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5.3.2.2 函数的最大(小)值
要点一 函数y=f(x)在闭区间[a,b]上取得最值的条件
如果在区间[a,b]上函数y=f(x)的图象是一条连续不读的曲线,那么它必有最大值与最小值,并且函数的最值必在极值点或区间端点处取得.
【笔记小结】
(1)函数的最值是一个整体性的概念.函数极值是在局部区间上对函数值的比较,具有相对性;而函数的最值则是表示函数在整个定义域上的情况,是对整个区间上的函数值的比较.
(2)函数在一个闭区间上若存在最大值或最小值,则最大值或最小值只能各有一个,具有唯一性,而极大值和极小值可能多于一个,也可能没有,例如:常数函数就既没有极大值也没有极小值.
(3)极值只能在区间内取得,最值则可以在端点处取得;有极值的不一定有最值,有最值的也未必有极值;极值有可能成为最值,最值只要不在端点处取必定是极值.
要点二 求函数y=f(x)在[a,b]上的最大值与最小值
求函数y=f(x)在[a,b]上的最大值与最小值的步骤如下:
(1)求函数y=f(x)在(a,b)内的极值;
(2)将函数y=f(x)的各极值与端点处的函数值f(a),f(b)比较,其中最大的一个是最大值,最小的一个是最小值.
【笔记小结】
(1)求函数的最值,显然求极值是关键的一环.但仅仅是求最值,可用下面简化的方法求得.
①求出导数为零的点.
②比较这些点与端点处函数值的大小,就可求出函数的最大值和最小值.
(2)若函数在闭区间[a,b]上连续单调,则最大、最小值在端点处取得.
(3)若连续函数f(x)在开区间(a,b)内只有一个极值点时,这个点的函数值必然是最值.例如在(-∞,+∞)上函数只有一个极值,那么这个极值也就是最值.
【基础自测】
1.判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)
(1)函数f(x)在区间[a,b]上的最大值和最小值,一定在区间端点处取得.( )
(2)开区间上的单调连续函数无最值.( )
(3)在定义域内,若函数有最值与极值,则极大(小)值就是最大(小)值.( )
(4)若函数在给定区间上有最值,则最大(小)值最多有一个;若有极值,则可有多个.( )
【答案】(1)×(2)√(3)×(4)√
2.函数f(x)=4x-x4在x∈[-1,2]上的最大值、最小值分别是( )
A.f(1)与f(-1) B.f(1)与f(2)
C.f(-1)与f(2) D.f(2)与f(-1)
【答案】B
【解析】f′(x)=4-4x3,f′(x)>0,
即4-4x3>0 x<1,f′(x)<0 x>1.
∴f(x)=4x-x4在x=1时取得极大值,且f(1)=3,而f(-1)=-5,f(2)=-8,
∴f(x)=4x-x4在[-1,2]上的最大值为f(1),最小值为f(2),故选B.
3.函数f(x)=2x-cos x在(-∞,+∞)上( )
A.无最值 B.有极值
C.有最大值 D.有最小值
【答案】A
【解析】f′(x)=2+sin x>0恒成立,所以f(x)在(-∞,+∞)上单调递增,无极值,也无最值.
4.已知函数f(x)=sin x-2x-a,若f(x)在[0,π]上的最大值为-1,则实数a的值是________.
【答案】1
【解析】f′(x)=cos x-2<0
∴函数f(x)在[0,π]上单调递减
∴f(x)max=f(0)=-a=-1故a=1.
题型一 求函数的最值
【例1】求下列函数的最值.
(1)f(x)=2x3-12x,x∈[-1,3];
(2)f(x)=x+sin x,x∈[0,2π].
【解析】(1)f(x)=2x3-12x,
∴f′(x)=6x2-12=6(x+)(x-),
令f′(x)=0解得x=-或x=.
当x变化时,f′(x)与f(x)的变化情况如下表:
x (-∞,-) - (-,) (,+∞)
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) ? 极大值 ? 极小值 ?
因为f(-1)=10,f(3)=18,f()=-8,
所以当x=时,f(x)取得最小值-8;
当x=3时,f(x)取得最大值18.
(2)f′(x)=+cos x,令f′(x)=0,
又x∈[0,2π],解得x=π或x=π.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表所示:
x 0 π π 2π
f′(x) + 0 - 0 +
f(x) 0 ? 极大值 + ? 极小值 π- ? π
∴当x=0时,f(x)有最小值f(0)=0;
当x=2π时,f(x)有最大值f(2π)=π.
【方法归纳】
导数法求函数最值
(1)求f′(x),令f′(x)=0,求出在(a,b)内使导数为0的点,同时还要找出导数不存在的点.
(2)比较三类点处的函数值:导数不存在的点,导数为0的点及区间端点的函数值,其中最大者便是f(x)在[a,b]上的最大值,最小者便是f(x)在[a,b]上的最小值.
【跟踪训练1】(1)函数f(x)=x3-3x2-9x+6在区间[-4,4]上的最大值为( )
A.11 B.-70
C.-14 D.-21
【答案】(1)A
【解析】(1)函数f(x)=x3-3x2-9x+6的导数为f′(x)=3x2-6x-9,
令f′(x)=0得x=-1或x=3,
由f(-4)=-70;f(-1)=11;
f(3)=-21;f(4)=-14;
所以函数f(x)=x3-3x2-9x+6在区间[-4,4]上的最大值为11.
(2)函数y=xln x的最小值为( )
A.-e-1 B.-e
C.e2 D.-
【答案】(2)A
【解析】(2)因为y=xln x,定义域是(0,+∞),所以y′=1+ln x,令y′>0,解得:x>,令y′<0,解得:0
所以函数在上递减,在上递增,
故x=时,函数取最小值是-.
题型二 含参数的最值问题
【例2】已知函数f(x)=x3-ax2-a2x.求函数f(x)在[0,+∞)上的最小值.
【解析】f′(x)=3x2-2ax-a2=(3x+a)(x-a),
令f′(x)=0,得x1=-,x2=a.
①当a>0时,f(x)在[0,a)上单调递减,在(a,+∞)上单调递增,所以f(x)min=f(a)=-a3.
②当a=0时,f′(x)=3x2≥0,f(x)在[0,+∞)上单调递增,所以f(x)min=f(0)=0.
③当a<0时,f(x)在上单调递减,在上单调递增,
所以f(x)min=f=a3.
综上所述,当a>0时,f(x)min=-a3;
当a=0时,f(x)min=0;当a<0时,f(x)min=a3.
【变式探究1】本例中再加“a>0”这一条件,求函数f(x)在[-a,2a]上的最值.
【解析】f′(x)=(3x+a)(x-a)(a>0),
令f′(x)=0,得x1=-所以f(x)在上单调递增,在上单调递减,在[a,2a]上单调递增.
所以f(-a)=-a3,f=a3,f(a)=-a3,
f(2a)=2a3,所以f(x)max=f(2a)=2a3,f(x)min=f(-a)=f(a)=-a3.
【方法归纳】
(1)含参数的函数最值问题的两类情况
①能根据条件确定出参数,从而化为不含参数函数的最值问题.
②对于不能求出参数值的问题,则要对参数进行讨论,其实质是讨论导函数大于0,等于0,小于0三种情况.若导函数恒不等于0,则函数在已知区间上是单调函数,最值在端点处取得;若导函数可能等于0,则求出极值点后求极值,再与端点值比较后确定最值.
(2)已知函数最值求参数值(范围)的思路
已知函数在某区间上的最值求参数的值(范围)是求函数最值的逆向思维,一般先求导数,利用导数研究函数的单调性及极值点,用参数表示出最值后求参数的值或范围.
【跟踪训练2】已知函数f(x)=ex-ax2-bx-1,其中a,b∈R,e=2.718 28…为自然对数的底数.设g(x)是函数f(x)的导函数.
(1)求函数g(x)在区间[0,1]上的最小值.
(2)当b=0时,若函数g(x)在区间[0,1]上的最小值为0,求a的值.
【解析】(1)由f(x)=ex-ax2-bx-1,
有g(x)=f′(x)=ex-2ax-b.所以g′(x)=ex-2a.
因此,当x∈[0,1]时,g′(x)∈[1-2a,e-2a].
当a≤时,g′(x)≥0,所以g(x)在[0,1]上单调递增,
因此g(x)在[0,1]上的最小值是g(0)=1-b;当a≥时,
g′(x)≤0,所以g(x)在[0,1]上单调递减,
因此g(x)在[0,1]上的最小值是g(1)=e-2a-b;
当所以函数g(x)在区间[0,ln(2a)]上单调递减,在区间(ln(2a),1]上单调递增.
于是,g(x)在[0,1]上的最小值是g(ln(2a))=2a- 2aln(2a)-b.
综上所述,当a≤时,g(x)在[0,1]上的最小值是g(0)=1-b;
当当a≥时,g(x)在[0,1]上的最小值是g(1)=e-2a-b.
(2)当b=0时,由(1)知,
若a≤,则g(x)min=g(0)=1,不符合题意,
若令2a-2aln(2a)=0,解得a=(舍去).
若a≥,则g(x)min=e-2a=0得a=.
综上所述a=.
题型三 函数的最值与不等式问题
【例3】已知函数f(x)=(x-1)3+m.
(1)若f(1)=1,求函数f(x)的单调区间;
(2)若关于x的不等式f(x)≥x3-1在区间[1,2]上恒成立,求m的取值范围.
【解析】(1)因为f(1)=1,所以m=1,
则f(x)=(x-1)3+1=x3-3x2+3x,
而f′(x)=3x2-6x+3=3(x-1)2≥0恒成立,
所以函数f(x)的单调递增区间为(-∞,+∞).
(2)不等式f(x)≥x3-1在区间[1,2]上恒成立,即不等式3x2-3x-m≤0在区间[1,2]上恒成立,
即不等式m≥3x2-3x在区间[1,2]上恒成立,即m不小于3x2-3x在区间[1,2]上的最大值.
因为x∈[1,2]时,
3x2-3x=32-∈[0,6],
所以m的取值范围是[6,+∞).
【变式探究2】本例(2)中的条件“关于x的不等式f(x)≥x3-1在区间[1,2]上恒成立”改为“关于x的不等式f(x)≥x3-1在区间[1,2]上有解”,则实数m的取值范围又如何?
【解析】不等式f(x)≥x3-1在区间[1,2]上有解,即不等式3x2-3x-m≤0在区间[1,2]上有解,
即不等式m≥3x2-3x在区间[1,2]上有解,即m不小于3x2-3x在区间[1,2]上的最小值.
因为x∈[1,2]时,
3x2-3x=32-∈[0,6],
所以m的取值范围是[0,+∞).
【方法归纳】
有关恒成立问题,一般是转化为求函数的最值问题.求解时要确定这个函数,看哪一个变量的范围已知,即函数是以已知范围的变量为自变量的函数.
一般地,λ≥f(x)恒成立 λ≥[f(x)]max;λ≤f(x)恒成立 λ≤[f(x)]min.
【跟踪训练3】已知函数f(x)=ax4ln x+bx4-c(x>0)在x=1处取得极值-3-c,其中a,b,c为常数.若对任意x>0,不等式f(x)≥-2c2恒成立,求c的取值范围.
【解析】由题意知f(1)=-3-c
因此b-c=-3-c,从而b=-3.
对f(x)求导,得f′(x)=4ax3ln x+ax4·+4bx3=x3(4aln x+a+4b).
由题意,知f′(1)=0,得a+4b=0,解得a=12,
从而f′(x)=48x3ln x(x>0).
令f′(x)=0,解得x=1.
当0当x>1时,f′(x)>0,此时f (x)为增函数.
所以f(x)在x=1处取得极小值f(1)=-3-c,
并且此极小值也是最小值.
所以要使f(x)≥-2c2(x>0)恒成立,
只需-3-c≥-2c2即可.
整理得2c2-c-3≥0,解得c≥或c≤-1.
所以c的取值范围为(-∞,-1]∪.
易错辨析 混淆极值与最值致错
【例4】已知函数f(x)=x3-ax2+bx+5,在x=-2和x=处取得极值.
(1)求函数f(x)的解析式.
(2)求函数f(x)在[-4,1]上的最值.
【解析】(1)因为f(x)=x3-ax2+bx+5,所以f′(x)=3x2-2ax+b,因为在x=-2和x=处取得极值,
所以解得
所以f(x)=x3+2x2-4x+5.
(2)因为f′(x)=3x2+4x-4,所以由f′(x)=0,解得x=-2或x=,所以f(x)在[-4,-2)上单调递增,在上单调递减,在上单调递增.因为f(-4)=-11,f(-2)=13,f=,f(1)=4.所以f(x)max=f(-2)=13,f(x)min=f(-4)=-11.
一、单选题
1.已知,,()是函数(且)的3个零点,则的取值范围是( )
A. B. C. D.
【答案】A
【分析】
显然,即,设,则,所以,构造函数,利用导数即可求解.
【解析】
解:显然,即,
设,则
所以,
所以,
因为恒成立,
所以在上单调递增,
所以,
故选:A.
2.已知函数,下列结论中正确的个数是( )
①的图象关于中心对称;②的图象关于对称;③的最大值为;④既是奇函数,又是周期函数.
A.1个 B.2个 C.3个 D.4个
【答案】C
【分析】
将原函数化为,然后结合的性质以及导数逐项判断即可.
【解析】
解:,令,则,,
对于①:,故的图象关于对称,故①正确;
对于②:,故的图象关于对称,故②正确;
对于③:令,得,因为,,,最大值为,故③错误;
对于④:,故是奇函数,
,故,故④正确.
故选:C.
3.函数的最大值为( )
A.32 B.27 C.16 D.40
【答案】A
【分析】
利用导数即可求解.
【解析】
因为,所以当时,;
当时,.
所以函数在上单调递增;在上单调递增,,
因此,的最大值为.
故选:A
4.的最大值与最小值之差为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【分析】
利用函数为奇函数,且其图像的对称性,利用导数可得函数的单调性和最值.
【解析】
,
设,则
则为奇函数,图像关于原点对称,其最大值与最小值是互为相反数,
即的最大值与最小值之差为,
当时,,
故的单调递增区间为,单调递减区间为,
所以,所以的最大值与最小值之差为
故选:B
5.已知经过圆锥的顶点与底面圆心的截面是边长为的正三角形,一个圆柱的下底面在该圆锥的底面上,上底面圆周在该圆锥的侧面上,则该圆柱的体积的最大值为( )
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】
设圆柱的底面半径为,高为,利用相似比得出,再由圆柱的体积公式即可求解.
【解析】
由题意设圆柱的底面半径为(),高为,
所以,解得,
所以圆柱的体积,
,令,解得,
,解得,,解得,
所以函数在上单调递增;在上单调递减;
所以.
故选:C
6.已知直线分别与函数和的图象交于点、,现给出下述结论:①;②;③;④,则其中正确的结论个数是( )
A.4 B.3 C.2 D.1
【答案】B
【分析】
根据函数和的图象关于对称,直线与垂直,可得,、,,关于对称,即可判断①;利用基本不等式即可判断②,构造,判断其单调性,即可判断③,由,判断其单调性,即可判断④.
【解析】
由题意直线与垂直,函数和的图象关于对称,
,、,,关于对称,则;①正确;
对于②:由,因为,则;②正确;
对于③:构造函数;则,
当时,可得,函数在单调递增;
当时,可得,函数在单调递减;
,,,③正确;
对于④:,,令函数,则
当时,可得,函数在单调递减;
当时,可得,函数在单调递增;
,不对,即④不对.
故选:B
7.下列函数中,的最小值是2的是( )
A. B.
C. D.
【答案】C
【分析】
对于A:取特殊值,代入后否定结论;
对于B:取特殊值,代入后否定结论;
对于C:利用导数判断单调性,求出最小值;
对于D:根据基本不等式利用的条件“一正二定三相等”进行判断.
【解析】
对于A:的定义域为.取特殊值,代入得y=-2<2.故A错误;
对于B:的定义域为.取特殊值,代入得y=e-1<2.故B错;
对于C:的定义域为R. .
令,解得;令,解得;所以在上单减,在上单增,所以当时,y取得最小值2.故C正确;
对于D:.令,则.
所以,当,记时取最小值,但是,所以的最小值不能取得.故D错误.
故选:C
8.已知函数,则下列说法错误的是( )
A.
B.函数的最大值为
C.若方程恰有两个不等的实根,则实数的取值范围为
D.若,则
【答案】C
【分析】
利用导数研究的单调性,即可判断A、B的正误;由在、上的值域,即可知恰有两个不等的实根时的取值范围;若,构造及并利用导数研究单调性,进而确定在上的符号判断的符号,再结合的单调性即可证.
【解析】
由题意,,当时,,单调递增;当时,,单调递减;
A:,正确;
B:的极大值,也是最大值为,正确;
C:∵时,即上;
时,即上;
∴要使恰有两个不等的实根,则,错误;
D:由知:若,令,,,
∴设,,则,
∴在上单调递增,即,故在上恒成立,
∴,即,又,,
由在上递减,即,故,正确.
故选:C
【点睛】
关键点点睛:利用导数研究函数的单调性,进而比较函数值的大小及最大值,再由的区间值域,确定恰有两个不等的实根时的范围;利用极值点偏移问题的解法证明即可.
二、多选题
9.已知函数,则下列结论正确的是( )
A.的周期为 B.的图象关于对称
C.的最大值为 D.在区间上单调递增
【答案】ACD
【分析】
根据周期函数的定义判断A,由对称性判断B,求导数,确定函数的单调性、最值判断CD.
【解析】
,
所以是函数的一个周期,A正确;
,,B错误;
,
则,
考虑一个周期长度的区间范围内,得,,,
- 0 - 0 + 0 -
减 减 极小值 增 极大值 减
,又,,
所以,C正确,由表格知D正确.
故选:ACD.
10.声音是物体振动产生的声波,其中包含着正弦函数,纯音的数学模型是函数,我们听到的声音是由纯音合成的,称之为复合音,若一个复合音的数学模型是函数,则下列结论正确的是( )
A.是的一个周期 B.在上是增函数
C.的最大值为 D.在上有个极值点
【答案】CD
【分析】
分别计算和的最小正周期,再由其最小公倍数即可得到的最小正周期为,即可判断A选项;设,
对求导,利用导数研究函数的单调性、极值和最值,即可判断BCD选项.
【解析】
解:因为:,
的最小正周期是,的最小正周期是,
所以的最小正周期是,故A不正确;
由题可知,取一周期,不放设,
由,
令得,,,
当,,为增函数,
当,,为减函数,
当,,为增函数,
所以在,上单调递增,在上为单调递减,故B不正确;
由于,,所以的最大值为,所以C正确;
由上可得在上,在和处取得极值点,
即在上有个极值点,故D正确.
故选:CD.
11.已知函数,则下列说法正确的是( )
A.
B.函数的最大值为1
C.若方程恰有两个不等的实根,则实数的取值范围为
D.若,则
【答案】ABD
【分析】
利用导数研究的单调性,即可判断A、B的正误;由在、上的值域,即可知恰有两个不等的实根时的取值范围;取 ,要证,即证,构造函数并利用导数研究单调性,进而确定在上的符号,即可证.
【解析】
由题意,,
当时,,单调递增;
当时,,单调递减;
即在上单调递增;在上单调递减,
A:,正确;
B:的极大值,也是最大值为,正确;
C:∵时,即上;
时,即上;
∴要使恰有两个不等的实根,则,错误;
D:不妨设 ,在上单调递增;在上单调递减,
若,则 ,
要证,即证,
,
只需证明,
即证明
令,
,
当时,,函数在上单调递增;
所以,
所以,即,故,正确.
故选:ABD
第II卷(非选择题)
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三、填空题
12.已知函数,则的最小值是______.
【答案】
【分析】
利用导数判断函数的单调性,从而求函数的最小值.
【解析】
由题意,得,
所以当时,,单调递增;
当时,,单调递减,
所以时取得最小值,此时.
当时,,
当时,,所以的最小值是.
13.已知对任意恒成立,则实数a的取值范围是_________.
【答案】
【分析】
将不等式化成,再两边取对数,分离参数并构造函数,求出函数的最值即可得解.
【解析】
,,而,
于是得:,,令,,
,当时,,当时,,
因此,在上单调递增,在上单调递减,即当时,,
于是得,解得,
所以实数a的取值范围是.
故答案为:
14.已知,(为常数),的最大值为,则_______.
【答案】2
【分析】
令,得到,然后对取对数,构建新的函数,然后利用导数得到,进一步得到,最后得到结果.
【解析】
令,所以,其中
,令,且
,
所以可知:,;,
所以函数在单调递增,在单调递减,
所以,
由,,所以函数在单调递增
所以
由,即,所以
故答案为:2
【点睛】
关键点点睛:关键在于使用换元,并构建函数,结合导数进行求解.
四、解答题
15.已知斜率为k的直线l与抛物线y2=4x交于A B两点,y轴上的点P使得△ABP是等边三角形.
(1)若k>0,证明:点P在y轴正半轴上;
(2)当取到最大值时,求实数k的值.
【答案】
(1)见解析
(2)
【分析】
(1)设,的中点为,则计算可得,从而可得点P在y轴正半轴上.
(2)结合(1)中的直线方程,利用弦长公式、韦达定理可得,利用导数可求何时取到最大值时,从而可求对应的斜率.
(1)
设,的中点为,,
因为,故直线的斜率存在,故,故,
故直线,故,
因为的中点为,故,故.
所以点P在y轴正半轴上.
(2)
当与轴垂直时,;
当与轴不垂直时,因为△ABP是等边三角形,故与轴不垂直,故.
由(1)可得即,
故,所以,
又,
由可得,
所以即且,
因为△ABP是等边三角形,故,
故,整理得到,此时成立.
由可得.
因为,故,其中.
设,,
则,
当时,;时,;
所以在上为增函数,在上为减函数,
故当时,的最大值为,
此时,
此时直线的斜率即.
【点睛】
思路点睛:对于抛物线中的计算问题,需考虑几何对象的合理假设,本题如果用斜率和截距表示直线方程,则计算量巨大,但如果设弦的中点,则可简化计算.另外注意导数在最值问题中的应用.
16.已知函数,其中,e为自然对数的底数.
(1)求函数的最小值;
(2)若函数在区间上有两个零点,求a的取值范围.
【答案】
(1)
(2)
【分析】
(1)利用导数求出函数的单调性,即得解;
(2)对分三种情况讨论分析函数的图象即得解.
(1)
解:∵,
∴.
令,得;令,得.
∴在上单调递减,在上单调递增.
∴.
(2)
解:由(1)知,
①当时,在区间上单调递增,此时在区间不可能有两个零点;
②当时,在区间上单调递减,此时在区间不可能有两个零点;
③当,即时,在区间上单调递减,在上单调递增,
又,∴,
∴当,即时,在区间上有一个零点.
∴当时,在区间上有两个零点.
17.已知函数.
(1)求函数的最小值;
(2)若有三个零点,
①求的取值范围;
②求证:.
【答案】
(1)
(2)① ;②证明见解析
【分析】
(1)令,求出,然后判断单调性即可求解;
(2)①:由(1)知,时,,在单调递增,不合题意;由函数零点存在定理可得在和内分别有唯一的零点记为,,则,在上单增,在上单减,在上单增,又由函数零点存在定理即可得有三个零点,符合题意;
②:记的三个零点大小为,即,又,则当时,成立,所以,即,化简,得,进而即可证明.
(1)
解:,
令,则,
当时,;当时,,
所以在单调递减,在单调递增,
所以的最小值为,即函数的最小值为;
(2)
解:①:由(1)知,时,,在单调递增,不合题意;
当时,,
,
,
所以在和内分别有唯一的零点记为,,则,
所以在上单增,在上单减,在上单增.
易知,1为的一个零点,,,
又,,
所以有三个零点,符合题意.
综上,.
②证明:不妨记的三个零点大小为,即.
又,即.
所以当时,成立.
即当,则,且,又在有且只有一个零点,
所以,即.
化简,得,
所以.
即.
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