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      “高視角”觀看一類導(dǎo)數(shù)問題

      2011-12-29 00:00:00徐國君


        摘要:在解決一類導(dǎo)數(shù)題的過程中,如果用常規(guī)方法就會(huì)帶來煩瑣的討論,并且學(xué)生不易掌握.筆者大膽下放部分相關(guān)的高等數(shù)學(xué)知識(shí),實(shí)踐證明學(xué)生比較容易掌握和操作. 本文主要講述利用羅比達(dá)法則、函數(shù)的極限、函數(shù)的圖象等高等數(shù)學(xué)中的基本知識(shí)來解決這一類導(dǎo)數(shù)難題.
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)數(shù);羅比達(dá)法則;函數(shù)極限;圖象
        
        筆者在進(jìn)行導(dǎo)數(shù)教學(xué)的時(shí)候,留意到近幾年高考很多導(dǎo)數(shù)的所謂的“難題”,如果能夠?qū)W會(huì)利用高等數(shù)學(xué)中的導(dǎo)數(shù)知識(shí)畫出函數(shù)的大致圖象,結(jié)合圖象來解題會(huì)獲得事半功倍的效果. 下面筆者就講講如何利用好導(dǎo)數(shù)這個(gè)工具畫出函數(shù)的大致圖象.
        首先,我們先來看看函數(shù)的大致圖象有哪些要點(diǎn)需要我們關(guān)注,也就是畫圖時(shí)哪些是需要我們大致弄清楚的. 筆者發(fā)現(xiàn),要畫出函數(shù)的大致圖象不外乎要關(guān)注以下幾點(diǎn):
        一、得到函數(shù)的單調(diào)區(qū)間,極值點(diǎn)、極值
        實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)并不難,只要能夠準(zhǔn)確求導(dǎo)就可以了.
        二、得出函數(shù)與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)
        函數(shù)圖象與y軸的交點(diǎn)一般不難求出,但是與x軸的交點(diǎn)往往不能輕易求出,我們的原則是能求盡量求出.
        三、?搖求出函數(shù)在所給區(qū)間端點(diǎn)的函數(shù)值或函數(shù)值的變化趨勢(shì)
        在這個(gè)過程中,值得提出的是有些區(qū)間比如[a,b],函數(shù)在區(qū)間端點(diǎn)的函數(shù)值f(a),f(b)很容易求出,但是有時(shí)區(qū)間為開區(qū)間(a,b),此時(shí)函數(shù)值f(a),f(b)可能不存在,這時(shí)我們可以求出■f(x)和■f(x),再利用這些極限值來解決問題.當(dāng)我們遇到的區(qū)間是(a,+∞),(-∞,a),(-∞,+∞)這些結(jié)構(gòu)時(shí),我們也需要求出■f(x)和■f(x),再利用這些極限值來解決問題. 當(dāng)然,在求函數(shù)極限時(shí),可能會(huì)遇到■,■的形式,這時(shí)我們就要利用羅必達(dá)法則來求出函數(shù)的極限.下面先講講羅必達(dá)法則:
        定理1:(羅必達(dá)法則I)假設(shè)函數(shù)f(x)和g(x)在x0的鄰域可微,且g′(x0)≠0,且■f(x)=0,■g(x)=0,■■=A,則■■=■■=A.
        定理2:(羅必達(dá)法則Ⅱ)假設(shè)函數(shù)f(xqxcB2eqlrozlr88eRcZSzGWFHQ0dKdDiPSzVrQk5ATU=)和g(x)在x0的鄰域可微,且g′(x0)≠0,且■f(x)=∞,■g(x)=∞,■■=A,則■■=■■=A.
        以上兩個(gè)定理的證明方法,讀者可以參考高校數(shù)學(xué)分析教材,在此筆者不再累述.下面筆者結(jié)合近幾年高考題講講如何利用上述方法做出函數(shù)的大致圖象解決導(dǎo)數(shù)綜合問題.
        例1(2005全國卷Ⅱ)已知a≥0,函數(shù)f(x)=(x2-2ax)ex.
        (1)當(dāng)x為何值時(shí),f(x)取得最小值?證明你的結(jié)論;
       ?。?)設(shè)f(x)在[-1,1]上是單調(diào)函數(shù),求a的取值范圍.
        解:(1)易得f′(x)=(x2+2x-2ax-2a)·ex. 令f′(x)=0,得[x2+2(1-a)x-2a]ex=0,從而x2+2(1-a)x-2a=0,解得x1=a-1-■,x2=a-1+■.
        當(dāng)x變化時(shí),f(x),f′(x)的變化如表1:
        所以f(x)在x=x1處取得極大值,在x=x2處取得極小值.
        當(dāng)a≥0時(shí),x1<-1,x2≥0,f(x)在(x1,x2)上為減函數(shù),在(x2,+∞)上為增函數(shù),且■f(x)=0,■f(x)=+∞;易得函數(shù)與坐標(biāo)軸交點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0),(2a,0).
        利用以上信息,所以我們可以得到函數(shù)的大致圖象,如圖1.
        所以由圖1可得,函數(shù)在x=x2處取得最小值.
       ?。?)利用(1)所得到的函數(shù)大致圖象可知,要使得f(x)在[-1,1]上為單調(diào)函數(shù)的充要條件是x2≥1,且必為遞減函數(shù). 于是,a-1+■≥1,解得a≥■,即f(x)在[-1,1]上為單調(diào)函數(shù)的充要條件是a≥■,a的取值范圍是■,+∞.
        例2(2006年全國卷Ⅱ)設(shè)函數(shù)f(x)=(x+1)ln(x+1),若對(duì)所有的x≥0,都有f(x)≥ax成立,求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
        解:(1)當(dāng)x=0時(shí),不等式f(x)≥ax即為f(0)=0≥a·0=0,顯然成立,此時(shí)a∈R.
       ?。?)當(dāng)x∈(0,+∞)時(shí),不等式f(x)≥ax變形為a≤■,所以問題就轉(zhuǎn)化為當(dāng)x∈(0,+∞)時(shí),不等式a≤■恒成立,則只需a≤■min.
        下面令g(x)=■,其中x∈(0,+∞). 易得g′(x)=■=■>0,?搖因?yàn)楫?dāng)x∈(0,+∞)時(shí),x>ln(x+1)恒成立(證明略). 于是g(x)在x∈(0,+∞)上遞增,且■g(x)=■■. 由于■(x+1)ln(x+1)=0,■x=0,所以我們利用羅必達(dá)法則可得■g(x)=■■=■■=1.
        我們利用以上信息得到函數(shù)g(x)在x∈(0,+∞)上的大致圖象如下:
        ■
        圖2
        結(jié)合圖象可得,當(dāng)x∈(0,+∞)時(shí),a≤(g(x))min=■g(x)=1.
        例3(2008遼寧卷22)設(shè)函數(shù)f(x)=■-lnx+ln(x+1).
       ?。?)求f(x)的單調(diào)區(qū)間和極值;
       ?。?)是否存在實(shí)數(shù)a,使得關(guān)于x的不等式f(x)≥a的解集為(0,+∞)?若存在,求a的取值范圍;若不存在,試說明理由.
        解:(1)f′(x)=■-■-■+■=-■. 當(dāng)x∈(0,1)時(shí),f′(x)>0;
        當(dāng)x∈(1,+∞)時(shí),f′(x)<0.所以f(x)在(0,1)單調(diào)遞增,在(1,+∞)單調(diào)遞減.
        由此知f(x)在(0,+∞)的極大值為f(1)=ln2,沒有極小值.
        所以結(jié)合圖象可得,要使得關(guān)于x的不等式f(x)≥a的解集為(0,+∞),只需要a≤0.
        導(dǎo)數(shù)是一個(gè)很強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具,在新課程中導(dǎo)數(shù)也占據(jù)著重要的地位.我們一線數(shù)學(xué)教師應(yīng)該充分引導(dǎo)學(xué)生利用好這個(gè)工具解決問題. 有必要時(shí),可以下放一些高等數(shù)學(xué)中的知識(shí),比如上述的羅必達(dá)法則,非常實(shí)用,操作性也很強(qiáng).這樣會(huì)使得學(xué)生解決問題的能力加強(qiáng),也會(huì)使得學(xué)生在高考中盡顯優(yōu)勢(shì).

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