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导数(理)

 

一周强化

一、一周知识概述

  导数为有效地解决一些传统的初等数学问题提供了一般性的方法。如求曲线的切线方程、函数的单调区间、函数的最值、不等式的证明及有关的实际问题。运用求导的方法计算简便,形象直观,有助于对函数性质的深刻理解和认识。主要内容有导数的概念;几种常见函数的导数;函数的和、差、积、商的导数;复合函数的导数;对数函数与指数函数的导数. 掌握函数极值的定义,了解可导函数的极值点的必要条件和充要条件(导数在极值点两侧异号);会求一些实际问题的最大值和最小值.

  通过本章的学习,要理解研究变量时“由直到曲”、“由近似到精确”、“由有限到无限”的极限思想方法,数形结合的思想方法及变未知为已知的思想方法.

二、重难点知识的归纳与剖析

  本大节的重点是根据导数定义求简单函数的导数的方法. 利用导数判别可导函数极值的方法.

  利用导数的符号判断函数的增减性及极(最)值:

  极值和最大(小)值的判定,其中关键是可导函数极值的判定,通过判定可导函数的极值,可加深对可导函数单调性与其导数的关系的了解;并且,掌握了可导函数极值的判别法,再学习可导函数最大(小)值的判定,就不成问题了.

  (1)研究函数的单调性:设函数y=f(x)在某区间可导,若f′(x)>0,则f(x)为增函数;若f′(x)<0,则f(x)为减函数;如果f′(x)=0,则f(x)为常值函数.

  (2)研究函数的极(最)值:设函数在点x0附近有定义,如果对x0附近所有的点,都有f(x)>f(x0)(或f(x)<f(x0)),我们就说f(x0)是函数f(x)的一个极大值(或极小值).若x0是f(x)的一个极值点,且f(x)是可导函数,则f′(x0)=0,如果函数f(x)在点x0处连续,且f′(x)在x0的两侧异号,那么x0就是函数f(x)的极值点.

  (3)函数f(x)在[a,b]上最大值与最小值的求法.

  ①求出f(x)在(a,b)内的极值;

  ②将各极值与f(a),f(b)比较,其中最大的一个为最大值,最小的一个为最小值.

  难点是对导数概念的理解和导数的应用.

  导数是建立在极限基础上,并用极限定义的基本概念,它在微积分中有极其重要的地位,导数即函数的变化率,它可直接反映出许多实际问题中函数变化的快慢程度,所以学习时要善于联系导数概念的某些实际背景(例如瞬时速度,加速度,光滑曲线的切线的斜率等). 利用导数的符号判断函数的增减性,是导数几何意义在研究曲线变化规律时的一个应用,它充分体现了数形结合的思想.

  导数的方法涉及导数定义、常用求导公式、四则运算法则和复合函数求导法则等求导方法,因此重点应为导数的概念与计算,学习时应熟练掌握以下求导法:直接利用法则与公式求导、复合函数求导.在求导过程中应熟记导数公式与运算法则,重点掌握复合函数的求导方法. 求一些实际问题的最大值与最小值是本大节的难点,在掌握可导函数极值的判别法之后,判定可导函数的最大(小)值并不困难,但在遇到一些实际问题时,可能会出现障碍,这里关键是能根据实际问题,建立适当的函数关系.

1、导数的定义

  设函数y=f(x)在点x=x0及其附近有定义,当自变量x在x0处有改变量△x(△x可正可负),则函数y相应地有改变量△y=f(x0+△x)-f(x0),这两个改变量的比叫做函数y=f(x)在x0到x0+△x之间的平均变化率.

  如果当△x→0时,有极限,我们就说函数y=f(x)在点x0处可导,这个极限叫做f(x)在点x0处的导数(即瞬时变化率,简称变化率),记作f′(x0)或,即

  函数f(x)在点x0处的导数就是函数平均变化率当自变量的改变量趋向于零时的极限.如果极限不存在,我们就说函数f(x)在点x0处不可导.

2、求导数的方法

  由导数定义,我们可以得到求函数f(x)在点x0处的导数的方法:

  (1)求函数的增量△y=f(x0+△x)-f(x0);

  (2)求平均变化率

  (3)取极限,得导数

3、导数的几何意义

  函数y=f(x)在点x0处的导数的几何意义,就是曲线y=f(x)在点P(x0,f(x0))处的切线的斜率f′(x0).

  相应地,切线方程为y-y0= f′(x0)(x-x0).

4、几种常见函数的导数

  函数y=C(C为常数)的导数   C′=0.

  函数y=xn(n∈Q)的导数    (xn)′=nxn-1

  函数y=sinx的导数       (sinx)′=cosx

  函数y=cosx的导数       (cosx)′=-sinx

5、函数四则运算求导法则

  和的导数 (u+v)′=u′+v′

  差的导数 (u-v)′= u′-v′

  积的导数 (u·v)′=u′v+uv′

  商的导数 .

6、复合函数的求导法则

  一般地,复合函数y=f[φ(x)]对自变量x的导数y′x,等于已知函数对中间变量u=φ(x)的导数y′u,乘以中间变量u对自变量x的导数u′x,即y′x=y′u·u′x.

7、对数、指数函数的导数

(1)对数函数的导数

  ①

  ②.

   其中(1)式是(2)式的特殊情况,当a=e时,(2)式即为(1)式.

(2)指数函数的导数

  ①(ex)′=ex

  ②(ax)′=axlna

  其中(1)式是(2)式的特殊情况,当a=e时,(2)式即为(1)式.

三、例题点评

[例1]求下列函数的导数:

分析:

  从这两个函数的形式结构来看,都是商的形式,如果直接套用商的求导法则,运算量较大,但从形式上看,可以转化为和的形式.

解:

(1)

  

(2)

点评:

  (1)不加分析,盲目套用公式,会给运算带来不便,甚至错误,如(2)的求导形式较为复杂,用商的求导法则之后,还需通分化简.

  (2)先化简,再求导实施求导运算的基本方法,是化难为易、化繁为简的基本原则和策略.

[例2]已知f(x)的导数f′(x)=3x2-2(a+1)x+a-2且f(0)=2a,求不等式f(x)<0的解集.

分析:

   欲求f(x)<0的解集,必须根据条件先确定f(x)的表达式,逆用导数运算法则,可得f(x)=x3-(a+1)x2+(a-2)x+b,确定a,b值即可.

解:

  令(x+1)(x-2)(x-a)<0,则:

  (1)当a<-1时,不等式解集为(-∞,a)∪(1,2)

  (2)当a=-1时,不等式解集为(-∞,-1)∪(-1,2)

  (3)当-1<a<2时,不等式解集为(-∞,-1)∪(a,2)

  (4)当a=2时,不等式解集为(-∞,-1);

  (5)当a>2时,不等式解集为(-∞,-1)∪(2,a)

点评:

  已知导数求原函数的法则,是导数运算法则的逆用,可以培养逆向思维能力,应加注意,根据导数求原来函数时,不是惟一的,这是因为常数的导数为0的缘故.

[例3] 如果函数f(x)=ax5-bx3+c(a≠0)在x=±1时有极值,极大值为4,极小值为0,试求a,b,c的值.

[分析]

  可通过求导确定可疑点,注意利用已知极值点x=±1所确定的相关等式,在判断y′的符号时,必须对a进行分类计论.

[解答]

y′=5ax4-3bx2,令y′=0,即5ax4-3bx2=0,x2(5ax2-3b)=0,

∵ x=±1是极值点,∴ 5a(±1)2-3b=0.

又x2=0,∴ 可疑点为x=0,x=±1.

若a>0,y′=5ax2(x2-1).

当x变化时,y′,y的变化情况如下表:

x

(-∞,-1)

-1

(-1,0)

0

(0,1)

1

(1,+∞)

y′

0

0

0

y

极大

无极值

极小

由上表可知,当x=-1时,f(x)有极大值,当x=1时,f(x)有极小值.

若a<0时,同理可知a=-3,b=-5,c=2.

[点评]

   运用待定系数法,从逆向思维出发,实现了问题由已知向未知的转化.在转化过程中,利用了列表,解决了待定系数的问题.

例4 、如图,水渠的横断面为等腰梯形,水的横断面面积为S,水面高为h,问侧面与地面成的角为多大时,才能使横断面被水浸湿的长度(称为湿周)最小?并求出最小湿周.

[分析]

  解极值应用问题可根据“建立函数关系、求所列函数关系式的可疑点、具体判断得出结果”三步进行计算.

解:设水浸湿的长度为

;令,

0

+

最小值

由表中可知,当时,可使湿周最小,最小值为

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