过程:
一.创设情景
函数是客观描述世界变化规律的重要数学模型,研究函数时,了解函数的赠与减、增减的快与慢以及函数的最大值或最小值等性质是非常重要的.通过研究函数的这些性质,我们可以对数量的变化规律有一个基本的了解.下面,我们运用导数研究函数的性质,从中体会导数在研究函数中的作用。
二.新课讲授
1.问题:图3.3-1(1),它表示跳水运动中高度 随时间 变化的函数 的图像,图3.3-1(2)表示高台跳水运动员的速度 随时间 变化的函数 的图像.
运动员从起跳到最高点,以及从最高点到入水这两段时间的运动状态有什么区别?
通过观察图像,我们可以发现:
(1)运动员从起点到最高点,离水面的高度 随时间 的增加而增加,即 是增函数.相应地, .
(2)从最高点到入水,运动员离水面的高度 随时间 的增加而减少,即 是减函数.相应地, .
2.函数的单调性与导数的关系
观察下面函数的图像,探讨函数的单调性与其导数正负的关系.
如图 3.3-3,导数 表示函数 在点 处的切线的斜率.
( 图 3.3-3)
在 处, ,切线是“左下右上”式的,这时,函数 在 附近单调递增;
在 处, ,切线是“左上右下”式的,这时,函数 在 附近单调递减.
结论:函数的单调性与导数的关系
在某个区间 内,如果 ,那么函数 在这个区间内单调递增;如果 ,那么函数 在这个区间内单调递减.
说明:(1)特别的,如果 ,那么函数 在这个区间内是常函数.
3.求解函数 单调区间的步骤:
(1)确定函数 的定义域;
(2)求导数 ;
(3)解不等式 ,解集在定义域内的部分为增区间;
(4)解不等式 ,解集在定义域内的部分为减区间.
三.典例分析
例1.已知导函数 的下列信息:
当 时, ;
当 ,或 时, ;
当 ,或 时,
试画出函数 图像的大致形状.
解:当 时, ,可知 在此区间内单调递增;
当 ,或 时, ;可知 在此区间内单调递减;
当 ,或 时, ,这两点比较特殊,我们把它称为“临界点”.
综上,函数 图像的大致形状如图3.3-4所示.
例2.判断下列函数的单调性,并求出单调区间.
(1) ; (2)
(3) ; (4)
解:(1)因为 ,所以,
因此, 在R上单调递增,如图3.3-5(1)所示.
(2)因为 ,所以,
当 ,即 时,函数 单调递增;
当 ,即 时,函数 单调递减;
函数 的图像如图3.3-5(2)所示.
(3)因为 ,所以,
因此,函数 在 单调递减,如图3.3-5(3)所示.
(4)因为 ,所以 .
当 ,即 时,函数 ;
当 ,即 时,函数 ;
函数 的图像如图3.3-5(4)所示.
注:(3)、(4)生练
例3.如图3.3-6,水以常速(即单位时间内注入水的体积相同)注入下面四种底面积相同的容器中,请分别找出与各容器对应的水的高度 与时间 的函数关系图像.
分析:以容器(2)为例,由于容器上细下粗,所以水以常速注入时,开始阶段高度增加得慢,以后高度增加得越来越快.反映在图像上,(A)符合上述变化情况.同理可知其它三种容器的情况.
解:
思考:例3表明,通过函数图像,不仅可以看出函数的增减,还可以看出其变化的快慢.结合图像,你能从导数的角度解释变化快慢的情况吗?
一般的,如果一个函数在某一范围内导数的绝对值较大,那么函数在这个范围内变化的快,这时,函数的图像就比较“陡峭”;反之,函数的图像就“平缓”一些.
如图3.3-7所示,函数 在 或 内的图像“陡峭”,
在 或 内的图像“平缓”.
例4.求证:函数 在区间 内是减函数.
证明:因为
当 即 时, ,所以函数 在区间 内是减函数.
说明:证明可导函数 在 内的单调性步骤:
(1)求导函数 ;
(2)判断 在 内的符号;
(3)做出结论: 为增函数, 为减函数.
例5.已知函数 在区间 上是增函数,求实数 的取值范围.
解: ,因为 在区间 上是增函数,所以 对 恒成立,即 对 恒成立,解之得:
所以实数 的取值范围为 .
说明:已知函数的单调性求参数的取值范围是一种常见的题型,常利用导数与函数单调性关系:即“若函数单调递增,则 ;若函数单调递减,则 ”来求解,注意此时公式中的等号不能省略,否则漏解.
例6.已知函数y=x+ ,试讨论出此函数的单调区间.
解:y′=(x+ )′
=1-1?x-2=
令 >0.
解得x>1或x<-1.
∴y=x+ 的单调增区间是(-∞,-1)和(1,+∞).
令 <0,解得-1<x<0或0<x<1.
∴y=x+ 的单调减区间是(-1,0)和(0,1)
四.课堂练习
1.求下列函数的单调区间
1.f(x)=2x3-6x2+7 2.f(x)= +2x 3. f(x)=sinx , x 4. y=xlnx
2.课本练习
五.回顾总结
(1)函数的单调性与导数的关系
(2)求解函数 单调区间
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