如何利用导数研究函数的单调性

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  自从有了导数,在高中阶段研究函数便有了便捷工具,利用导数可以方便地研究函数的单调性(进而研究函数的极值、最值).主要有正、逆两方面的应用:正用——分析函数的单调性;逆用——已知函数在某区间上的单调性,求参数的取值范围.
  利用导数研究函数单调性,方法不一,选择恰当的方法,简洁明了;反之,虽然也可以进行到最后,但是需要大量的计算.本文将各类方法进行了总结,并点明了注意问题,分析了各方法的优点、缺点、适用范围.
  一、 正用
  例1求函数y=3x2-2lnx的单调递增区间.
  解析:函数的定义域为(0,+∞)
  ∵ f′(x)=6x-2x=2(3x2-1)x
  ∴ 令f′(x)>0,结合x>0,得x>33
  ∴ f(x)的单调递增区间为33,+∞
  【方法总结】用导数方法求函数单调区间:首先,求函数定义域、求导f′(x);然后令f′(x)>0得到函数的递增区间,令f′(x)<0得到函数的递减区间.
  二、 逆用
  例2已知函数f(x)=x2+mx(常数m∈R)在x∈[2,+∞)上单调递增,求m的取值范围.
  【方法一】若函数f(x)在区间(a,b)上单调递增,则f′(x)≥0在x∈(a,b)上恒成立,且f′(x)=0的点是孤立的;若函数f(x)在区间(a,b)上单调递减,则f′(x)≤0在x∈(a,b)上恒成立,且f′(x)=0的点是孤立的.恒成立问题可以转化成求最值问题.
  解析:∵ 函数f(x)=x2+mx(常数m∈R)在x∈[2,+∞)上单调递增,
  ∴ f′(x)=2x3-mx2≥0在x∈[2,+∞)上恒成立
  ∴ m≤2x3在x∈[2,+∞)上恒成立
  ∴ m≤(2x3)min,x∈[2,+∞)
  ∵ 当x∈[2,+∞)时,y=2x3是增函数
  ∴ (2x3)min=16∴ m≤16
  当m=16时,f′(x)≥0且f′(x)=0的点是孤立的(只有f′(2)=0),∴ m=16合题
  ∴ m的取值范围为(-∞,16]
  适用性分析:这是解决“逆用”问题的基本方法.注意检验f′(x)=0的点是否孤立.
  例如:(1) 已知函数g(x)=ax+1在[1,2]上是减函数,则a的取值范围是a>0(a=0时,经检验不合题).
  (2) 若函数f(x)=cosx+px+q在x∈R上是减函数,则p的取值范围是p≤-1(p=-1时,f′(x)=0的点有无数个,但这些点是孤立的,故p=-1合题)
  【方法二】首先用m表示出f(x)的单调递增区间(a,b),然后根据关系[2,+m)(a,b)得出m的取值范围.
  解析:f(x)的定义域为{x|x≠0}
  ∵ f′(x)=2x3-mx2,令f′(x)>0,得x>3m2
  ∴ f(x)的单调递增区间为(3m2,+∞)
  ∵ f(x)在x∈[2,+∞)时单调递增
  ∴ 3m2≤2解得m≤16
  ∴ m的取值范围为(-∞,16]
  适用性分析:该法思路清晰、简单明了,但有时涉及解无理不等式,需要分类讨论,运算量大.例如(例3):已知函数f(x)=x3+mx2+x+1(a2>3)在-23,-13上单调递减,求m的取值范围.利用该法需要解不等式组-a-a2-33≤-23
  -a+a2-33≥-13,诸多不便.
  那么,象上面的例3,该怎样解决呢?
  【方法三】二次函数法,结合二次函数性质,寻求使得导数恒≥0(或恒≤0)成立的充要条件.
  解析:∵ 函数f(x)=x3+mx2+x+1(a2>3)在-23,-13上单调递减
  ∴ f′(x)=3x2+2mx+1≤0在x∈-23,-13上恒成立
  ∴ f′-23≤0
  f′-13≤0即73-4m3≤0
  43-2m3≤0解得m≥2
  ∴ m的取值范围是[2,+∞)
  适用性分析:(1) 适用面窄,只有当f(x)是三次函数(此时,其导数为二次函数)时,才可用该法;(2) 列出的条件容易不充分(少条件)或不必要(多条件),需要进行严谨的分析.一般的解决二次函数问题可以从以下四个方面入手:① 开口方向② 对称轴③ 判别式④ 端点处函数值.
  
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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