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浅析应用二阶导数求函数的单调性

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定义:函数f(x)的(一阶)导函数f′(x)在x的导数,称为函数f(x)在x的二阶导数,表示为f″(x),即f″(x)=limΔx→0f′(x+Δx)-f′(x)Δx.

笔者对应用二阶导数来研究函数的单调性作了小许尝试,下面就以部分地区的调研试题为例作说明:

例1:(2007年东北三校)若函数f(x)=sinxx,且0<x1<x2<1,设a=sinx1x1,b=sinx2x2,则a、b的大小关系是()

A.a>bB.a<b

C.a=bD.a、b的大小不能确定

【解析】此题很容易想到去研究函数y=sinxx在x∈(0,1)的单调性.由f(x)=sinxx得f′(x)=xcosx-sinxx2,再记g(x)=xcosx-sinx,∴g′(x)=-xsinx+cosx-cosx=-xsinx,∵0<x<1,
∴g′(x)<0,即函数g(x)在(0,1)上是减函数,∴g(x)<g(0)=0,因此f′(x)<0,故函数f(x)在(0,1)是减函数,∴f(x1)>f(x2),即a>b,故选A.

【点评】本题用二阶导数的思想研究y=g(x)的单调性,从而达到求y=f(x)单调性的目的.当然,本题也可以如下处理:由f′(x)=xcosx-sinxx2=cosx(x-tanx)x2,又x∈(0,1)(0,π2),我们易证x<tanx,∴f′(x)<0,∴f(x)在(0,1)单调递减,∴f(x1)>f(x2),即a>b,因此选A.

例2:(2008黄冈模拟)已知函数f(x)=1+ln(x+1)x(x>0).

(1)函数f(x)在区间(0,+∞)上是增函数还是减函数?证明你的结论;

(2)若当x>0时,f(x)>kx+1恒成立,求正整数k的最小值.

【解析】第(1)问可直接求导得f′(x)=-1x2[1x+1+ln(x+1)],易知f′(x)<0,故函数f(x)在区间(0,+∞)上是减函数.

第(2)问:当x>0时,f(x)>kx+1恒成立.

即h(x)=(x+1)[1+ln(x+1)]x>k对任意x>0恒成立.

也即h(x)(x>0)的最小值大于k.

又h′(x)=x-1-ln(x+1)x2

又记φ(x)=x-1-ln(x+1)(x>0)

则φ′(x)=1x+1>0

∴φ(x)在(0,+∞)上连续递增.

又φ(2)=1-ln3<0,φ(3)=2-2ln2>0即φ(2)φ(3)<0

∴φ(x)=0存在唯一根x=m,且m∈(2,3)

即φ(m)=0,也即m-1-ln(m+1)=0

∴x(0,m)m(m,+∞)φ(x)-0+h′(x)-0+h(x)↘极小值↗∴h(x)min=h(m)=(m+1)[1+ln(m+1)]m=(m+1)mm=m+1

∴k<m+1

又m+1∈(3,4)

故正整数k的最大值为3.

【评注】此题也是通过研究φ(x)的单调性进而来确定f(x)的单调性.另外,我们也可以按以下思路处理:先取x=1,计算得k<2(1+ln2)<4,并由此猜想k的最大值为3,然后再进行论证(请同学们自己尝试).

例3:(武汉市2009届高中毕业生二月调研考试)已知函数f(x)=sinx3cosx-x.(0<x<π2).

(1)求f(x)的导数f′(x);

(2)求证:不等式sin3x>x3cosx在(0,π2]上恒成立;

(3)求g(x)=1sin2x-1x2(0<x≤π2)的最大值.

【解析】(1)直接用公式求解得f′(x)=cos23x+13sin2xcos-43x-1.

(2)记G(x)=f′(x)=cos23x+13sin2xcos-43x-1,则

G′(x)=23cos-13x(-sinx)+13[2sinx

cosxcos-43x+sin2x(-43)cos-73x(-sinx)]=49sin3xcos-73x>0.

即G′(x)>0在x∈(0,π2)恒成立.

∴G(x)在x∈(0,π2)为增函数.

∴G(x)>G(0)=0,也即f′(x)>0在x∈(0,π2)恒成立.

∴f(x)在x∈(0,π2)也为增函数.

∴f(x)>f(0)=0,即sinx3cosx>xsin3x>x3cosx.

又当x=π2时,经计算sin3x>x3cosx成立.

于是sin3x-x3cosx>0在x∈(0,π2]上恒成立.

(3)由(2)知g′(x)=2(sin3x-x3cosx)x3sin3x>0在x∈(0,π2]恒成立.

∴g(x)在(0,π2]上单调递增.

∴g(x)≤g(π2)=1-4π2.

∴g(x)的最大值为1-4π2.

【点评】此题是2009年武汉市二月调考的压轴题,从学生的答卷来看,第(2)问得分不够理想,假若同学们熟知二阶导数的思想,那问题就可迎刃而解了.

导数的应用已由解决函数、数列、不等式问题的辅助工具上升为解决问题的必不可少的工具,特别是利用导数来解决函数的单调性与最(极)值问题已成为炙手可热的热点.

导数应用在线上棋牌平台网址 中经历了2004年的“课本变式”期,2005年、2006年的“基本应用”期,2007年、2008年的“灵活运用”期,我认为现在我们要特别关注导数应用的创新,而高等数学知识的下放又是创新的一个重要方面,因此,二阶导数的合理使用应是我们复习关注的重点.

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