應(yīng)用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)區(qū)間最值

唐舜生

函數(shù)的區(qū)間最值是指函數(shù)在某個(gè)特定的區(qū)間上的最大(小)值，這類題往往含有參數(shù)，解答時(shí)常用到分類討論與數(shù)形結(jié)合的思想.導(dǎo)數(shù)的引入拓展了高考數(shù)學(xué)命題的范圍，擺脫了對(duì)二次函數(shù)的依賴，借助導(dǎo)數(shù)求高次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)等的區(qū)間最值，已成為近幾年高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn).函數(shù)的區(qū)間最值問(wèn)題可分為以下四類，下面舉例說(shuō)明各種類型題的解法.

一、定函數(shù)在定區(qū)間上的最值

函數(shù)是給定的，給出的定義域區(qū)間也是固定的，我們稱這種情況是“定函數(shù)在定區(qū)間上的最值”.這類題不含參數(shù)，不需要對(duì)參數(shù)的變化范圍進(jìn)行分類討論，因此比較簡(jiǎn)單，只要求出極值與區(qū)間端點(diǎn)的函數(shù)值，進(jìn)行比較即得函數(shù)的最大(小)值.

例1 求函數(shù)y=2x-x2x+1的最大值.

解：函數(shù)的定義域?yàn)椋?，2］，令y′=1-2x(x+1)22x-x2=0得x=12，∵f(0)=0,f(2)=0,f(12)=33,∴函數(shù)y的最大值是33.

點(diǎn)評(píng)：求函數(shù)最值時(shí)，注意先求函數(shù)的定義域.

例2 求函數(shù)f(x)=cos3x+sin2x-cosx的最小值.

解：由f(x)=cos3x+1-cos2x-cosx，令t=cosx,則t∈［-1，1］，f(x)=g(t)=t3-t2-t+1,令g′(t)=3t2-2t-1=0得t1=-13,t2=1,∵g(1)=0,g(-1)=0,g(-13)=3227,∴函數(shù)f(x)的最小值是0.

點(diǎn)評(píng)：本題以三角函數(shù)知識(shí)為載體，先通過(guò)換元，將三角函數(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為三次函數(shù)在區(qū)間［-1，1］上的最小值問(wèn)題.

二、動(dòng)函數(shù)在定區(qū)間上的最值

函數(shù)隨參數(shù)a的變化而變化，即其圖像是運(yùn)動(dòng)的，但定義域區(qū)間是固定的，我們稱這種情況是“動(dòng)函數(shù)在定區(qū)間上的最值”.根據(jù)函數(shù)極值點(diǎn)與區(qū)間的位置關(guān)系，需要分三種情形討論：①函數(shù)的極值點(diǎn)在這個(gè)區(qū)間的左邊；②函數(shù)的極值點(diǎn)在這個(gè)區(qū)間的右邊；③函數(shù)的極值點(diǎn)在這個(gè)區(qū)間內(nèi).然后判斷函數(shù)在這個(gè)區(qū)間上的單調(diào)性，得到函數(shù)的最大(小)值.

例3 已知函數(shù)f(x)=2ax-1x2,x∈(0，1］，求f(x)在區(qū)間(0，1］上的最大值.

解：(1)當(dāng)a=0時(shí)，f(x)=-1x2,

∴f(x)max=-1;

(2)當(dāng)a≠0時(shí)，令f′(x)=2a+2x3=2(ax3+1)x3=0,得x=3-1a.

(i)當(dāng)3-1a<0，即a>0時(shí)，由x∈(0,1］，得f

′(x)>0.∴函數(shù)f(x)在(0，1］上單調(diào)遞增，f(x)max=f(1)=2a-1;

(ii)當(dāng)3-1a>0，即-10,∴函數(shù)f(x)在(0，1］上單調(diào)遞增，f(x)max=f(1)=2a-1;

(iii)當(dāng)0<3-1a≤1，即a≤-1時(shí)，當(dāng)00;當(dāng)3-1a

綜上知：f(x)max=2a-1(a≥-1),

-33a2(a<-1).

例4 已知函數(shù)f(x)=ln(x+a)-x(a>0),求f(x)在［0，2］上的最小值.

解：令f′(x)=1x+a-1=-x+a-1x+a=0,得x=1-a，∵0≤x≤2,又a>0,則x+a>0恒成立.

(i)當(dāng)1-a≥2時(shí)，得a≤-1，與題設(shè)a>0矛盾；

(ii)當(dāng)1-a≤0，即a≥1時(shí)，f′(x)≤0在［0，2］恒成立，∴f(x)在［0，2］上單調(diào)遞減，f(x)min=f(2)=ln(a+2)-2.

(iii)當(dāng)0<1-a<2時(shí)，即-10;x∈(1-a,2］時(shí)，f′(x)<0.∴當(dāng)x=1-a時(shí)，f(x)取極大值，最小值只能產(chǎn)生于f(0)或f(2)，而f(0)-f(2)=lne

2a-ln(2+a).

當(dāng)2e2-1f(2),f(x)min=f(2);當(dāng)0

綜上知：當(dāng)a>2e+2-1時(shí)，f(x){min}=ln(2+a)-2;當(dāng)0

點(diǎn)評(píng)：例4中若注意到a≥-1，x∈(0，1］時(shí)，f′(x)≥0，f(x)單調(diào)遞增，

則解法更簡(jiǎn)便.

三、定函數(shù)在動(dòng)區(qū)間上的最值

函數(shù)是確定的，但它的定義域區(qū)間是隨參數(shù)t而變化的，我們稱這種情況是“定函數(shù)在動(dòng)區(qū)間上的最值”.根據(jù)區(qū)間與函數(shù)極值點(diǎn)的位置關(guān)系，需要分三種情形討論：①這個(gè)區(qū)間在極值點(diǎn)的左邊；②這個(gè)區(qū)間包含極值點(diǎn)；③這個(gè)區(qū)間在極值點(diǎn)的右邊.然后判斷函數(shù)f(x)在這個(gè)區(qū)間上的單調(diào)性，得到函數(shù)的最大(小)值.

例5 已知函數(shù)f(x)=x3-3x2+2,求f(x)在區(qū)間［0,t］(0

大值和最小值.

解：令f′(x)=3x2-6x=0，得x=0或x=2.

(1)當(dāng)0

(2)當(dāng)2

0,∴f(x)max=f(0)=2.

點(diǎn)評(píng)：本題是由區(qū)間的運(yùn)動(dòng)變化，引起此區(qū)間上對(duì)應(yīng)的曲線段的變化，從而使問(wèn)題在不同情況下有不同的解.

四、動(dòng)函數(shù)在動(dòng)區(qū)間上的最值

函數(shù)是含參數(shù)的函數(shù)，而定義域區(qū)間也是變化的，我們稱這種情況是“動(dòng)函數(shù)在動(dòng)區(qū)間上的最值”.同樣要根據(jù)區(qū)間與函數(shù)極值點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，分三種情況討論求解.

例6 從邊長(zhǎng)為2a的正方形鐵片的四個(gè)角各截去一個(gè)邊長(zhǎng)為x的正方形，再將四邊向上折起，做成一個(gè)無(wú)蓋的長(zhǎng)方體鐵盒，要求長(zhǎng)方體的高度與底面邊長(zhǎng)的比值不超過(guò)常數(shù)t(t>0),試問(wèn)當(dāng)x取何值時(shí)，容量V有最大值.

解：∵V=x(2a-2x)2=4(a-x)2x.依題意得：x>0;2a-2x>0;x2a-2x≤t,∴0

V′=4(x-a)(3x-a),令V′=0，得x=a3,x=a(舍).

(1)當(dāng)a3≤2at1+2t,即t≥14時(shí)，∵00;a3

(2)當(dāng)a3>2at1+2t，即00恒成立，∵V(x)為增函數(shù)，∴當(dāng)x=2at1+2t時(shí)，V有最大值8a2t(1+2t)2.

應(yīng)用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的區(qū)間最大值，具有普適性.一般步驟是：求函數(shù)極值點(diǎn)——討論極值點(diǎn)與區(qū)間的位置關(guān)系——判斷函數(shù)在區(qū)間上的單調(diào)性——聯(lián)想函數(shù)在區(qū)間上的大致圖像——直觀

得出結(jié)論.按此程序解決函數(shù)區(qū)間最值問(wèn)題，思路清晰，能夠“以不變應(yīng)萬(wàn)變.”

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文