谈一谈导数在函数方面的应用

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  导数是初等数学与高等数学的重要衔接点,是高考的热点,对这部分内容的考查以导数的应用题为主,如利用导数处理函数的极值、最值和单调性问题,以及曲线的问题等,在此主要侧重知识之运用。运用导数知识研究函数性质的试题,研究对象已经突破了单纯的一次函数、二次函数、指数函数、对数函数等,命题常以复合函数的形式出现。在教学过程中,我重点从以下几个方面进行了一些尝试。
  一、 函数单调性的讨论
  函数的单调性是函数最基本的性质之一,是研究函数所要掌握的最基本的知识。通常用定义来判断,但当函数表达式较复杂时判断fx1-fx2正负时就较为困难。运用导数知识来讨论函数单调性时,只需求出f′x,再考虑f′x的正负即可,此方法简单快捷而且适用面较广。
  例1. 判定函数y1=x3-x和y2=x3+x在-∞,+∞上的增减性。
  解:y′1=3x2-1=3x+153x-153
  当y′10得x-153或x153
  当y′10 得-153x153
  所以y1=x3-x在-∞,-153和153,+∞内单调增加,在-153,153内单调减少。
  y′2=3x2+10,故y2=x3+x在-∞,+∞上单调增加。
  例2.求函数fx=sinx-xcosx的单调区间。
  分析:这是求函数单调区间的问题,这类问题要比给出某个区间判断函数的单调性复杂一些.在这个题目中,需要结合三角函数的图象考虑它的某些特殊性质.首先对fx求导,得到f′x=xsinx;再令f′x0或f′x0,通过解关于x的不等式,得到fx的单调递增(减)区间.根据正弦函数的周期性,在解不等式的过程中,可以先考虑其一个周期的解集,然后再扩展到整个定义域上。
  解:∵f′x=cosx+xsinx-cosx=xsinx
  令f′x=xsinx0
  解得x∈2kπ,2k+1π 或
  x∈-2kπ,-2k+1πk=0,1,2,…
  所以当x∈2kπ,2k+1π
  ∪ -2kπ,-2k+1πk=0,1,2,…时,fx是增函数.
  再令f′x0解得x∈2k-1π,2kπ
  或x∈-2kπ,-2k+1πk=1,2,…
  所以当x∈2k-1π,2kπ
  ∪ -2kπ,-2k+1πk=1,2,…时,fx是减函数.
  因此fx 单调减区间2k-1π,2kπ
  ∪ -2kπ,-2k+1πk=1,2,… ;
  单调递增区间2kπ,2k+1π
  ∪ -2kπ,-2k+1πk=0,1,2,….
  二 、函数的最值(极值)的求法
  最值(极值)问题是高中数学的一个重点,也是一个难点.它涉及到了中学数学知识的各个方面,用导数解决这类问题可以使解题过程简化,步骤清晰,也好掌握。
  静的望着我。
  生:虽然在树林里,我练琴仍像是在锯床腿,但是老人并没有像我的家人一样打击我,也没有走开,只是静静的坐着,平静的望着我。她是不想打扰我。
  生:以后,在我练琴的时候,老人一直平静的望着我。老人可能是想让我坚持练下去,不管拉出来的是什么声音。我能从老人的眼神中感觉到一种鼓励。
  师:对。在家人面前得不到鼓励,但是老人平静的眼神却是我最大的鼓励。老人的眼神似乎一直在说“我会用心去感受这音乐。”(学生朗读)
  生:再后来,我看着老人慈祥地望着我,平静的眼神,像深深的潭水。以前我演奏的时候没有自信,而现在演奏的时候,更自信了。
  师:他三次写到了老人平静地望着我,前两次有没有写到到他慈祥的眼神?有没有写到他平静眼神像深深的潭水?没有,因为他自信了。
  师:平静的眼神,深深的潭水。你能读懂老人的心吗?后面的省略号包含着什么?你能读出点什么?
  生:我觉得老人的眼神是在鼓励我,让我更加自信。
  生:老人平静的眼神像深深的潭水,饱含了老人对我的无私的关爱,真诚的帮助。
  ……
  感悟审美意蕴
  一个文本,总有着许多“空白”和未定性,形成文本解读的张力,期待读者在与文本的对话中逐渐消除或减弱。例如,本文中三处省略号的出现,为师生留下了广阔的与文本对话的空间。教师可以借助三处省略号引导学生与文本进行心灵对话,感悟审美意蕴。
  如第二次省略号的出现是在作者知晓老人原是一位颇有声望的教授,且是一位首席小提琴手之时。教师可引导学生思考:在作者得知老人身份后,再一次来到小树林,面对老人平静的眼神,他会怎么做呢?文末“不由得想起那位耳聋的老人,清晨唯一的听众”以及后面的省略号,都给人以广阔的遐想空间,引导学生对此展开对话,从而领略老人人格魅力对我的才成长产生的影响。一般地,函数fx闭区间[a,b]上可导,则fx在[a,b]上的最值求法:
  ①求函数fx在(a,b)上的驻点;
  ②计算fx在驻点和端点的函数值,比较而知,最大的一个是最大值,最小的一个是最小值。
  例1. 求函数y=cos2x+cosx+1的极值和最值。
  解:y′=-2cosxsinx-sinx ,令y′=0 得sinx2cosx+1=0
  解得sinx=0或cosx=-152, 由sinx=0 可得:
  cosx=1或cosx=-1,因此,
  当cosx=-152时,得y极小=354;
  当cosx=1时, 得y极大=3;
  当cosx=-1时,得y极大=1。
  则ymax=3,ymin=354
  例2. 已知函数fx=x3-152x2-2x-c2 若对x∈-1,2,fxc恒成立,求c的取值范围.   分析:这类题目解决的关键在于深刻理解并灵活运用导数的知识,本题的实质是确定新构造函数gx的最大值。
  解:令gx=x3-152x2-2x故对任意x∈-1,2,gxc2+c恒成立。
  ∵g′(x)=3x2-x-2=(x-1)3x+2)
  当x变化时,gx,g′x的变化情况如下表
  ∵g(-253)=22517,g(2)=2
  ∴ 对任意x∈-1,2,y=gx的最大值为g2=2。
  ∴2c2+c ∴c∈-∞,-2∪ 1,+∞。
  三、函数的图象的作法
  描点法作函数图象,作图比较粗糙不准确,一般只适用于简单的函数,但对比较复杂的函数就很难作出。现用导数的知识来作函数图象就相当的简便。作函数图象的一般程序:
  1. 求出函数的定义域;
  2.考察函数的奇偶性、周期性;
  3.求函数的一些特殊点,如与两坐标轴的交点等, 列表;
  4.确定函数的单调区间,极值点,凸性区间及拐点,列表;
  5.考察渐进线;
  6.画图
  例1 作函数y=x3+6x2-15x-20 图象。
  解:⑴函数的定义域-∞,+∞
  ⑵曲线与x,y轴交点分别为-5+10552,0,-1,0,-5+10552,0,0,-20
  ⑶令y′=3x2+12x-15=3x+5x-1=0 解得x=-5,x=1
  令y″=6x+12=6x+2=0
  解得x=-2
  ⑷现列表讨论函数的单调区间、极值点、凸性区间及拐点
  ⑸无渐进线
  ⑹作图:
  例2. 利用导数的知识探究函数
  y=ax+b5xa0,b0的图象。
  解析:可以看出,y=ax+b5xa0,b0是奇函数,图象关于原点对称,其定义域为-∞,0∪ 0,+∞,不妨先考察函数在x∈0,+∞的图象。当x→0时,y=ax+b5x→+∞;当x→+∞时,y=ax+b5x→ax,预见在第一象限内图象介于y轴和y=ax之间。当x∈0,b5a时,y=ax+b5x的导数y′=a-bx-20,故y=ax+b5x在x∈0,b5a是减函数,当x∈b5a,+∞时,, 故y=ax+b5x在x∈b5a,+∞上是增函数;
  当x∈0,+∞时,y=ax+b5x的二阶导数y″=2bx-30,函数图象向上凹,且y=ax+b5x≥2ax.b5x,即y=ax+b5x≥2ab,此时x=b5a,ymin=2ab根据上述分析,函数y=ax+b5xa0,b0的图象如上图所示。
  从解决上述方面的应用中可以看到,导数在应对复杂的数学问题觉有入手易,过程简便的优势,特别近年来,高考卷对导数的要求逐渐成熟,求导过程并不难,也不是最终落脚点,它的最终目的还是考查函数的性质。所以我们不仅要掌握导数的概念,求导的公式和求导的法则及其简单应用,包括求函数的极值、单调区间。证明函数的增减性等,还要学会把导数与其它知识相结合,与寻找求一些复杂问题的简单解法,这样就能占得先机,虽然掌握导数方法需要花费一定的时间和精力,但“磨刀不误砍柴功”。所以加强导数的教与学,对高考会有相当大的作用。
  参考文献:
  [1]张崇芳编译《高中微积分300题演习》格致图书公司1990.3
  [2]汤小梅《浅析高考导数应用中的几个问题》 数学通讯 2003.10现代教育实践与研究 2014年1月第1期
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