2.3
函数的单调性
学案
1.理解函数单调性的定义.
2.会用函数单调性的定义判断函数的单调性.
3.能从给定的函数图像上直观得出函数的单调性及单调区间.
1.增函数
(1)定义:在函数y=f(x)的定义域内的一个区间A上,如果对于任意两数x1,x2∈A,当x1<x2时,都有________,那么,就称函数y=f(x)在区间A上是增加的,有时也称函数y=f(x)在区间A上是递增的.
设x1,x2∈A,x1≠x2,f(x)在A上是增加的(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]>0>0.
(2)几何意义:函数f(x)的图像在区间A上是____________的.
(3)图示:如图所示.
【做一做1】
下列命题正确的是(
).
A.定义在(a,b)上的函数f(x),如果存在x1,x2∈(a,b),使得x1<x2时,有f(x1)<f(x2),那么f(x)在(a,b)上为增函数
B.定义在(a,b)上的函数f(x),如果有无穷多对x1,x2∈(a,b),使得x1<x2时,有f(x1)<f(x2),那么f(x)在(a,b)上为增函数
C.如果f(x)在区间I1上为增函数,在区间I2上也为增函数,那么f(x)在I1∪I2上也一定为增函数
D.如果f(x)在区间I上为增函数且f(x1)<f(x2)(x1,x2∈I),那么x1<x2
2.减函数
(1)定义:在函数y=f(x)的定义域内的一个区间A上,如果对于任意两数x1,x2∈A,当x1<x2时,都有________,那么,就称函数y=f(x)在区间A上是减少的,有时也称函数y=f(x)在区间A上是递减的.
设x1,x2∈A,x1≠x2,f(x)在A上是减少的(x1-x2)[f(x1)-f(x2)]<0<0.
(2)几何意义:函数f(x)的图像在区间A上是__________的.
(3)图示:如图所示.
【做一做2-1】
设函数f(x)=(2a-1)x+b是R上的减函数,则有(
).
A.a≥
B.a≤
C.a>-
D.a<
【做一做2-2】
函数f(x)在R上是减函数,则有(
).
A.f(3)<f(5)
B.f(3)≤f(5)
C.f(3)>f(5)
D.f(3)≥f(5)
3.单调性
(1)定义:如果函数y=f(x)在定义域的某个子集上是______或是______,那么就称函数y=f(x)在这个子集上具有单调性.如果函数y=f(x)在__________内是增加的或是减少的,我们分别称这个函数为增函数或减函数,统称为单调函数.
(2)几何意义:函数f(x)的图像在区间A上是____或____的.
一个函数出现两个或者两个以上单调区间时,不能用“∪”而应该用“和”来表示.如函数y=,其定义域为(-∞,0)∪(0,+∞),不能说函数在(-∞,0)∪(0,+∞)上递减,而只能说函数在(-∞,0)和(0,+∞)上递减.
书写函数的单调区间时,区间端点的开或闭没有严格规定,习惯上,若函数在区间端点处有定义,则写成闭区间,当然写成开区间也可以;若函数在区间端点处没有定义,则必须写成开区间.
【做一做3-1】
函数y=-x2的单调增区间为(
).
A.(-∞,0]
B.[0,+∞)
C.(1,+∞)
D.(-∞,+∞)
【做一做3-2】
已知函数y=f(x)的图像如图所示,则它的单调减区间为__________.
4.最大值和最小值
(1)定义:一般地,对于函数y=f(x),其定义域为D,如果存在x0∈D,f(x0)=M,使得对于任意的x∈D,都有f(x)≤M[或f(x)≥M],那么,我们称M是函数y=f(x)的最大(小)值,即当x=x0时,f(x0)是函数y=f(x)的最大(小)值,记作ymax=f(x0)[或ymin=f(x0)].
(2)几何意义:函数y=f(x)的最大(小)值是其图像上最高(低)点的纵坐标.
【做一做4】
函数f(x)=x-1在区间[3,6]上的最大值和最小值分别是(
).
A.6,3
B.5,2
C.9,3
D.7,4
答案:1.(1)f(x1)<f(x2) (2)上升
【做一做1】
D A,B项中的x1,x2不具有任意性,C项中f(x)在I1和I2上均为增函数,但在I1∪I2上的单调性无法判定.
2.(1)f(x1)>f(x2) (2)下降
【做一做2-1】
D ∵f(x)是R上的减函数,
∴2a-1<0,即a<.
【做一做2-2】
C ∵函数f(x)在R上是减函数,3<5,
∴f(3)>f(5).
3.(1)增加的 减少的 整个定义域 (2)上升 下降
【做一做3-1】
A
【做一做3-2】
和
【做一做4】
B 函数f(x)=x-1在区间[3,6]上是增加的,则当3≤x≤6时,f(3)≤f(x)≤f(6),即2≤f(x)≤5,所以最大值和最小值分别是5,2.
理解函数的单调性
剖析:函数的单调性刻画了函数的图像特征,它反映了函数图像的变化趋势(当自变量增大时,函数值是增大还是减小,图像是上升还是下降);函数y=f(x)在区间D上是增函数(减函数),等价于对于D中任意的两个自变量x1,x2且x1<x2,都有f(x1)<f(x2)〔f(x1)>f(x2)〕,其中“任意”二字是关键,不能用具体的两个自变量代替,否则会产生错误.比如函数f(x)=,取x1=-1<x2=1,f(x1)=-1,f(x2)=1,f(x1)<f(x2),如果由此推出f(x)=是增函数就会产生错误,原因就在于x1,x2是定值,不具有任意性.
另一方面,从反面考虑,由于存在x1=-1<x2=1,f(x1)=-1,f(x2)=1,f(x1)<f(x2),我们可以下这样的结论:f(x)=在整个定义域上肯定不是减函数;由定义还可以看出,函数的单调性是函数定义域内某个区间上的性质,因此它是一个局部的性质,并且在考察单调性时,必须先看函数的定义域,如果一个函数有多个单调增(减)区间,这些增(减)区间应该用逗号隔开(即“局部”),而不能用并集的符号连接(并完之后就成了“整体”).例如f(x)=的单调减区间可以写成(0,+∞),(-∞,0)〔或者写成(0,+∞)和(-∞,0)〕,但不能写成(0,+∞)∪(-∞,0);由于函数的单调性是反映函数图像变化趋势的,所以在一点处没法讨论函数的单调性,比如函数y=x2的单调增区间可以写成(0,+∞),也可以写成[0,+∞),但是如果定义域中不包含这个点,则必须使用开区间表示;如果要证明一个函数的单调性,要严格按照定义进行,步骤如下:
(1)取值:在指定区间上任意取两个自变量x1,x2且x1<x2;
(2)变形:主要是配方或分解因式、通分等;
(3)定号:判断f(x1)-f(x2)的符号;
(4)结论:由定义给出结论.
题型一
判断或证明函数的单调性
【例1】
证明函数f(x)=x+在(0,1)上是减少的.
分析:在(0,1)上任取x1,x2,且x1<x2,只需证明f(x1)>f(x2)即可.
反思:证明函数单调性,主要有2种方法.
(1)定义法.其步骤是:①在所给的区间上任取两个自变量x1和x2,通常令x1<x2;②比较f(x1)和f(x2)的大小,通常是用作差比较法比较大小,此时比较它们大小的步骤是作差、变形、看符号;③再归纳结论.
(2)图像法.借助图像,依据函数单调性的几何意义来判断.此法适合客观题(选择题和填空题).
题型二
求函数的单调区间
【例2】
画出函数y=-x2+2|x|+3的图像,并指出函数的单调区间.
分析:只需画出函数的图像,看曲线在哪些区间是上升的,在哪些区间是下降的,即可确定函数的单调区间.
反思:利用函数图像确定函数的单调区间,具体做法是:先化简函数解析式,然后再画出它的草图,最后根据函数定义域与草图的位置、状态,确定函数的单调区间.
题型三
函数单调性的应用
【例3】
已知函数f(x)在区间(0,+∞)上是减函数,试比较f(a2-a+1)与f的大小.
分析:要比较两函数值的大小,需先比较自变量的大小.
反思:利用函数单调性的定义比较大小,一方面是正向应用,即若y=f(x)在给定区间上是增函数,当x1<x2时,f(x1)<f(x2),当x1>x2时,f(x1)>f(x2);另一方面是逆向应用,即若y=f(x)在给定区间上是增函数,当f(x1)<f(x2)时,x1<x2,当f(x1)>f(x2)时,x1>x2.
当y=f(x)在给定区间上是减函数时,同理可得相应的结论.
【例4】
已知f(x)是定义在[-1,1]上的增函数,且f(x-2)<f(1-x),求x的取值范围.
分析:欲求x的取值范围,需由f(x-2)<f(1-x)得出x-2与1-x的大小关系,同时要注意函数的定义域.
反思:解答此类问题的关键是充分利用函数的单调性,将函数值的不等关系转化为自变量取值的不等关系,即将抽象不等式转化为具体不等式求解.
题型四
单调性与最值的综合运用
【例5】
已知函数y=f(x)对任意x,y∈R均有f(x)+f(y)=f(x+y),且当x>0时,f(x)<0,f(1)=-.
(1)判断并证明f(x)在R上的单调性;
(2)求f(x)在[-3,3]上的最大、最小值.
分析:抽象函数的性质要紧扣定义,并同时注意特殊值的应用.
反思:证明函数的单调性,必须用定义严格证明,不能用特殊值去检验,判断函数的最值,往往从单调性入手.
题型五
易错辨析
易错点
对单调区间与在区间上单调两个概念理解错误
【例6】
若函数y=|x-a|在区间(-∞,4]上是减少的,则实数a的取值范围是__________.
错解:函数y=|x-a|的图像如图所示,由于函数在区间(-∞,4]上是减少的,因此a=4.
错因分析:错解中把函数在区间(-∞,4]上是减少的误认为函数的单调减区间是(-∞,4].若把原题目改为:函数y=|x-a|的单调减区间是(-∞,4],则a=4符合题意.
答案:【例1】
证明:设0<x1<x2<1,则
f(x1)-f(x2)=-
=(x1-x2)+=(x1-x2)
=.
∵0<x1<x2<1,∴x1x2-1<0,x1-x2<0.
则f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2).
∴f(x)=x+在(0,1)上是减少的.
【例2】
解:y=-x2+2|x|+3
=
函数图像如图所示.
函数在(-∞,-1]和[0,1]上是增加的;
函数在[-1,0]和[1,+∞)上是减少的.
所以函数的单调增区间是(-∞,-1]和[0,1],单调减区间是[-1,0]和[1,+∞).
【例3】
解:∵a2-a+1=2+≥,
∴与a2-a+1都是区间(0,+∞)上的值.
又∵f(x)在区间(0,+∞)上是减函数,
∴f≥f(a2-a+1).
【例4】
解:由题意可知解得1≤x≤2.
∵f(x)是定义在[-1,1]上的增函数,且f(x-2)<f(1-x),
∴x-2<1-x.∴x<.
∴1≤x<为满足题设条件的x的取值范围.
【例5】
解:(1)令x=y=0,可得f(0)=0,
令y=-x可得f(-x)=-f(x).
在R上任取x1<x2,则f(x2)-f(x1)=f(x2)+f(-x1)=f(x2-x1).
∵x1<x2,∴x2-x1>0.
又∵x>0时,f(x)<0,
∴f(x2-x1)<0,即f(x2)<f(x1).
由定义可知f(x)
在R上为单调递减函数.
(2)∵f(x)在R上是减函数,
∴f(x)在[-3,3]上是减少的.
∴f(-3)最大,f(3)最小.
f(3)=f(2)+f(1)=f(1)+f(1)+f(1)=3×=-2.
∴f(-3)=-f(3)=2,即f(x)在[-3,3]上的最大值为2,最小值为-2.
【例6】
正解:函数y=|x-a|的图像如图所示,所以只要a=4或a在4的右侧,都能保证函数y=|x-a|在区间(-∞,4]上是减少的,因此a≥4.
1
函数y=x2-6x+10在区间(2,4)上是(
).
A.递减函数
B.递增函数
C.先递增再递减
D.先递减再递增
2
函数的单调递减区间是(
).
A.[0,+∞)
B.(-∞,0]
C.(-∞,0),(0,+∞)
D.(-∞,0)∪(0,+∞)
3
下列函数中,在区间(0,2)上增加的是(
).
A.y=3-x
B.y=x2+1
C.y=-x2
D.y=x2-2x-3
4
函数f(x)=x2-|x|的单调递减区间是__________.
5
求证:函数f(x)=在(-1,+∞)上是减少的.
答案:1.D 由函数图像可知,函数y=x2-6x+10在区间(2,4)上先递减再递增,选D.
2.C 由y=的图像知,选C.
3.B (排除法)选项A,y=3-x在R上是减函数;选项C,y=-x2在(0,+∞)上是减少的;选项D,y=x2-2x-3=(x-1)2-4,当x≤1时,y是x的减函数,当x≥1时,y是x的增函数,而在(0,2)上并不严格单调,故选B.
4.和 当x≥0时,f(x)=x2-x,f(x)的单调减区间是,
当x<0时,f(x)=x2+x,f(x)的单调减区间是.
5.证明:任取x1,x2∈(-1,+∞),且x1<x2,
则f(x1)-f(x2)=.
∵x1,x2∈(-1,+∞),且x1<x2,
∴x1+1>0,x2+1>0,x2-x1>0.
∴f(x1)-f(x2)=>0.
∴f(x)=在(-1,+∞)上是减少的.