的费用总和最小？

33【解】设船速为x（x>0）公里/小时，燃料费是Q元，则Q＝kx，由6＝k·10得：k3＝500，331∴Q＝500x3，总费用y＝（500x2＋96）·x3500x2966x，∵y′＝500x96x，2令

y′＝0，得x＝20，由于该函数在（0，＋∞）内有惟一的极值点是极小值点，所以该极小值是最小值．因此，当船速为20公里/小时时，航行每公里的费用总和最小．

［例5］直线y＝a与函数f（x）＝x3－3x的图象有相异三个交点，求a的取值范围．

2【解】∵f′（x）＝3x－3＝3（x－1）（x＋1），由f′（x）>0得单调增区间为（－∞，－1），（1，＋∞），由 f′（x）

当－2

【达标训练】

1．证明双曲线xy＝a2上任意一点的切线与两坐标轴围成的三角形的面积为定值．

a2【证明】设y＝x上任一点为Q（x0，y0），则

ky|xx0ax22|xx0a22x0，∴切a22线方程为：y－y0＝－x0（x－x0）

令y＝0，则xx0y0x0a22x0ax0a2222x0

yy0令x＝0，则

a2x02

x0y0ax02a2x0

1∴S＝2|x|·|y|＝2a（定值）

22．当0

【证明】令f（x）＝x－sinx，则当0＜x＜2时，f′（x）＝1－cosx＞0 ∴f（x）在（0，2）上单调增加，而f（0）＝0，∴当0＜x＜2时，f（x）＞0，即x＞sinx

222令ｇ（x）＝sinx－x，∴ｇ′（x）＝cosx－

当0＜x＜arccos时，ｇ′（x）＞0，则ｇ（x）单调增加；

2＝0

当arccos＜x＜2时，ｇ′（x）＜0，则ｇ（x）单调减小，而f（0）＝f（2）2∴当0＜x＜2时，ｇ（x）＞0，即sinx＞x．

2综上，当0＜x＜2时，x＜sinx＜x．

3．如图11—1，扇形AOB中，半径OA＝1，∠AOB＝2，在OA的延长线上有一动点C，过C作CD与相切于点E，且与过点B所作的OB的垂线交于点D，当点C在什么位置时，直角梯形OCDB面积最小？

【解】设OC＝x（x＞0），过D作DF⊥OA于F，可知OE＝DF △OEC≌△DFC

22∴DC＝OC＝x，∴x＝1＋（x－BD）∴BD＝x－

x1

1221∴S＝2（BD＋OC）·OB＝2（2x－x1）

x2∴S′＝1－2x1＝0，∴x＝23

2所以当OC＝3时，直角梯形OCDB面积最小．

4．如图11—2，两个工厂A、B相距0.6 km，变电站C距A、B都是0.5 km．计划铺设动力线，先求C沿AB的垂线至D，再与A、B相连，D点选在何处时，动力线最短？

【解】设CD⊥AB，垂足为E，DE的长为x km．

由AB＝0.6，AC＝BC＝0.5得CE＝0.50.3＝0.4，CD＝0.4－x AD＝BD＝x0.3动力线总长l＝22222x0.3＋0.4－x

2x222212x2x0.3x0.3222l′＝（2x0.3＋0.4－x）′＝2·2x0.33．

令l′＝0，得x＝10≈0.17，由于该函数只有这一个极值点．因此它是最小值点． 【答】D点选在距AB0.17 km处时，动力线最短．

【解题指导】

应用导数解决实际问题，关键是要建立恰当的数学模型（函数关系）．如果函数在区间内只有一个点使f′（x）＝0的情形，此时函数在此点有极大（小）值，那么不与端点比较，也可以知道这就是最大（小）值．

【拓展练习】 备选题

1．已知x、y为正实数，且满足关系式x2－2x＋4y2＝0，求x·y的最大值．

1【解法一】4y＝2x－x，∵y>0，∴y＝2

222xx2

x02x2xx2xx0∴xy＝2，由得0

122xx(32x)2(2xxx)22222xx22xx∵f′（x）＝

312令f′（x）＝0，得x＝2或x＝0（舍）

3333333检验知x＝2是极大值点，由极值点是惟一的，知当x＝2时，函数f（x）的最大值为f（2）＝8，即x·y的最大值为8．

2222【解法二】由x－2x＋4y＝0，得（x－1）＋4y＝1（x>0，y>0）

1设x－1＝cosα，y＝2sinα（0

111111333∴xy＝2sinα（1＋cosα），设f（α）＝ 2sinα（1＋cosα）

则f′（α）＝ 2［sinα（－sinα）＋cosα（1＋cosα）］＝2（2cos2α＋cosα－1）＝（cosα＋1）·（cosα－2），令f′（α）＝0，得：cosα＝－1或cosα＝2

3338333∵0

，∴［f（α）］max＝8，即当x＝2，y＝4时［x·y］max＝8． 2．如图，一条河宽1千米，相距4千米（直线距离）的两座城市A和B分别位于河的两岸（城市A、B与岸边的距离忽略不计），现需铺设一条电缆连通城市A与B，已知地下电缆的修建费为2万元／千米，水下电缆的修建费为4万元／千米．假设两岸是平行直线，问应如何铺设电缆可使总费用最省?（153.813,f()3331.732，精确到百米、百元）

【解】过B作对岸所在直线的垂线，垂足记为O，设在到O距离为x km的点C，分别铺设BC、CA间的水下、地下电缆可使费用最省．则BC＝x1千米，AC＝AO－OC＝（15－x）千米，总费用为y，则y＝2（15－x）＋41x（0≤x≤15）

4x求导y′＝1x21－2，令y′＝0，∴x＝

1所以当x＝3＝0.6千米时，费用最省． x23．过曲线4＋y2＝1（x≥0，y≥0）上一点引切线分别与x轴正半轴和y轴正半轴交于A、B两点，求当线段|AB|最小时的切点坐标．

【解】设|AB|＝l，切点为P（x0，y0），则所求切线方程为：x0x＋4y0y－4＝0（x0>0，y0>0），1614122x0y0x0y02切线在x轴、y轴上的截距分别为、，∴l＝，∵P（x0，y0）在曲线上，∵y＝1x24，∴

y|xx0x04y0x02∴y02＝1－4，16422x04x02∴l＝（0

16令Y＝l＝2x0244x0232x（0

2226当Y′＝0时，有x0＝得极小值，也是最小值．

3，在（0，2）内Y只有一个极值点，检验知，在这点Y取26∴当x0＝

3时，l2取得最小值9，∴l的最小值为3，此时，y0＝3，切点为326（3,33）．