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7第七讲 函数的单调性及最值(教师版)

第一课时:单调性知识点一 函数的单调性思考 画出函数f (x )=x 、f (x )=x 2的图象,并指出f (x )=x 、f (x )=x 2的图象的升降情况如何? 答案 两函数的图象如下:函数f (x )=x 的图象由左到右是上升的;函数f (x )=x 2的图象在y 轴左侧是下降的,在y 轴右侧是上升的. 梳理 一般地,单调性是相对于区间来说的,函数图象在某区间上上升,则函数在该区间上为增函数,该区间称为增区间.反之则为减函数,相应区间称为减区间.因为很多时候我们不知道函数图象是什么样的,而且用上升下降来刻画单调性很粗糙.所以有以下定义: 设函数f (x )的定义域为I :(1)如果对于定义域I 内某个区间D 上的任意两个自变量的值x 1,x 2,当x 1<x 2时,都有f (x 1)<f (x 2),那么就说函数f (x )在区间D 上是增函数.(2)如果对于定义域I 内某个区间D 上的任意两个自变量的值x 1,x 2,当x 1<x 2时,都有f (x 1)>f (x 2),那么就说函数f (x )在区间D 上是减函数. 知识点二 函数的单调区间思考 我们已经知道f (x )=x 2的减区间为(-∞,0],f (x)=1x 的减区间为(-∞,0),这两个减区间能不能交换?答案 f (x )=x 2的减区间可以写成(-∞,0),而f (x )=1x的减区间(-∞,0)不能写成(-∞,0],因为0不属第七节.函数的单调性与最值 基本不等式于f (x )=1x的定义域.梳理 一般地,有下列常识:(1)函数单调性关注的是整个区间上的性质,单独一点不存在单调性问题,所以单调区间的端点若属于定义域,则该点处区间可开可闭,若区间端点不属于定义域则只能开. (2)单调区间D ⊆定义域I .(3)遵循最简原则,单调区间应尽可能大.类型一 求单调区间并判断单调性例1 如图是定义在区间[-5,5]上的函数y =f (x ),根据图象说出函数的单调区间,以及在每一单调区间上,它是增函数还是减函数?解 y =f (x )的单调区间有[-5,-2],[-2,1],[1,3],[3,5],其中y =f (x )在区间[-5,-2],[1,3]上是减函数,在区间[-2,1],[3,5]上是增函数.反思与感悟 函数的单调性是在定义域内的某个区间上的性质,单调区间是定义域的子集;当函数出现两个以上单调区间时,单调区间之间可用“,”分开,不能用“∪”,可以用“和”来表示;在单调区间D 上函数要么是增函数,要么是减函数,不能二者兼有.跟踪训练1 写出函数y =|x 2-2x -3|的单调区间,并指出单调性.解 先画出f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧x 2-2x -3,x <-1或x >3,-(x 2-2x -3),-1≤x ≤3的图象,如图.所以y =|x 2-2x -3|的单调区间有(-∞,-1],[-1,1],[1,3],[3,+∞),其中单调减区间是(-∞,-1],[1,3];单调增区间是[-1,1],[3,+∞). 类型二 证明单调性命题角度1 证明具体函数的单调性例2 求证:函数f (x )=x +1x在[1,+∞)上是增函数.证明 设x 1,x 2是实数集R 上的任意实数,且1≤x 1<x 2,则f (x 1)-f (x 2)=x 1+1x 1-(x 2+1x 2)=(x 1-x 2)+(1x 1-1x 2)=(x 1-x 2)+x 2-x 1x 1x 2=(x 1-x 2)(1-1x 1x 2)=(x 1-x 2)(x 1x 2-1x 1x 2). ∵1≤x 1<x 2,∴x 1-x 2<0,1<x 1x 2, ∴x 1x 2-1x 1x 2>0,故(x 1-x 2)(x 1x 2-1x 1x 2)<0, 即f (x 1)-f (x 2)<0,即f (x 1)<f (x 2).∴f (x )=x +1x在区间[1,+∞)上是增函数.反思与感悟 运用定义判断或证明函数的单调性时,应在函数的定义域内给定的区间上任意取x 1,x 2且x 1<x 2的条件下,转化为确定f (x 1)与f (x 2)的大小,要牢记五大步骤:取值→作差→变形→定号→小结. 跟踪训练2证明()1f x x x=- 在()0,+∞上是增函数.命题角度2证明抽象函数的单调性例3已知函数f(x)对任意的实数x、y都有f(x+y)=f(x)+f(y)-1,且当x>0时,f(x)>1.求证:函数f(x)在R 上是增函数.证明方法一设x1,x2是实数集上的任意两个实数,且x1>x2.令x+y=x1,y=x2,则x=x1-x2>0.f(x1)-f(x2)=f(x+y)-f(y)=f(x)+f(y)-1-f(y)=f(x)-1.∵x>0,∴f(x)>1,f(x)-1>0,∴f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2).∴函数f(x)在R上是增函数.方法二设x1>x2,则x1-x2>0,从而f(x1-x2)>1,即f(x1-x2)-1>0.f(x1)=f[x2+(x1-x2)]=f(x2)+f(x1-x2)-1>f(x2),故f(x)在R上是增函数.反思与感悟因为抽象函数不知道解析式,所以不能代入求f(x1)-f(x2),但可以借助题目提供的函数性质来确定f(x1)-f(x2)的大小,这时就需要根据解题需要对抽象函数进行赋值.跟踪训练3已知函数f(x)的定义域是R,对于任意实数m,n,恒有f(m+n)=f(m)·f(n),且当x>0时,0<f(x)<1.求证:f(x)在R上是减函数.证明∵对于任意实数m,n,恒有f(m+n)=f(m)·f(n),令m=1,n=0,可得f(1)=f(1)·f(0),∵当x>0时,0<f(x)<1,∴f(1)≠0,∴f(0)=1.令m=x<0,n=-x>0,则f(m+n)=f(0)=f(-x)·f(x)=1,∴f(x)f(-x)=1,又∵-x>0时,0<f(-x)<1,∴f(x)=1f(-x)>1.∴对任意实数x,f(x)恒大于0.设任意x1<x2,则x2-x1>0,∴0<f(x2-x1)<1,∴f(x2)-f(x1)=f[(x2-x1)+x1]-f(x1)=f(x2-x1)f(x1)-f(x1)=f(x1)[f(x2-x1)-1]<0,∴f(x)在R上是减函数.类型三 单调性的应用命题角度1 利用单调性求参数范围例4 若函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧(3a -1)x +4a ,x <1,-ax ,x ≥1是定义在R 上的减函数,则a 的取值范围为( )A.[18,13)B.(0,13)C.[18,+∞)D.(-∞,18]∪[13,+∞) 答案 A解析 要使f (x )在R 上是减函数,需满足: ⎩⎪⎨⎪⎧3a -1<0,-a <0,(3a -1)·1+4a ≥-a ·1.解得18≤a <13.反思与感悟 分段函数在定义域上单调,除了要保证各段上单调外,还要接口处不能反超.另外,函数在单调区间上的图象不一定是连续不断的.跟踪训练4 已知函数f (x )=x 2-2ax -3在区间[1,2]上单调,则实数a 的取值范围为________________. 答案 a ≤1或a ≥2解析 由于二次函数开口向上,故其增区间为[a ,+∞),减区间为(-∞,a ],而f (x )在区间[1,2]上单调,所以[1,2]⊆[a ,+∞)或[1,2]⊆(-∞,a ],即a ≤1或a ≥2. 命题角度2 用单调性解不等式例5 已知y =f (x )在定义域(-1,1)上是减函数,且f (1-a )<f (2a -1),求a 的取值范围. 解 f (1-a )<f (2a -1)等价于 ⎩⎪⎨⎪⎧-1<1-a <1,-1<2a -1<1,1-a >2a -1,解得0<a <23,即所求a 的取值范围是0<a <23.反思与感悟 若已知函数f (x )的单调性,则由x 1,x 2的大小,可得f (x 1),f (x 2)的大小;由f (x 1),f (x 2)的大小,可得x 1,x 2的大小.跟踪训练5 在例5中若函数y =f (x )的定义域为R ,且为增函数,f (1-a )<f (2a -1),则a 的取值范围又是什么?解 ∵y =f (x )的定义域为R ,且为增函数, f (1-a )<f (2a -1),∴1-a <2a -1,即a >23,∴所求a 的取值范围是(23,+∞).第二课时:函数的最值知识点一 函数的最大(小)值思考 在下图表示的函数中,最大的函数值和最小的函数值分别是多少?1为什么不是最小值?答案 最大的函数值为4,最小的函数值为2.1没有A 中的元素与之对应,不是函数值.梳理 一般地,设函数y =f (x )的定义域为I .如果存在实数M 满足:(1)对于任意x ∈I ,都有f (x )≤M .(2)存在x 0∈I ,使得f (x 0)=M .那么,称M 是函数y =f (x )的最大值.如果存在实数M 满足:(1)对于任意x ∈I ,都有f (x )≥M .(2)存在x 0∈I ,使得f (x 0)=M .那么,称M 是函数y =f (x )的最小值.知识点二 函数的最大(小)值的几何意义 思考 函数y =x 2,x ∈[-1,1]的图象如下:试指出函数的最大值、最小值和相应的x 的值.答案 x =±1时,y 有最大值1,对应的点是图象中的最高点,x =0时,y 有最小值0,对应的点为图象中的最低点.梳理 一般地,函数最大值对应图象中的最高点,最小值对应图象中的最低点,它们不一定只有一个.类型一 借助单调性求最值例1 已知函数f (x )=xx 2+1(x >0),求函数的最大值和最小值.解 设x 1,x 2是区间(0,+∞)上的任意两个实数,且x 1<x 2,则f (x 1)-f (x 2)=x 1x 21+1-x 2x 22+1=x 1(x 22+1)-x 2(x 21+1)(x 21+1)(x 22+1)=(x 2-x 1)(x 2x 1-1)(x 21+1)(x 22+1). 当x 1<x 2≤1时,x 2-x 1>0,x 1x 2-1<0,f (x 1)-f (x 2)<0,f (x 1)<f (x 2), ∴f (x )在(0,1]上单调递增;当1≤x 1<x 2时,x 2-x 1>0,x 1x 2-1>0, f (x 1)-f (x 2)>0,f (x 1)>f (x 2), ∴f (x )在[1,+∞)上单调递减. ∴f (x )max =f (1)=12,无最小值.反思与感悟 (1)若函数y =f (x )在区间[a ,b ]上单调递增,则f (x )的最大值为f (b ),最小值为f (a ). (2)若函数y =f (x )在区间[a ,b ]上单调递减,则f (x )的最大值为f (a ),最小值为f (b ).(3)若函数y =f (x )有多个单调区间,那就先求出各区间上的最值,再从各区间的最值中决出最大(小).函数的最大(小)值是整个值域范围内最大(小)的.(4)如果函数定义域为开区间,则不但要考虑函数在该区间上的单调性,还要考虑端点处的函数值或者发展趋势.跟踪训练1 已知函数f (x )=2x -1(x ∈[2,6]),求函数的最大值和最小值. 解 设x 1,x 2是区间[2,6]上的任意两个实数,且x 1<x 2, 则f (x 1)-f (x 2)=2x 1-1-2x 2-1=2[(x2-1)-(x1-1)] (x1-1)(x2-1)=2(x2-x1) (x1-1)(x2-1).由2≤x1<x2≤6,得x2-x1>0,(x1-1)(x2-1)>0,于是f(x1)-f(x2)>0,即f(x1)>f(x2).所以,函数y=2x-1在区间[2,6]上是减函数.因此,函数y=2x-1在区间[2,6]的两个端点上分别取得最大值与最小值,即在x=2时取得最大值,最大值是2,在x=6时取得最小值,最小值是25.类型二求二次函数的最值例2(1)已知函数f(x)=x2-2x-3,若x∈[0,2],求函数f(x)的最值;(2)已知函数f(x)=x2-2x-3,若x∈[t,t+2],求函数f(x)的最值;(3)已知函数f(x)=x-2x-3,求函数f(x)的最值;(4)“菊花”烟花是最壮观的烟花之一.制造时一般是期望在它达到最高点时爆裂.如果烟花距地面的高度h m 与时间t s之间的关系为h(t)=-4.9t2+14.7t+18,那么烟花冲出后什么时候是它爆裂的最佳时刻?这时距地面的高度是多少?(精确到1m)解(1)∵函数f(x)=x2-2x-3开口向上,对称轴x=1,∴f(x)在[0,1]上单调递减,在[1,2]上单调递增,且f(0)=f(2).∴f(x)max=f(0)=f(2)=-3,f(x)min=f(1)=-4.(2)∵对称轴x=1,①当1≥t+2即t≤-1时,f(x)max=f(t)=t2-2t-3,f(x)min=f(t+2)=t2+2t-3.②当t +t +22≤1<t +2,即-1<t ≤0时,f (x )max =f (t )=t 2-2t -3, f (x )min =f (1)=-4.③当t ≤1<t +t +22,即0<t ≤1时,f (x )max =f (t +2)=t 2+2t -3, f (x )min =f (1)=-4.④当1<t ,即t >1时,f (x )max =f (t +2)=t 2+2t -3, f (x )min =f (t )=t 2-2t -3.设函数最大值为g (t ),最小值为φ(t ),则有g (t )=⎩⎪⎨⎪⎧t 2-2t -3(t ≤0),t 2+2t -3(t >0),φ(t )=⎩⎪⎨⎪⎧t 2+2t -3(t ≤-1),-4(-1<t ≤1),t 2-2t -3(t >1).(3)设x =t (t ≥0),则x -2x -3=t 2-2t -3.由(1)知y =t 2-2t -3(t ≥0)在[0,1]上单调递减,在[1,+∞)上单调递增. ∴当t =1即x =1时,f (x )min =-4,无最大值.(4)作出函数h (t )=-4.9t 2+14.7t +18的图象(如图).显然,函数图象的顶点就是烟花上升的最高点,顶点的横坐标就是烟花爆裂的最佳时刻,纵坐标就是这时距地面的高度.由二次函数的知识,对于函数h (t )=-4.9t 2+14.7t +18,我们有:当t =-14.72×(-4.9)=1.5时,函数有最大值h =4×(-4.9)×18-14.724×(-4.9)≈29.于是,烟花冲出后1.5s 是它爆裂的最佳时刻,这时距地面的高度约为29m.反思与感悟 (1)二次函数在指定区间上的最值与二次函数的开口、对称轴有关,求解时要注意这两个因素. (2)图象直观,便于分析、理解;配方法说理更严谨,一般用于解答题. 跟踪训练2 (1)已知函数f (x )=x 4-2x 2-3,求函数f (x )的最值; (2)求二次函数f (x )=x 2-2ax +2在[2,4]上的最小值;(3)如图,某地要修建一个圆形的喷水池,水流在各个方向上以相同的抛物线路径落下,以水池的中央为坐标原点,水平方向为x 轴、竖直方向为y 轴建立平面直角坐标系.那么水流喷出的高度h (单位:m)与水平距离x (单位:m)之间的函数关系式为h =-x 2+2x +54,x ∈[0,52].求水流喷出的高度h 的最大值是多少?解 (1)设x 2=t (t ≥0),则x 4-2x 2-3=t 2-2t -3.y =t 2-2t -3(t ≥0)在[0,1]上单调递减,在[1,+∞)上单调递增. ∴当t =1即x =±1时,f (x )min =-4,无最大值. (2)∵函数图象的对称轴是x =a , ∴当a <2时,f (x )在[2,4]上是增函数, ∴f (x )min =f (2)=6-4a .当a >4时,f (x )在[2,4]上是减函数, ∴f (x )min =f (4)=18-8a .当2≤a ≤4时,f (x )min =f (a)=2-a 2.∴f (x )min=⎩⎪⎨⎪⎧6-4a ,a <2,2-a 2,2≤a ≤4,18-8a ,a >4.(3)由函数h =-x 2+2x +54,x ∈[0,52]的图象可知,函数图象的顶点就是水流喷出的最高点.此时函数取得最大值.对于函数h =-x 2+2x +54,x ∈[0,52], 当x =1时,函数有最大值h max =-12+2×1+54=94. 于是水流喷出的最高高度是94m. 类型三 函数最值的应用例3 已知x 2-x +a >0对任意x ∈(0,+∞)恒成立,求实数a 的取值范围.解 方法一 令y =x 2-x +a ,要使x 2-x +a >0对任意x ∈(0,+∞)恒成立,只需y min =4a -14>0,解得a >14. ∴实数a 的取值范围是(14,+∞). 方法二 x 2-x +a >0可化为a >-x 2+x .要使a >-x 2+x 对任意x ∈(0,+∞)恒成立,只需a >(-x 2+x )max ,又(-x 2+x )max =14,∴a >14. ∴实数a 的取值范围是(14,+∞). 引申探究把例3中“x ∈(0,+∞)”改为“x ∈(12,+∞)”,再求a 的取值范围. 解 f (x )=-x 2+x 在(12,+∞)上为减函数, ∴f (x )的值域为(-∞,14), 要使a >-x 2+x 对任意x ∈(12,+∞)恒成立, 只需a ≥14,∴a 的取值范围是[14,+∞).反思与感悟 恒成立的不等式问题,任意x ∈D ,f (x )>a 恒成立,一般转化为最值问题:f (x )min >a 来解决.任意x ∈D ,f (x )<a 恒成立⇔f (x )max <a .跟踪训练3 已知ax 2+x ≤1对任意x ∈(0,1]恒成立,求实数a 的取值范围.解 ∵x >0,∴ax 2+x ≤1可化为a ≤1x 2-1x. 要使a ≤1x 2-1x对任意x ∈(0,1]恒成立, 只需a ≤(1x 2-1x)min . 设t =1x,∵x ∈(0,1],∴t ≥1. 1x 2-1x =t 2-t =(t -12)2-14. 当t =1时,(t 2-t )min =0,即x =1时,(1x 2-1x)min =0, ∴a ≤0.∴a 的取值范围是(-∞,0].函数的单调性 1.如果函数f (x )在[a ,b ]上是增函数,那么对于任意的x 1,x 2∈[a ,b ](x 1≠x 2),下列结论中不正确的是( ) A.f (x 1)-f (x 2)x 1-x 2>0 B.(x 1-x 2)[f (x 1)-f (x 2)]>0 C.若x 1<x 2,则f (a )<f (x 1)<f (x 2)<f (b ) D.x 1-x 2f (x 1)-f (x 2)>0 答案 C解析 因为f (x )在[a ,b ]上是增函数,对于任意的x 1,x 2∈[a ,b ](x 1≠x 2),x 1-x 2与f (x 1)-f (x 2)的符号相同,故A ,B ,D 都正确,而C 中应为若x 1<x 2,则f (a )≤f (x 1)<f (x 2)≤f (b ).2.已知函数f (x )在R 上是增函数,则下列说法正确的是( )A.y =-f (x )在R 上是减函数B.y =1f (x )在R 上是减函数 C.y =[f (x )]2在R 上是增函数 D.y =af (x )(a 为实数)在R 上是增函数答案 A解析 设x 1<x 2,因为函数f (x )在R 上是增函数,故必有f (x 1)<f (x 2).所以-f (x 1)>-f (x 2),A 选项一定成立.其余三项不一定成立,如当f (x )=x 时,B 、C 不成立,当a <0时,D 不成立.3.已知函数f (x )在(-∞,+∞)上是增函数,若a ,b ∈R 且a +b >0,则有( )A.f (a )+f (b )>-f (a )-f (b )B.f (a )+f (b )<-f (a )-f (b )C.f (a )+f (b )>f (-a )+f (-b )D.f (a )+f (b )<f (-a )+f (-b )答案 C解析 ∵a +b >0,∴a >-b ,b >-a ,∵f (x )在R 上是增函数,∴f (a )>f (-b ),f (b )>f (-a ),∴f (a )+f (b )>f (-a )+f (-b ). 4.已知函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧-x +3a ,x ≥0,x 2-ax +1,x <0是(-∞,+∞)上的减函数,则实数a 的取值范围是________. 答案 [0,13] 解析 当x <0时,函数f (x )=x 2-ax +1是减函数,解得a ≥0,当x ≥0时,函数f (x )=-x +3a 是减函数,分段点0处的值应满足1≥3a ,解得a ≤13,∴0≤a ≤13. 5.已知一次函数y =(k +1)x +k 在R 上是增函数,且其图象与x 轴的正半轴相交,则k 的取值范围是________. 答案 (-1,0)解析 依题意⎩⎪⎨⎪⎧ k +1>0,-k k +1>0,解得-1<k <0.6.已知f (x )=x x -a(x ≠a ). (1)若a =-2,试证明f (x )在(-∞,-2)内单调递增;(2)若a >0且f (x )在(1,+∞)内单调递减,求a 的取值范围.(1)证明 任设x 1<x 2<-2,则f (x 1)-f (x 2)=x 1x 1+2-x 2x 2+2=2(x 1-x 2)(x 1+2)(x 2+2). ∵(x 1+2)(x 2+2)>0,x 1-x 2<0,∴f (x 1)<f (x 2),∴f (x )在(-∞,-2)内单调递增.(2)解 任设1<x 1<x 2,则f (x 1)-f (x 2)=x 1x 1-a -x 2x 2-a =a (x 2-x 1)(x 1-a )(x 2-a ). ∵a >0,x 2-x 1>0,∴要使f (x 1)-f (x 2)>0,只需(x 1-a )(x 2-a )>0恒成立,∴a ≤1.综上所述0<a ≤1.函数的最值1.函数g (x )=x 2-4x +3在区间(1,4]上的值域是( )A.[-1,+∞)B.[0,3]C.(-1,3]D.[-1,3]答案 D解析 g (x )=(x -2)2-1,当x =2时,g (x )min =-1;当x =4时,g (x )max =3,∴g (x )在(1,4]上的值域为[-1,3].2.下列说法正确的是( )A.若函数f (x )的值域为[a ,b ],则f (x )min =a ,f (x )max =bB.若f(x)min=a,f(x)max=b,则函数f(x)的值域为[a,b]C.若f(x)min=a,直线y=a不一定与f(x)的图象有交点D.若f(x)min=a,直线y=a一定与f(x)的图象有且仅有一个交点答案 A解析值域为[a,b],则最小的函数值即f(x)min=a,最大的函数值即f(x)max=b,A对.f(x)min=a,f(x)max=b,区间[a,b]上的某些元素可能不是函数值,因而[a,b]不一定是值域,B错.若f(x)min=a,由定义一定存在x0使f(x0)=a,即f(x)与直线y=a一定有交点,但不一定唯一,C,D都错.3.已知函数f(x)=-x2+4x+a,x∈[0,1],若f(x)的最小值为-2,则f(x)的最大值为()A.-1B.0C.1D.2答案 C解析因为f(x)=-(x-2)2+4+a,由x∈[0,1]可知当x=0时,f(x)取得最小值,即-4+4+a=-2,所以a =-2,所以f(x)=-(x-2)2+2,当x=1时,f(x)取得最大值为-1+2=1.故选C.4.若x2-x+1>2x+m在[-1,1]上恒成立,则实数m的取值范围是________.答案(-∞,-1)解析由题意得x2-3x+1-m>0在[-1,1]上恒成立.令g(x)=x2-3x+1-m=(x-32-54-m,2),其对称轴为x=32∴g(x)在区间[-1,1]上是减函数,∴g(x)min=g(1)=1-3+1-m>0,∴m<-1.5.已知函数f(x)=x2-6x+8,x∈[1,a],并且f(x)的最小值为f(a),则实数a的取值范围是________.答案(1,3]解析f(x)的对称轴为x=3,当且仅当1<a≤3时,f(x)min=f(a).6.求f(x)=x2-2ax-1在区间[0,2]上的最大值和最小值.解f(x)=(x-a)2-1-a2,对称轴为x=a.(1)当a<0时,由图①可知,f(x)在区间[0,2]上是增函数,所以f(x)min=f(0)=-1,f(x)max=f(2)=3-4a.(2)当0≤a≤1时,由图②可知,对称轴在区间[0,2]内,所以f(x)min=f(a)=-1-a2,f(x)max=f(2)=3-4a.(3)当1<a≤2时,由图③可知,对称轴在区间[0,2]内,所以f(x)min=f(a)=-1-a2,f(x)max=f(0)=-1.(4)当a>2时,由图④可知,f(x)在[0,2]上为减函数,所以f(x)min=f(2)=3-4a,f(x)max=f(0)=-1.。

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