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SHANGHAI MATHEMATICS · SECTION 5.3

学生阅读版 / 沪教版高中数学

导数的应用.

选择性必修第二册
第5章导数及其应用 · 保留教材主线与原题

1 个阅读模块14 个例题21 道练习与习题
5.3

导数的应用

教材与正式教参整合

在对函数的研究中, 单调性与极大 (小) 值、最大 (小) 值是重要的主题之一. 但限于初等数学所能提供的工具, 在很多常见函数面前, 我们往往束手无策, 而导数则为我们研究函数的这些性质提供了通用和便捷的手段.

本章引入的定理大多需要高等数学的知识才能严格证明, 但同学们可以借助一些熟悉的函数 (如二次函数) 来验证这些结论的合理性.

1 利用导数研究函数的单调性

函数的单调性研究的是在一个区间内函数是否严格增或严格减, 即函数值是否随着自变量的增大而增大, 或随着自变量的增大而减小. 导数是函数的瞬时变化率, 反映了在自变量发生变化的瞬间, 函数值随之发生的增减变化, 因此, 导数是研究函数单调性的最佳工具. 特别地, 从导数的正负就可以直接判断函数的单调性:

定理 在区间 上,若 ,则函数 在该区间严格增; 若 ,则函数 在该区间严格减.

在导数值都存在的情况下, 导数值由正变负或由负变正的过程中会出现导数等于零的点, 即函数的驻点. 因此, 要把函数的单调增区间和单调减区间划分出来, 就要先找到函数的驻点. 找到驻点后, 再看驻点两侧导数值的正负是否发生变化, 如果发生变化了, 此驻点就成为单调增区间与单调减区间的分界点.

例题 1

例 1 已知 ,求函数 的单调区间.

例题 2

例 2 已知 ,求函数 的单调区间.

例题 3

例 3 已知 ,求函数 的单调区间.

例题 4

例 4 已知 ,求函数 的单调区间.

例题 5

例 5 已知在区间 上 . 在图 5-3-1 所示的图像中,哪些有可能表示函数 ? 为什么?

教材或教参原图

图 5-3-1

练习 5.3(1)

练习5.3(1) · 1
  1. 利用导数研究下列函数的单调性, 并说明所得结果与你之前的认识是否一致:

(1) ; (2) ;

(3) ,其中 .

练习5.3(1) · 2
  1. 确定下列函数的单调区间:

(1) ; (2) .

2 利用导数研究函数的极值

观察图 5-3-2 中函数 的图像,其中有一些特殊的点, 在这些特殊点的左右两侧附近, 函数的单调性发生了改变. 例如,函数在点 的左侧附近严格增,右侧附近严格减,此处出现了一个“山峰”;又如,函数在点 的左侧附近严格减,右侧附近严格增,此处出现了一个“山谷”.

教材或教参原图

图 5-3-2

因此,图 5-3-2 所示的函数有三个极大值点 , 还有三个极小值点 .

在导数都存在的前提下, 极值点一定是相应函数单调增区间及单调减区间的分界点, 从而是函数的驻点, 函数曲线在该点的切线是水平的. 但反过来, 我们却不能说一个函数的驻点一定是其极值点. 例如,在函数 中,点 虽是其驻点,但不是极值点,因为这个函数在整个区间 上是严格增的. 因此,要找到函数 的极值点,通过 找到驻点 只是第一步,还要根据驻点附近 的符号才能断定 是否为 的极值点.

具体地说,我们有如下定理:

定理 设点 是函数 的驻点.

(1)若在点 的左侧附近有 ,而在 的右侧附近有 ,则函数 在 处取得极大值;

(2)若在点 的左侧附近有 ,而在 的右侧附近有 ,则函数 在 处取得极小值.

例题 6

例 6 已知 ,求函数 的单调区间和极值.

例题 7

例 7 求正弦函数 的单调区间和极值.

例题 8

例 8 已知 ,求函数 的单调区间和极值.

练习 5.3(2)

练习5.3(2) · 1
  1. 求余弦函数 的单调区间和极值.
练习5.3(2) · 2
  1. 求函数 的单调区间和极值.

3 利用导数研究函数的最值

教材或教参原图

图 5-3-3

上面所说的一个区间 上的连续函数,可以直观地理解为在区间 上图像为一条连绵不断的曲线的函数. 更精确及普适的连续函数的定义, 要用到严格的极限语言, 在高等数学中才能给出.

例题 9

例 9 已知 ,求函数 在区间 上的最大值与最小值.

例题 10

例 10 已知 ,求函数 在 上的最大值与最小值.

4 利用导数研究二次函数

导数为研究函数的单调性、极值与最值提供了有力的工具. 利用这一工具,我们可以对熟悉的二次函数 进行回顾和再认识. 以下仅讨论 的情况, 的情况也可以用类似的方法获得相应的结果.

首先,可以利用导数的正负来判断函数 的单调性, 同时求出它的极值.

记 . 对该函数求导,可得 , 令 ,解得函数有唯一驻点 . 可以列表如下:

表 5-6

-0+
↘极小值 ↗

因此,函数 的单调减区间为 ,单调增区间为 在 处取得极小值 . 这个极小值也是该函数在区间 上的最小值.

知道了该函数的单调区间之后, 结合函数的零点, 就可以解决相应的不等式问题.

我们已经知道,求二次函数 的零点, 就是求一元二次方程 的实根.


此处所得结果与你之前的认识是否一致? 方法是不是更简便?


令 ,我们已知: 当 时,方程有两个不相等的实根 ; 当 时,方程有两个相等的实根 ; 当 时,方程无实根.

上述方程 的实根就是函数 的零点; 再结合函数 的单调性,我们就可以求得使 (或 ) 的 的取值范围,也就是不等式 (或 ) 的解集.

记 . 为了解不等式 , 可以分以下三种情况讨论:

(1)当 时,比较函数零点与驻点的大小关系,有

因为 在区间 上严格减,所以

当 时, ; 当 时, .

同样地,因为 在区间 上严格增,所以

当 时, ; 当 时, .

此外, .

因此,该不等式的解集为 , 即 .

(2)当 时,有 ,由函数单调性可知,当 时,均有 . 因此,该不等式的解集为 .

(3)当 时,由函数单调性可知,当 时,均有 . 因此,该不等式的解集为 .

综合以上分析可得: 当 时,不等式 的解集为 ; 当 时,该不等式的解集为 . 这就很方便地得到必修课程第 2 章中的相应结论.


知道了函数的单调性和零点, 相应的不等式问题就迎刃而解了.


练习 5.3(3)

练习5.3(3) · 1
  1. 判断下列说法是否正确,并说明理由:

(1)函数在某区间上的极大值不会小于它的极小值;

(2)函数在某区间上的最大值不会小于它的最小值;

(3)函数在某区间上的极大值就是它在该区间上的最大值;

(4)函数在某区间上的最大值就是它在该区间上的极大值.

练习5.3(3) · 2
  1. 求函数 的值域.
练习5.3(3) · 3
  1. 求函数 在区间 上的最大值与最小值.

5 利用导数解决实际问题

前面已经看到, 导数可用来研究函数在某区间上的最大 (小)值, 从而对解决何时利润最大、何时用料最省等优化问题发挥着重要作用.

例题 11

例 11 图 5-3-4 是一张边长为 3 的正方形硬纸板, 现把它的四个角上裁去边长为 的四个小正方形,再折叠成无盖纸盒. 当裁去的小正方形边长 发生变化时,纸盒的容积 会随之发生变化. 当 在什么范围内变化时,容积 随着 的增大而增大? 在什么范围内变化时,容积 随着 的增大而减小? 当 取何值时,容积 最大? 最大值是多少? (纸板厚度忽略不计)

教材或教参原图

图 5-3-4

例题 12

例 12 已知某商品的成本 与产量 满足函数关系 ,其中 ,并定义平均成本为 , 其中 .


经济学中通常将 称为边际成本, 它代表产量为 时, 增加单位产量需付出的成本增加量.


(1)比较 和 ,解释两者的大小代表了怎样的实际意义;

(2)当产量为多少时,平均成本最少?

例题 13

例 13 如图 5-3-5,将一根直径为 的圆木锯成截面为矩形的梁. 问: 矩形的高 和宽 应如何选择,才能使梁的抗弯强度 最大?

教材或教参原图

图 5-3-5

在很多情形下(如例 11 与例 13),由实际问题本身的意义, 可知函数在区间内部必定存在最大值(或最小值),而区间内部只有一个驻点, 由此即可断定: 该函数在区间内部的唯一驻点处取得最大值(或最小值).

例题 14

例 14 一艘船航行所需的燃料费与船速的平方成正比. 如果船速是 ,那么每小时的燃料费是 80 元. 已知该船航行的其他费用为每小时 480 元,在 的航程中,保持怎样的船速可使航行总费用最少? (结果精确到 )

练习 5.3(4)

练习5.3(4) · 1
  1. 某商品的成本 和产量 满足函数关系 ,该商品的销售单价 和产量 满足函数关系 . 问: 要使利润最大, 应如何确定产量?
练习5.3(4) · 2
  1. 采矿、采石或取土时,常用炸药包进行爆破,部分爆破呈圆锥漏斗形状 (如图), 已知圆锥的母线长是炸药包的爆破半径 , 它的值是固定的. 问:炸药包埋多深可使爆破体积最大?

教材或教参原图

(第 2 题)

习题 5.3

A 组

习题5.3A · 1
  1. 利用导数研究下列函数的单调性, 并说明结果与你之前的认识是否一致:

(1) ; (2) .

习题5.3A · 2
  1. 利用导数判断函数 的单调性,并求出极值.
习题5.3A · 3
  1. 某函数图像如图所示,它在 上哪一点取得最大值? 它是极大值点吗? 在哪一点取得最小值? 它是极小值点吗?

教材或教参原图

(第 3 题)

习题5.3A · 4
  1. 求下列函数的单调区间、极值点和极值:

(1) (2) ;

(3) ; (4) .

习题5.3A · 5
  1. 证明: 函数 在 上严格增.
习题5.3A · 6
  1. 求函数 的单调减区间.
习题5.3A · 7
  1. 证明: 函数 没有极值点.
习题5.3A · 8
  1. 求函数 的值域.

B 组

习题5.3B · 1
  1. 判断下列函数在 上是否存在驻点,是否存在极值点,并说明理由:

(1) , 为正奇数; (2) , 为正偶数.

习题5.3B · 2
  1. 已知函数 在 处有极值 0,求 的值.
习题5.3B · 3
  1. 用长为 的钢条制作一个如图所示的长方体框架. 已知长方体的长宽比为 ,间:该长方体的长、宽、高各为多少时,其体积最大? 最大体积是多少?

教材或教参原图

(第 3 题)

习题5.3B · 4
  1. 某分公司经销一品牌产品, 每件产品的成本为 4 元, 且每件产品需向总公司交 3 元的管理费,预计当每件产品的售价为 元 时,一年的销售量为 万件. 问: 当每件产品的售价为多少元时,该分公司一年的利润 最大?(结果精确到 1 元)
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