2019年数学湘教版选修2-2新设计同步（讲义）：第4章 4.3.2 函数的极大值和极小值

4．3.2　函数的极大值和极小值
[读教材·填要点]
1．极值与极值点
(1)极大值点与极大值：
设函数y＝f(x)在区间(a，b)内有定义，x0是(a，b)内的一个点，若点x0附近的函数值都小于f(x0)(即f(x)＜f(x0)，x∈(a，b))，就说f(x0)是函数y＝f(x)的一个极大值，x0称为f(x)的一个极大值点．
(2)极小值点与极小值：
设函数y＝f(x)在区间(a，b)内有定义，x0是(a，b)内的一个点，若点x0附近的函数值都大于f(x0)(即f(x)＞f(x0)，x∈(a，b))，就说f(x0)是函数y＝f(x)的一个极小值，x0称为f(x)的一个极小值点．
极大值和极小值统称极值，极大值点和极小值点统称为极值点．
2．极大值与极小值的判断
(1)如果f(x)在(a，x0]上递增，在[x0，b)上递减，则f(x)在x＝x0处取到极大值；
(2)如果f(x)在(a，x0]上递减，在[x0，b)上递增，则f(x)在x＝x0处取到极小值．
3．极值的求法
(1)求导数f′(x)；
(2)求f(x)的驻点，即求f′(x)＝0的根；
(3)检查f′(x)在驻点左右的符号，得到极大值或极小值．
[小问题·大思维]
1．导数为0的点都是极值点吗？
提示：不一定．y＝f(x)在x＝x0及附近有定义，且f′(x0)＝0，y＝f(x)是否在x＝x0处取得极值，还要看f′(x)在x0两侧的符号是否异号．例如f(x)＝x3，由f′(x)＝3x2知f′(0)＝0，但x＝0不是f(x)＝x3的极值点．
2．函数f(x)的定义域为开区间(a，b)，导函数f′(x)在(a，b)内的图象如图所示，则函数f(x)在开区间(a，b)内有几个极小值点？
提示：由图可知，在区间(a，x1)，(x2,0)，(0，x3)内f′(x)>0；在区间(x1，x2)，(x3，b)内f′(x)<0.即f(x)在(a，x1)内单调递增，在(x1，x2)内单调递减，在(x2，x3)内单调递增，在(x3，b)内单调递减．
所以函数f(x)在开区间(a，b)内只有一个极小值点，极小值点为x＝x2.
3．函数y＝f(x)在给定区间上一定有极值点吗？极大值是否一定比极小值大？
提示：(1)在一个给定的区间上，函数可能有若干个极值点，也可能不存在极值点；函数可以只有极大值，没有极小值，或者只有极小值没有极大值，也可能即有极大值，又有极小值．
(2)极大值不一定比极小值大，极小值也不一定比极大值小．
求函数的极值
求下列函数的极值：
(1)f(x)＝x4－2x2；(2)f(x)＝x2e－x.
[自主解答]　(1)函数f(x)的定义域为R.
f′(x)＝4x3－4x＝4x(x＋1)(x－1)．
令f′(x)＝0，得x＝0或x＝－1或x＝1.
列表：
x
(－∞，－1)
－1
(－1,0)
0
(0,1)
1
(1，＋∞)
f′(x)
－
0
＋
0
－
0
＋
f(x)
?
极小值
?
极大值
?
极小值
?
从表中可以看出：
当x＝0时，函数有极大值，且f(0)＝0；
当x＝－1或x＝1时，函数有极小值，
且f(－1)＝f(1)＝－1.
(2)函数的定义域为R.
f′(x)＝′＝
＝2xe－x－x2e－x＝x(2－x)e－x＝－e－xx(x－2)．
令f′(x)＝0，得x＝0或x＝2.
列表：
x
(－∞，0)
0
(0,2)
2
(2，＋∞)
f′(x)
－
0
＋
0
－
f(x)
?
极小值
?
极大值
?
由上表可以看出：当x＝0时，函数有极小值，且f(0)＝0；
当x＝2时，函数有极大值，且f(2)＝.
求可导函数f(x)极值的步骤
(1)求函数的导数f′(x)；
(2)令f′(x)＝0，求出全部的根x0；
(3)列表，方程的根x0将整个定义域分成若干个区间，把x，f′(x)，f(x)在每个区间内的变化情况列在这个表格内；
(4)判断得结论，若导数在x0附近左正右负，则在x0处取得极大值；若左负右正，则取得极小值．
要注意函数的定义域．
1．求函数f(x)＝－2的极值．
解：函数f(x)的定义域为R.
f′(x)＝＝－.
令f′(x)＝0，得x＝－1或x＝1.
当x变化时，f′(x)，f(x)的变化情况如下表：
x
(－∞，－1)
－1
(－1,1)
1
(1，＋∞)
f′(x)
－
0
＋
0
－
f(x)
?
－3
?
－1
?
所以当x＝－1时，函数有极小值，且f(x)极小值＝－3；
当x＝1时，函数有极大值，且f(x)极大值＝－1.
极值的逆运用
已知f(x)＝x3＋3ax2＋bx＋a2在x＝－1时有极值0.求a，b的值．
[自主解答]　∵f(x)在x＝－1时有极值0且
f′(x)＝3x2＋6ax＋b.
∴即
解得或
当a＝1，b＝3时，f′(x)＝3x2＋6x＋3＝3(x＋1)2≥0，
所以f(x)在R上为增函数，无极值，故舍去．
当a＝2，b＝9时，
f′(x)＝3x2＋12x＋9＝3(x＋1)(x＋3)．
当x∈(－∞，－3)时，f(x)为增函数；
当x∈(－3，－1)时，f(x)为减函数；
当x∈(－1，＋∞)时，f(x)为增函数．
所以f(x)在x＝－1时取得极小值，因此a＝2，b＝9.
若将“在x＝－1时有极值0”改为“在x＝－1和x＝3处有极值”，如何求解？
解：f′(x)＝3x2＋6ax＋b，
∵－1,3是f(x)的极值点，
∴－1,3是f′(x)＝0的两个根．
即－1,3是3x2＋6ax＋b＝0的两根．
由根与系数的关系知
解得a＝－1，b＝－9.
解决此类问题通常是利用函数的导数在极值点处的取值等于零来建立关于参数的方程，从而求出参数的值．需注意的是，可导函数在某点处的导数值等于零只是函数在该点处取得极值的必要条件，所以必须对求出的参数值进行检验，看是否符合函数取得极值的条件．
2．已知f(x)＝ax3＋bx2＋cx(a≠0)在x＝±1时取得极值，且f(1)＝－1.
(1)求常数a，b，c的值；
(2)判断x＝±1是函数的极小值还是极大值，并说明理由．
解：(1)f′(x)＝3ax2＋2bx＋c，
由f′(－1)＝f′(1)＝0，得3a＋2b＋c＝0,3a－2b＋c＝0.
又f(1)＝－1，∴a＋b＋c＝－1.
∴a＝，b＝0，c＝－.
(2)由(1)可得f(x)＝x3－x，
∴f′(x)＝x2－＝(x－1)(x＋1)．
当x＜－1或x＞1时，f′(x)＞0；
当－1＜x＜1时，f′(x)＜0，
∴函数f(x)在(－∞，－1)和(1，＋∞)上是增函数，
在(－1,1)上为减函数．
∴当x＝－1时，
函数取得极大值f(－1)＝1；
当x＝1时，函数取得极小值f(1)＝－1.
含参数的函数的极值问题
设a为实数，函数f(x)＝x3－x2－x＋a.
(1)求f(x)的极值；
(2)当a在什么范围内取值时，曲线y＝f(x)与x轴仅有一个交点．
[自主解答]　(1)f′(x)＝3x2－2x－1＝(x－1)(3x＋1)．
令f′(x)＝0，则x＝－或x＝1.
当x变化时，f′(x)，f(x)变化情况如下表：
x

－

1
(1，＋∞)
f′(x)
＋
0
－
0
＋
f(x)
?
极大值
?
极小值
?
所以f(x)的极大值是f＝＋a，极小值是f(1)＝a－1.
(2)函数f(x)＝x3－x2－x＋a
＝(x－1)2(x＋1)＋a－1.
由此可知x取足够大的正数时有f(x)＞0，x取足够小的负数时有f(x)＜0，
所以曲线y＝f(x)与x轴至少有一个交点．
结合f(x)的单调性可知，
当f(x)的极大值＋a＜0，
即a∈时它的极小值也小于0，
因此曲线y＝f(x)与x轴仅有一个交点，它在(1，＋∞)上；
当f(x)的极小值a－1＞0，即a∈(1，＋∞)时它的极大值也大于0，
因此曲线y＝f(x)与x轴仅有一个交点，它在上．
所以当a∈∪(1，＋∞)时，
曲线y＝f(x)与x轴仅有一个交点．
在本例(2)中，若将“曲线y＝f(x)与x轴仅有一个交点”改为“曲线y＝f(x)与x轴有三个交点”呢？
解：由于曲线y＝f(x)与x轴有三个交点，
∴f(x)极大值>0且f(x)极小值<0.
即解得－即a的取值范围为.
利用导数求极值，要先讨论函数的单调性，涉及参数时，必须对参数的取值情况进行讨论，在存在极值的情况下，求出极值．
3．已知函数f(x)＝x3－3ax＋b(a≠0)，求函数f(x)的单调区间与极值点．
解：f′(x)＝3(x2－a)(a≠0)，
当a<0时，f′(x)>0恒成立，
即函数在(－∞，＋∞)上单调递增，
此时函数没有极值点．
当a>0时，令f′(x)＝0，得x1＝，x2＝－，
当x变化时，f′(x)与f(x)的变化如下表：
x
(－∞，－)
－
(－，)

(，＋∞)
f′(x)
＋
0
－
0
＋
f(x)
?
极大值
?
极小值
?
因此，函数f(x)的单调递增区间为(－∞，－)和(，＋∞)，单调递减区间为(－，)，
此时x＝－是f(x)的极大值点，x＝是f(x)的极小值点．
a为何值时，方程x3－3x2－a＝0恰有一个实根、两个不等实根、三个不等实根，有没有可能无实根？
[巧思]　方程x3－3x2－a＝0根的个数，即为直线y＝a和函数f(x)＝x3－3x2图象交点的个数，因此可借助函数的单调性和极值画出函数f(x)＝x3－3x2的图象，然后借助图象判断根的个数．
[妙解]　令f(x)＝x3－3x2，则f(x)的定义域为R，
由f′(x)＝3x2－6x＝0，得x＝0或x＝2.
所以当x＜0或x＞2时，f′(x)＞0；
当0＜x＜2时，f′(x)＜0.
函数f(x)在x＝0处有极大值0，在x＝2处有极小值－4，
如图所示，故当a＞0或a＜－4时，原方程有一个根；
当a＝0或a＝－4时，原方程有两个不等实根；
当－4＜a＜0时，原方程有三个不等实根；
由图象可知，原方程不可能无实根．
1．若函数f(x)＝x3＋ax2＋3x－9在x＝－3时取得极值，则a等于(　　)
A．2　　　　　　　　　 　B．3
C．4 D．5
解析：f′(x)＝3x2＋2ax＋3，由题意知f′(－3)＝0，
即3×(－3)2＋2×(－3)a＋3＝0，解得a＝5.
答案：D
2.设函数f(x)在R上可导，其导函数为f′(x)，且函数y＝ (1－x)f′(x)的图象如图所示，则下列结论中一定成立的是(　　)
A．函数f(x)有极大值f(2)和极小值f(1)
B．函数f(x)有极大值f(－2)和极小值f(1)
C．函数f(x)有极大值f(2)和极小值f(－2)
D．函数f(x)有极大值f(－2)和极小值f(2)
解析：由题图可知，当x<－2时，f′(x)>0；当－22时，f′(x)>0.由此可以得到函数f(x)在x＝－2处取得极大值，在x＝2处取得极小值．
答案：D
3．若a＞0，b＞0，且函数?(x)＝4x3－ax2－2bx＋2在x＝1处有极值，则ab的最大值等于(　　)
A．2　　　　　　　 　B．3
C．6 D．9
解析：函数的导数为?′(x)＝12x2－2ax－2b，由函数?(x)在x＝1处有极值，
可知函数?(x)在x＝1处的导数值为零，
即12－2a－2b＝0，所以a＋b＝6.
由题意知a，b都是正实数，所以ab≤2＝2＝9，
当且仅当a＝b＝3时取到等号．
答案：D
4．若函数f(x)＝－x3＋6x2＋m的极大值为13，则实数m等于______．
解析：f′(x)＝－3x2＋12x＝－3x(x－4)．由f′(x)＝0，得x＝0或x＝4.
当x∈(－∞，0)∪(4，＋∞)时，f′(x)＜0；x∈(0,4)时，f′(x)＞0，
∴x＝4时f(x)取到极大值．故－64＋96＋m＝13，解得m＝－19.
答案：－19
5．若函数f(x)＝x3＋x2－ax－4在区间(－1,1)上恰有一个极值点，则实数a的取值范围为__________．
解析：由题意，f′(x)＝3x2＋2x－a，
则f′(－1)f′(1)<0，即(1－a)(5－a)<0，解得1另外，当a＝1时，函数f(x)＝x3＋x2－x－4在区间(－1，1)上恰有一个极值点，
当a＝5时，函数f(x)＝x3＋x2－5x－4在区间(－1,1)没有极值点．
故实数a的范围为[1,5)．
答案：[1,5)
6．已知函数f(x)＝ex(ax＋b)－x2－4x，曲线y＝f(x)在点(0，f(0))处的切线方程为y＝ 4x＋4.
(1)求a，b的值；
(2)讨论f(x)的单调性，并求f(x)的极大值．
解：(1)f′(x)＝ex(ax＋a＋b)－2x－4.
由已知得f(0)＝4，f′(0)＝4，故b＝4，a＋b＝8.
从而a＝4，b＝4.
(2)由(1)知，f(x)＝4ex(x＋1)－x2－4x，
f′(x)＝4ex(x＋2)－2x－4＝4(x＋2).
令f′(x)＝0，得x＝－ln 2或x＝－2.
从而当x∈(－∞，－2)∪(－ln 2，＋∞)时，f′(x)>0；当x∈(－2，－ln 2)时，f′(x)<0.
故f(x)在(－∞，－2)，(－ln 2，＋∞)上单调递增，在(－2，－ln 2)上单调递减．
当x＝－2时，函数f(x)取得极大值，
极大值为f(－2)＝4(1－e－2)．
一、选择题
1．当函数y＝x·2x取极小值时，x＝(　　)
A.　　　　　　　　　 　B．－
C．－ln 2 D．ln 2
解析：令y′＝2x＋x·2xln 2＝0，∴x＝－.
答案：B
2．已知函数y＝f(x)，其导函数y＝f′(x)的图象如图所示，则y＝f(x)(　　)
A．在(－∞，0)上为减函数　 　B．在x＝0处取极小值
C．在(4，＋∞)上为减函数 D．在x＝2处取极大值
解析：由导函数的图象可知：x∈(－∞，0)∪(2,4)时，f′(x)>0，即x∈(0,2)∪(4，＋∞)时，f′(x)<0，因此f(x)在(－∞，0)，(2,4)上为增函数，在(0,2)，(4，＋∞)上为减函数，所以x＝0取得极大值，x＝2取得极小值，x＝4取得极大值，因此选C.
答案：C
3．已知函数f(x)＝x3＋ax2＋bx－a2－7a在x＝1处取得极大值10，则的值为(　　)
A．－ B．－2
C．－2或－ D．2或－
解析：由题意知，f′(x)＝3x2＋2ax＋b，f′(1)＝0，f(1)＝10，
即解得或
经检验满足题意，故＝－.
答案：A
4．设函数f(x)＝exsin x，x∈[0，π]，则(　　)
A．x＝为f(x)的极小值点
B．x＝为f(x)的极大值点
C．x＝为f(x)的极小值点
D．x＝为f(x)的极大值点
解析：∵f(x)＝exsin x，
∴f′(x)＝ex(sin x＋cos x)
＝exsin，
由f′(x)≤0，得sin≤0，
∴2kπ＋π≤x＋≤2kπ＋2π(k∈Z)，
即2kπ＋≤x≤2kπ＋(k∈Z)，∵x∈[0，π]，
∴f(x)在上单调递增，f(x)在上单调递减，
∴x＝为f(x)的极大值点．
答案：D
二、填空题
5．已知函数y＝f(x)＝x3＋3ax2＋3bx＋c在x＝2处有极值，其图象在x＝1处的切线平行于直线6x＋2y＋5＝0，则f(x)的极大值与极小值之差为________．
解析：∵f′(x)＝3x2＋6ax＋3b，
∴?
∴f′(x)＝3x2－6x，令3x2－6x＝0，得x＝0或x＝2，
∴f(x)极大值－f(x)极小值＝f(0)－f(2)＝4.
答案：4
6．设a∈R，若函数y＝ex＋ax，x∈R有大于零的极值点，则a的取值范围为________．
解析：y′＝ex＋a，由y′＝0，得x＝ln(－a)，
由题意知ln(－a)>0，∴a<－1.
答案：(－∞，－1)
7．函数f(x)＝ax2＋bx在x＝处有极值，则b的值为________．
解析：f′(x)＝2ax＋b，∵函数f(x)在x＝处有极值，
∴f′＝2a·＋b＝0，即b＝－2.
答案：－2
8．若函数f(x)＝x3－6bx＋3b在(0,1)内有极小值，则实数b的取值范围是________．
解析：f′(x)＝3x2－6b，若f(x)在(0,1)内有极小值，
只需f′(0)·f′(1)＜0，
即－6b·(3－6b)＜0，解得0＜b＜.
答案：
三、解答题
9．设函数f(x)＝x2ex－1＋ax3＋bx2，已知x＝－2和x＝1为f(x)的极值点．
(1)求a和b的值；
(2)讨论f(x)的单调性．
解：(1)f′(x)＝ex－1(2x＋x2)＋3ax2＋2bx
＝xex－1(x＋2)＋x(3ax＋2b)，
因为x＝－2和x＝1是f(x)的极值点，
所以f′(－2)＝f′(1)＝0，
即解方程组得
(2)因为a＝－，b＝－1，
所以f′(x)＝x(x＋2)(ex－1－1)．
令f′(x)＝0，解得x1＝－2，x2＝0，x3＝1.
因为当x∈(－∞，－2)∪(0,1)时，f′(x)<0；
当x∈(－2,0)∪(1，＋∞)时，f′(x)>0，
所以f(x)在(－2,0)，(1，＋∞)上单调递增；在(－∞，－2)，(0,1)上单调递减．
10．设函数f(x)＝x3＋bx2＋cx＋d(a＞0)，且方程f′(x)－9x＝0的两个根分别为1,4.
(1)当a＝3且曲线y＝f(x)过原点时，求f(x)的解析式；
(2)若f(x)在(－∞，＋∞)内无极值点，求a的取值范围．
解：由f(x)＝x3＋bx2＋cx＋d，
得f′(x)＝ax2＋2bx＋c.
因为f′(x)－9x＝ax2＋2bx＋c－9x＝0的两个根分别为1,4，
所以(*)
(1)当a＝3时，由(*)式得
解得b＝－3，c＝12.
又因为曲线y＝f(x)过原点，所以d＝0，
故f(x)＝x3－3x2＋12x.
(2)由于a＞0，所以“f(x)＝x3＋bx2＋cx＋d在(－∞，＋∞)内无极值点
”等价于“f′(x)＝ax2＋2bx＋c≥0在(－∞，＋∞)内恒成立”．
由(*)式得2b＝9－5a，c＝4a.
又Δ＝(2b)2－4ac＝9(a－1)(a－9)．
解得a∈[1,9]．
即a的取值范围是[1,9]．