《创新课堂》5.3.2第三课时 利用导数解决与函数有关的问题 练习 高中数学选修2同步讲练测

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名称 《创新课堂》5.3.2第三课时 利用导数解决与函数有关的问题 练习 高中数学选修2同步讲练测
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资源类型 试卷
版本资源 人教A版(2019)
科目 数学
更新时间 2026-02-06 00:00:00

文档简介

第三课时 利用导数解决与函数有关的问题
课标要求
1.会利用导数画函数的大致图象(数学抽象、数学运算). 2.结合函数图象利用导数研究函数的零点的问题(逻辑推理、数学运算). 3.利用导数解决生活中的实际问题(数学建模、数学运算).
知识点一|利用导数画函数的大致图象
【例1】 已知f(x)=(a-x+1)ex,其中a>0,试画出函数f(x)的大致图象.
解:∵f(x)=(a-x+1)ex,∴f'(x)=(a-x)ex,
则当x<a时,f'(x)>0,f(x)在(-∞,a)上单调递增;
当x>a时,f'(x)<0,f(x)在(a,+∞)上单调递减,
∴f(x)在x=a处取得最大值f(a)=ea,且当x→+∞时,f(x)→-∞,当x→-∞时,f(x)→0,
则f(x)=(a-x+1)ex的大致图象如图所示.
【规律方法】
利用导数画函数大致图象的步骤
(1)确定函数的定义域;
(2)利用导数确定函数的单调性与极值;
(3)确定f(x)的图象经过一些特殊点,以及图象的变化趋势;
(4)画出f(x)的大致图象.
训练1 试画出函数f(x)=的大致图象.
解:∵f(x)=,∴f'(x)=(x>0),
令g(x)=1+-ln x,则g'(x)=--=-<0,
∴g(x)在(0,+∞)上是减函数,
又g(e)=>0,g(e2)=1+-ln e2=-1<0,∴存在x0∈(e,e2),使得g(x0)=0,
∴当x∈(0,x0)时,g(x)>0,f'(x)>0,f(x)单调递增,
当x∈(x0,+∞)时,g(x)<0,f'(x)<0,f(x)单调递减,
且当x→0时,f(x)→-∞,当x→+∞时,f(x)→0,故f(x)的大致图象如图所示.
知识点二|利用导数研究函数的零点与方程的根
【例2】 判断函数f(x)=ex(x2-2x+1)-x的零点个数.
解:由f(x)=0,得x2-2x+1=.
令g(x)=,则函数f(x)=ex(x2-2x+1)-x的零点等价于函数y=x2-2x+1与y=g(x)图象的交点,
g'(x)=,令g'(x)>0,得x<1,令g'(x)<0,得x>1,
所以g(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
所以g(x)max=g(1)=,
又g(0)=0,
作出函数y=x2-2x+1=(x-1)2与y=g(x)的图象,如图所示,数形结合可得函数f(x)有2个零点.
【规律方法】
利用导数确定函数零点或方程根的个数的方法
(1)数形结合:将函数的零点或方程的根转化为两函数图象的交点,利用导数画出函数的大致图象,进而得到函数零点的个数;
(2)利用函数零点存在定理:先用该定理判断函数在某区间上有零点,然后利用导数研究函数的单调性、极值和区间端点处的函数值的符号,进而判断函数在该区间上的零点个数.
训练2 已知f(x)=ln x.
(1)求的极值;
解:令g(x)==,且x∈(0,+∞),则g'(x)=,
当0<x<e时g'(x)>0,当x>e时g'(x)<0,
所以g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,
故g(x)=的极大值为g(e)=,无极小值.
(2)若函数y=f(x)-ax存在两个零点,求a的取值范围.
解:由题设,a=有两个根,即y=a与g(x)=有两个交点,
由(1)知:g(x)在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减,
在(0,1)上g(x)<0,在(1,+∞)上g(x)>0,且当x趋向正无穷时g(x)趋向于0,
综上,只需0<a<g(e)=,即a∈.
故a的取值范围为(0,).
知识点三|生活中的优化问题
【例3】 某企业在2025年全年内计划生产某种产品的数量为x百件,生产过程中总成本w(x)(万元)是关于x(百件)的一次函数,且w(1)=57,w(10)=120.预计生产的产品能全部售完,且当年产量为x百件时,每百件产品的销售收入G(x)(万元)满足G(x)=-+++4.
(1)写出该企业2025年生产这种产品的利润F(x)(万元)关于年产量x(百件)的函数关系式;
解:设w(x)=kx+b,
由可得解得
所以w(x)=7x+50,
依题意得,F(x)=xG(x)-50-7x
=x-50-7x
=-+20ln x-3x+34(x>0).
(2)2025年产量为多少百件时,该企业在这种产品的生产中获利最大?最大利润是多少?
(参考数据:ln 2≈0.69,ln 3≈1.10,ln 5≈1.61,ln 7≈1.95)
解:由(1)得,F(x)=-+20ln x-3x+34,
则F'(x)=+-3==-,
令F'(x)>0,得0<x<7,令F'(x)<0,得x>7,
所以F(x)在(0,7)上单调递增,在(7,+∞)上单调递减,
所以当x=7时,有F(x)max =F(7)=20ln 7+12≈20×1.95+12=51,
故当2025年产量为7百件时,该企业在这种生产中获利最大且最大利润为51万元.
【规律方法】
利用导数解决实际问题时的三个注意点
(1)当问题中涉及多个变量时,应根据题意分析它们的关系,找出变量间的关系式;
(2)确定函数关系式中自变量的取值范围;
(3)所得的结果要符合问题的实际意义.
训练3 某村庄拟修建一个无盖的圆柱形蓄水池(不计厚度).设该蓄水池的底面半径为r m,高为h m,体积为V m3.假设建造成本仅与表面积有关,侧面的建造成本为100元/m2,底面的建造成本为160元/m2,该蓄水池的总建造成本为12 000π元(π为圆周率).
(1)将V表示成r的函数V(r),并求该函数的定义域;
解:由已知得,蓄水池侧面的建造成本为100·2πrh=200πrh(元),底面的建造成本为160πr2(元),
所以蓄水池的总建造成本为200πrh+160πr2=12 000π,
所以h=(300-4r2),
从而V(r)=πr2h=(300r-4r3).
由h>0且r>0,可得0<r<5,故函数V(r)的定义域为(0,5).
(2)讨论函数V(r)的单调性,并确定r和h为何值时该蓄水池的体积最大.
解:因为V(r)=(300r-4r3),
所以V'(r)=(300-12r2).令V'(r)=0,解得r=5(负值舍去).
当r∈(0,5)时,V'(r)>0,故V(r)在(0,5)上单调递增;
当r∈(5,5)时,V'(r)<0,故V(r)在(5,5)上单调递减.
由此可知,V(r)在r=5处取得极大值,也是最大值,此时h=8,即当r=5,h=8时,该蓄水池的体积最大.
1.某莲藕种植塘每年的固定成本是3万元,每年最大规模的种植量是15万斤,每种植1斤莲藕,成本增加1元,销售额y(单位:万元)与莲藕种植量x(单位:万斤)满足y=-x3+3x2+x,要使销售利润最大,每年需种植莲藕(  )
A.12万斤 B.10万斤
C.8万斤 D.6万斤
解析:A 设销售利润为g(x),则g(x)=-x3+3x2+x-3-x=-x3+3x2-3,0<x≤15,所以g'(x)=-x2+6x=-x(x-12),令g'(x)>0得0<x<12,令g'(x)<0得12<x≤15,可知g(x)在(0,12)上单调递增,在(12,15]上单调递减,
所以当x=12时,销售利润最大.故选A.
2.函数f(x)=(x-1)ex的图象大致为(  )
解析:A 由f'(x)=xex,可得函数f(x)的单调递减区间为(-∞,0),单调递增区间为(0,+∞),且当x<0时,f(x)<0,故选A.
3.已知函数f(x)=(x2+a)ex有最小值,则函数y=f'(x)的零点个数为(  )
A.0 B.1
C.2 D.不确定
解析:C 由题意得f'(x)=(x2+2x+a)ex,因为函数f(x)有最小值,且ex>0,所以函数存在单调递减区间,即f'(x)<0有解,所以x2+2x+a=0有两个不等实根,所以函数y=f'(x)的零点个数为2.
4.已知函数f(x)=ex-x-a,若函数y=f(x)有零点,则实数a的取值范围是 [1,+∞) .
解析:函数y=f(x)有零点等价于方程ex-x=a有解,令g(x)=ex-x,g'(x)=ex-1,当x>0时,g'(x)>0,函数g(x)单调递增;当x<0时,g'(x)<0,函数g(x)单调递减,又g(0)=1,所以a≥1.
课堂小结
1.理清单
(1)利用导数画函数的大致图象;
(2)利用导数研究函数的零点与方程的根;
(3)导数在实际问题中的应用.
2.应体会
利用导数研究函数的零点问题时,要注意数形结合思想和分类讨论思想的应用.
3.避易错
不能正确分析函数图象的变化趋势,从而不能正确得到函数零点的个数.
1.函数f(x)=x3-12x-16的零点个数为(  )
A.0 B.1
C.2 D.3
解析:C 由题意得f'(x)=3x2-12=3(x+2)·(x-2),令f'(x)>0,得x>2或x<-2;令f'(x)<0,得-2<x<2,所以函数的单调递增区间为(-∞,-2),(2,+∞),单调递减区间为(-2,2),所以函数的极大值为f(-2)=0,极小值为f(2)=-32,当x→-∞时,f(x)<0,当x→+∞时,f(x)>0,所以函数的零点个数为2.
2.若函数f(x)=ln x+-a在区间(1,e)上只有一个零点,则实数a的取值范围为(  )
A.a≤1 B.a>e
C.1<a<+1 D.<a<1
解析:C 令ln x+-a=0,则ln x+=a,因为函数f(x)=ln x+-a在区间(1,e)上只有一个零点,则函数g(x)=ln x+与函数h(x)=a的图象在区间(1,e)上只有一个交点,又在区间(1,e)上g'(x)=-=>0,所以g(x)=ln x+在(1,e)上单调递增,故g(x)∈(1,1+),所以1<a<+1.
3.要做一个圆锥形漏斗,其母线长为20 cm,要使其体积最大,则高应为(  )
A. cm B. cm
C. cm D. cm
解析:B 设圆锥的高为h cm,0<h<20,∴V圆锥=π(202-h2)h=π(400-h2)h,∴V'=π(400-3h2),令V'=0得h=,当h∈时,V'>0,当h∈时,V'<0,故当h=时,体积最大.
4.函数f(x)=ex+ax(a<0)的图象可以是(  )
解析:B 由题可知,a<0,所以当x<0时,f(x)>0,又f'(x)=ex+a,令f'(x)>0,则x>ln(-a),令f'(x)<0,则x<ln(-a),所以函数f(x)在(-∞,ln(-a))上单调递减,在(ln(-a),+∞)上单调递增,故选B.
5.设函数f(x)=若函数y=f(x)-b有两个零点,则实数b的取值范围是(  )
A.(0,1) B.[0,1)
C.[0,1] D.[0,1]∪{-e-2}
解析:D 当x>0时,函数f(x)=ln x单调递增;当x≤0时,f(x)=ex(x+1),则f'(x)=ex(x+2)=0时,x=-2,所以当x<-2时,f'(x)<0,当-2<x≤0时,f'(x)>0,故当x≤0时,f(x)在(-∞,-2)上单调递减,在(-2,0)上单调递增,所以f(x)在x=-2处取极小值,极小值为f(-2)=-e-2,又当x=0时,f(x)=1,当x→-∞,f(x)→0,作出函数f(x)的图象如图,
函数y=f(x)-b有两个零点,即函数y=f(x)与y=b有两个交点,由图知当b∈[0,1]∪{-e-2}时函数y=f(x)与y=b有两个交点,所以实数b的取值范围为[0,1]∪{-e-2}.故选D.
6.〔多选〕已知函数f(x)=,则下列结论正确的是(  )
A.函数f(x)存在两个不同的零点
B.函数f(x)既存在极大值又存在极小值
C.当-e<k<0时,方程f(x)=k有且只有两个实根
D.若x∈[t,+∞)时,f(x)max=,则t的最小值为2
解析:ABC A项,由f(x)=0,得x2+x-1=0,解得x=,所以A正确;B项,f'(x)=-=-,当f'(x)>0时,-1<x<2;当f'(x)<0时,x<-1或x>2,所以函数的单调递减区间为(-∞,-1),(2,+∞),函数的单调递增区间为(-1,2),所以f(-1)是函数的极小值,f(2)是函数的极大值,所以B正确;C项,当x→+∞时,f(x)→0,根据B项可知,函数的最小值是f(-1)=-e,当x=2时,f(2)=,画出函数f(x)的图象,如图所示,易知,当-e<k<0时,方程f(x)=k有且只有两个实根,所以C正确;D项,由f(2)=,根据图象可知,t的最大值是2,所以D不正确.
7.已知函数f(x)=3ln x-x2+2x-3ln 3-,则方程f(x)=0的解的个数是 1 .
解析:因为f(x)=3ln x-x2+2x-3ln 3-(x>0),所以f'(x)=-x+2==.令f'(x)=0,得x=3或x=-1(舍去),当x∈(0,3)时,f'(x)>0,f(x)单调递增;当x∈(3,+∞)时,f'(x)<0,f(x)单调递减,所以f(x)max=f(3)=3ln 3-+6-3ln 3-=0.所以方程f(x)=0只有一个解.
8.某公司租地建仓库,每月土地占用费y1与仓库到车站的距离成反比,而每月库存货物的运费y2与仓库到车站的距离成正比.如果在距离车站10 km处建仓库,这两项费用y1和y2分别为2万元和8万元,那么,要使这两项费用之和最小,仓库应建在离车站 5  km处.
解析:依题意可设每月土地占用费y1=,每月库存货物的运费y2=k2x,其中x是仓库到车站的距离.由2=,得k1=20;由8=10k2,得k2=.因此两项费用之和为y=+.y'=-+.令y'=-+=0,得x=5(x=-5舍去),且当x>5时,y'>0;当0<x<5时,y'<0,故当仓库建在离车站5 km处时,两项费用之和最小.
9.已知曲线f(x)=-x3+3x2+9x+a与x轴只有一个交点,则实数a的取值范围为 {a|a<-27或a>5} .
解析:f'(x)=-3x2+6x+9.令f'(x)=0,解得x=-1或x=3.当f'(x)>0时,-1<x<3;当f'(x)<0时,x<-1或x>3,所以当x=-1时,f(x)取得极小值f(-1)=a-5;当x=3时,f(x)取得极大值f(3)=a+27.画出大致图象,要使f(x)的图象与x轴只有一个交点,只需极大值小于0(如图1)或极小值大于0(如图2),
所以a+27<0或a-5>0,解得a<-27或a>5,故实数a的取值范围为{a|a<-27或a>5}.
10.现有一张长为40 cm,宽为30 cm的长方形铁皮ABCD,准备用它做成一只无盖长方体铁皮盒,要求材料利用率为100%,不考虑焊接处损失.如图,在长方形ABCD的一个角剪下一块正方形铁皮,作为铁皮盒的底面,用余下材料剪拼后作为铁皮盒的侧面,设长方体的底面边长为x cm,高为y cm,体积为V(cm3).
(1)求出x与y的关系式;
(2)求该铁皮盒体积V的最大值.
解:(1)因为材料利用率为100%,
所以x2+4xy=40×30,即y=.
因为长方形铁皮ABCD的长为40 cm,宽为30 cm,故0<x≤30,
综上,y=,0<x≤30.
(2)铁皮盒体积
V(x)=x2y=x2·=(1 200x-x3),
V'(x)=(1 200-3x2),令V'(x)=0,得x=20,当x变化时,V'(x),V(x)的变化情况如下:
x (0,20) 20 (20,30]
V'(x) + 0 -
V(x) 单调递增 4 000 单调递减
所以V(x)在(0,20)上单调递增,在(20,30]上单调递减,
当x=20时,V(x)取最大值,最大值为4 000 cm3.
11.方程x2=ex的实根个数为(  )
A.0    B.1    C.2    D.3
解析:B 设f(x)=ex-x2,则f'(x)=ex-2x,令g(x)=f'(x)=ex-2x,则g'(x)=ex-2,令g'(x)=0,得x=ln 2,当x<ln 2时,g'(x)<0;当x>ln 2时,g'(x)>0,所以g(x)在(-∞,ln 2)上单调递减,在(ln 2,+∞)上单调递增,所以当x=ln 2时,g(x)取得极小值,也是最小值,即f'(x)min=f'(ln 2)=eln 2-2ln 2=2(1-ln 2)>0,即f'(x)>0在(-∞,+∞)上恒成立,所以f(x)=ex-x2在(-∞,+∞)上是增函数,又f(0)=1>0,f(-1)=-1<0,所以函数f(x)=ex-x2存在唯一的零点,即方程x2=ex只有1个实根.
12.〔多选〕函数f(x)=ln(ax)-x的图象可能是(  )
解析:ABC ①当a>0时,f(x)的定义域为(0,+∞),f'(x)=-1=,令f'(x)=0,解得x=1,x∈(0,1)时,f'(x)>0,f(x)单调递增,x∈(1,+∞)时,f'(x)<0,f(x)单调递减,所以f(x)max=f(1)=ln a-1.当0<a<e时,f(1)<0,选项B符合;当a>e时,f(1)>0,选项C符合;当a=e时,f(1)=0,没有满足要求的图象.②当a<0时,f(x)的定义域为(-∞,0),此时f(x)在(-∞,0)上单调递减,当x→-∞时,f(x)→+∞,当x→0时,f(x)→-∞,选项A符合.故选A、B、C.
13.已知方程|ln x|=ax有三个实数解,则实数a的取值范围为 (0,) .
解析:因为方程|ln x|=ax有三个实数解,所以函数y=|ln x|与y=ax的图象有三个交点,作出y=|ln x|的图象如图,当a≤0时,函数y=|ln x|与y=ax的图象至多有1个交点,不符合题意;当a>0时,设y=ln x与y=ax相切于点P(x0,y0),则y0=ln x0=ax0,又因为对y=ln x,y'=,所以a=,所以x0=e,ae=1,所以a=,所以函数y=|ln x|与y=ax的图象有三个交点时0<a<.
14.已知函数f(x)=ln x+,m∈R,讨论函数g(x)=f'(x)-零点的个数.
解:由题意知g(x)=f'(x)-=--(x>0),
令g(x)=0,得m=-x3+x(x>0).
设φ(x)=-x3+x(x>0),
则φ'(x)=-x2+1=-(x-1)(x+1),
当x∈(0,1)时,φ'(x)>0,φ(x)在(0,1)上单调递增;
当x∈(1,+∞)时,φ'(x)<0,φ(x)在(1,+∞)上单调递减.
所以x=1是φ(x)的唯一极值点且是极大值点,
因此x=1也是φ(x)的最大值点,
所以φ(x)的最大值为φ(1)=.
又φ(0)=0,且x→+∞时,φ(x)→-∞,结合y=φ(x)的图象(如图),
可知①当m>时,函数g(x)无零点;
②当m=时,函数g(x)有且只有一个零点;
③当0<m<时,函数g(x)有两个零点;
④当m≤0时,函数g(x)有且只有一个零点.
综上所述,当m>时,函数g(x)无零点;
当m=或m≤0时,函数g(x)有且只有一个零点;
当0<m<时,函数g(x)有两个零点.
15.给定函数f(x)=ex-x.
(1)判断函数f(x)的单调性,并求出f(x)的值域;
(2)画出函数f(x)的大致图象;
(3)求出方程f(x)=m(m∈R)在区间[-1,2]上的根的个数.
解:(1)函数f(x)的定义域为R,f'(x)=ex-1,
令f'(x)=0,解得x=0.
当x变化时,f'(x),f(x)的变化情况如表所示:
x (-∞,0) 0 (0,+∞)
f'(x) - 0 +
f(x) 单调递减 1 单调递增
所以f(x)在区间(-∞,0)上单调递减,在区间(0,+∞)上单调递增.
当x=0时,f(x)取得极小值f(0)=1,也是最小值,故函数f(x)的值域为[1,+∞).
(2)由(1)可知,函数的最小值为1.
函数的图象经过特殊点f(-1)=+1,f(2)=e2-2,f(0)=1,
当x→+∞时,f(x)→+∞,f'(x)→+∞;
当x→-∞时,指数函数y=ex越来越小,趋向于0,因此函数f(x)图象上的点逐渐趋向于直线y=-x,根据上述信息,画出函数f(x)的大致图象如图所示.
(3)截取函数f(x)在区间[-1,2]上的图象如图所示.
由图象知,当f(0)<m≤f(-1),即当m∈(1,+1]时,f(x)与y=m恰有两个不同的交点,即当m∈(1,+1]时,方程f(x)=m在区间[-1,2]上恰有两个不同的实根;
同理,当m=1或+1<m≤e2-2时,方程f(x)=m在区间[-1,2]上有唯一的实根;
当m<1或m>e2-2时,方程f(x)=m在区间[-1,2]上无实根.
10 / 10第三课时 利用导数解决与函数有关的问题
1.函数f(x)=x3-12x-16的零点个数为(  )
A.0 B.1
C.2 D.3
2.若函数f(x)=ln x+-a在区间(1,e)上只有一个零点,则实数a的取值范围为(  )
A.a≤1 B.a>e
C.1<a<+1 D.<a<1
3.要做一个圆锥形漏斗,其母线长为20 cm,要使其体积最大,则高应为(  )
A. cm B. cm
C. cm D. cm
4.函数f(x)=ex+ax(a<0)的图象可以是(  )
5.设函数f(x)=若函数y=f(x)-b有两个零点,则实数b的取值范围是(  )
A.(0,1) B.[0,1)
C.[0,1] D.[0,1]∪{-e-2}
6.〔多选〕已知函数f(x)=,则下列结论正确的是(  )
A.函数f(x)存在两个不同的零点
B.函数f(x)既存在极大值又存在极小值
C.当-e<k<0时,方程f(x)=k有且只有两个实根
D.若x∈[t,+∞)时,f(x)max=,则t的最小值为2
7.已知函数f(x)=3ln x-x2+2x-3ln 3-,则方程f(x)=0的解的个数是    .
8.某公司租地建仓库,每月土地占用费y1与仓库到车站的距离成反比,而每月库存货物的运费y2与仓库到车站的距离成正比.如果在距离车站10 km处建仓库,这两项费用y1和y2分别为2万元和8万元,那么,要使这两项费用之和最小,仓库应建在离车站     km处.
9.已知曲线f(x)=-x3+3x2+9x+a与x轴只有一个交点,则实数a的取值范围为    .
10.现有一张长为40 cm,宽为30 cm的长方形铁皮ABCD,准备用它做成一只无盖长方体铁皮盒,要求材料利用率为100%,不考虑焊接处损失.如图,在长方形ABCD的一个角剪下一块正方形铁皮,作为铁皮盒的底面,用余下材料剪拼后作为铁皮盒的侧面,设长方体的底面边长为x cm,高为y cm,体积为V(cm3).
(1)求出x与y的关系式;
(2)求该铁皮盒体积V的最大值.
11.方程x2=ex的实根个数为(  )
A.0 B.1
C.2 D.3
12.〔多选〕函数f(x)=ln(ax)-x的图象可能是(  )
13.已知方程|ln x|=ax有三个实数解,则实数a的取值范围为    .
14.已知函数f(x)=ln x+,m∈R,讨论函数g(x)=f'(x)-零点的个数.
15.给定函数f(x)=ex-x.
(1)判断函数f(x)的单调性,并求出f(x)的值域;
(2)画出函数f(x)的大致图象;
(3)求出方程f(x)=m(m∈R)在区间[-1,2]上的根的个数.
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