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高中数学新教材引入了“导数”的内容,导数教学的基本要求是:了解函数单调性和导数的关系;能利用导数研究函数的单调性,会求函数的单调区间,对多项式函数一般不超过三次;了解函数在某点取得极值的必要条件和充分条件;会用导数求函数的极大值、极小值,对多项式函数一般不超过三次;会求闭区间上函数的最大值、最小值,对多项式函数一般不超过三次.同时《考试说明》特别强调了导数教学的重要性,给出的题例既关注了导数知识的基础性,又蕴含了知识的应用性,近年各地高考试题也印证了导数内容教学的重要性.
导数知识的教学一般分为三个层次:
其一,导数的概念及其运算是导数应用的基础,这是高考重点考查的内容.考查方式可以是客观题,也可以是主观题,主要考查导数的基本公式和运算法则,以及导数的几何意义.
例1 已知曲线y=13x3+43.
(1) 求曲线在x=2处的切线方程;
(2) 求曲线过点(2,4)的切线方程.
解析:(1) 求曲线在x=2处的切线方程只需求出函数y=13x3+43.在x=2处导数值即为切线的斜率k=y′|x=2=4,由题意曲线过点(2,4),即x=2处的切线方程为y-4=4(x-2),化简得4x-y-4=0.
(2) 曲线过点(2,4)的切线方程时,点(2,4)不等确定一定是切点.应先设切点为Ax0,13x30+43,即可得切线的斜率k=y′|x=x0=x20.
∴切线方程为y-13x30+43=x20(x-x0),即y=x20•x-23x30+43.
∵点P(2,4)在切线上,∴4=2x20-23x30+43,
即x30-3x20+4=0,∴x30+x20-4x20+4=0,
∴x20(x0+1)-4(x0+1)(x0-1)=0,
∴(x0+1)(x0-2)2=0,解得x0=-1或x0=2,
其二是导数的应用,特别是利用导数来解决函数的单调性与最值问题、证明不等式以及讨论方程的根等,近年已成为高考热点题型,甚至被设置在把关题的位置.
例2 已知函数f(x)=x3+ax2+bx+c在x=-23与x=1时都取得极值.
(1) 求a,b的值与函数f(x)的单调区间;
(2) 若对x∈[-1,2],不等式f(x)<c2恒成立,求c的取值范围.
解析:(1) 本题含有参数,由导数的性质可知x=-23与x=1应是f′(x)=3x2+2ax+b的零点
∴f′-23=3-232+2a-23+b=0,f′(1)=3+2a+b=0,联立方程组解得a=-12,b=-2
∴f′(x)=3x2-x-2=(3x+2)(x-1)即函数f(x)的单调区间如下表:
x-∞,-23-23-23,11(1,+∞)
f′(x)+0-0+
f(x)极大值极小值
所以函数f(x)的递增区间是-∞,-23与(1,+∞),递减区间是-23,1.
(2) 由(1)可画出f(x)=x3-12x2-2x+c的草图(如右图),利用数形结合的方法分析:
当x=-23时,极大值为f-23=2227+c
当x=2时,f(2)=2+c
∵2227+c<2+c ∴x∈[-1,2]时f(x)最大值为2+c
∴要使x∈[-1,2],不等式f(x)<c2恒成立,
只需要c2>f(2)=2+c,得c<-1或c>2.
用导数解决一些函数的单调性、最值问题的试题较多,它是知识的一个交汇点,表现为f′(x)零点的确定;求导后参数的取值范围的分类讨论等.
其三是应用导数解决实际问题.数学高考命题注重知识的整体性和综合性,重视知识的交互渗透,在知识的交汇点上设计试题.现举例加以说明其在物理学中的应用.
例3 如图是某人在一竖直墙面上设计的榴弹平抛发射示意图,榴弹轨迹曲线OC经过以O为顶点,开口向下的抛物线的一部分,如果要在墙面上再绘制一平面矩形广告使相邻两边分别落在AB,BC上且一个顶点落在曲线OC上.测量得到数据是:AB=BC=2AO=8m(其中AB⊥BC,OA∥BC)
问如何规划才能使平面矩形广告面积最大,并求最大值?
分析:本题是一个最值问题,首先要建立面积关于P的函数,因为P在抛物线上,所以要求抛物线的方程.
解析:以O为原点,平行于AO的直线为x轴建立平面直角坐标系(如图)
∵AB=BC=2AO=8 ∴C(4,-8)
设抛物线方程为x2=-2py(p>0,x>0)
把C(4,-8)代入得p=1,∴x2=-2y
设Pb,-b22(0≤b<4)
则|PQ|=4+b,PN=8-b22,
所以四边形PNBQ的面积SPNBQ=|PQ|•|PN|=8-b22•(b+4)=-12b3-4b2+8b+32
由S′=-32b2-16b+8=0从而求出极值点,得到面积的最大值.
点评:本题借助物理平抛理论为背景,不仅立意新,还有一定的思想性.借助解析几何的基础知识通过建系求抛物线的解析式.在得到面积关于P点坐标的函数基础上,通过导数求最值.对学生的思维能力综合应用能力也提出了较高的要求.
从以上几例我们不难发现,导数是高中数学知识的一个重要的交汇点,命题范围非常广泛,为高考考查函数提供了广阔天地,可以利用导数研究函数的性质,把导数应用于单调性、极值等传统、常规问题,可以设计出与方程、不等式等知识的综合试题,融合了转化、分类讨论、函数与方程、数形结合等数学思想方法,突出了对学生能力的考查.
导数知识的教学一般分为三个层次:
其一,导数的概念及其运算是导数应用的基础,这是高考重点考查的内容.考查方式可以是客观题,也可以是主观题,主要考查导数的基本公式和运算法则,以及导数的几何意义.
例1 已知曲线y=13x3+43.
(1) 求曲线在x=2处的切线方程;
(2) 求曲线过点(2,4)的切线方程.
解析:(1) 求曲线在x=2处的切线方程只需求出函数y=13x3+43.在x=2处导数值即为切线的斜率k=y′|x=2=4,由题意曲线过点(2,4),即x=2处的切线方程为y-4=4(x-2),化简得4x-y-4=0.
(2) 曲线过点(2,4)的切线方程时,点(2,4)不等确定一定是切点.应先设切点为Ax0,13x30+43,即可得切线的斜率k=y′|x=x0=x20.
∴切线方程为y-13x30+43=x20(x-x0),即y=x20•x-23x30+43.
∵点P(2,4)在切线上,∴4=2x20-23x30+43,
即x30-3x20+4=0,∴x30+x20-4x20+4=0,
∴x20(x0+1)-4(x0+1)(x0-1)=0,
∴(x0+1)(x0-2)2=0,解得x0=-1或x0=2,
其二是导数的应用,特别是利用导数来解决函数的单调性与最值问题、证明不等式以及讨论方程的根等,近年已成为高考热点题型,甚至被设置在把关题的位置.
例2 已知函数f(x)=x3+ax2+bx+c在x=-23与x=1时都取得极值.
(1) 求a,b的值与函数f(x)的单调区间;
(2) 若对x∈[-1,2],不等式f(x)<c2恒成立,求c的取值范围.
解析:(1) 本题含有参数,由导数的性质可知x=-23与x=1应是f′(x)=3x2+2ax+b的零点
∴f′-23=3-232+2a-23+b=0,f′(1)=3+2a+b=0,联立方程组解得a=-12,b=-2
∴f′(x)=3x2-x-2=(3x+2)(x-1)即函数f(x)的单调区间如下表:
x-∞,-23-23-23,11(1,+∞)
f′(x)+0-0+
f(x)极大值极小值
所以函数f(x)的递增区间是-∞,-23与(1,+∞),递减区间是-23,1.
(2) 由(1)可画出f(x)=x3-12x2-2x+c的草图(如右图),利用数形结合的方法分析:
当x=-23时,极大值为f-23=2227+c
当x=2时,f(2)=2+c
∵2227+c<2+c ∴x∈[-1,2]时f(x)最大值为2+c
∴要使x∈[-1,2],不等式f(x)<c2恒成立,
只需要c2>f(2)=2+c,得c<-1或c>2.
用导数解决一些函数的单调性、最值问题的试题较多,它是知识的一个交汇点,表现为f′(x)零点的确定;求导后参数的取值范围的分类讨论等.
其三是应用导数解决实际问题.数学高考命题注重知识的整体性和综合性,重视知识的交互渗透,在知识的交汇点上设计试题.现举例加以说明其在物理学中的应用.
例3 如图是某人在一竖直墙面上设计的榴弹平抛发射示意图,榴弹轨迹曲线OC经过以O为顶点,开口向下的抛物线的一部分,如果要在墙面上再绘制一平面矩形广告使相邻两边分别落在AB,BC上且一个顶点落在曲线OC上.测量得到数据是:AB=BC=2AO=8m(其中AB⊥BC,OA∥BC)
问如何规划才能使平面矩形广告面积最大,并求最大值?
分析:本题是一个最值问题,首先要建立面积关于P的函数,因为P在抛物线上,所以要求抛物线的方程.
解析:以O为原点,平行于AO的直线为x轴建立平面直角坐标系(如图)
∵AB=BC=2AO=8 ∴C(4,-8)
设抛物线方程为x2=-2py(p>0,x>0)
把C(4,-8)代入得p=1,∴x2=-2y
设Pb,-b22(0≤b<4)
则|PQ|=4+b,PN=8-b22,
所以四边形PNBQ的面积SPNBQ=|PQ|•|PN|=8-b22•(b+4)=-12b3-4b2+8b+32
由S′=-32b2-16b+8=0从而求出极值点,得到面积的最大值.
点评:本题借助物理平抛理论为背景,不仅立意新,还有一定的思想性.借助解析几何的基础知识通过建系求抛物线的解析式.在得到面积关于P点坐标的函数基础上,通过导数求最值.对学生的思维能力综合应用能力也提出了较高的要求.
从以上几例我们不难发现,导数是高中数学知识的一个重要的交汇点,命题范围非常广泛,为高考考查函数提供了广阔天地,可以利用导数研究函数的性质,把导数应用于单调性、极值等传统、常规问题,可以设计出与方程、不等式等知识的综合试题,融合了转化、分类讨论、函数与方程、数形结合等数学思想方法,突出了对学生能力的考查.