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高中數(shù)學(xué) - 函數(shù)單調(diào)性

 追逐泡泡的時光 2021-01-28

函數(shù)的單調(diào)性是高考的重點(diǎn)內(nèi)容之一,考查內(nèi)容靈活多樣.本文主要幫助考生深刻理解函數(shù)單調(diào)性的定義,掌握判定方法,正確認(rèn)識單調(diào)函數(shù)與奇偶函數(shù)的圖象.

知識點(diǎn)一:函數(shù)單調(diào)性

(1)相關(guān)概念

增函數(shù):一般地,設(shè)函數(shù)的定義域?yàn)?span style="position:relative;top:2.0pt">,如果對于屬于定義域內(nèi)某個區(qū)間上任意兩個自變量的值,當(dāng),都有,那么就說在這個區(qū)間上是增函數(shù),如下圖(1);

用數(shù)學(xué)符號表示:是增函數(shù).

減函數(shù):一般地,設(shè)函數(shù)的定義域?yàn)?span style="position:relative;top:2.0pt">,如果對于屬于定義域內(nèi)某個區(qū)間上任意兩個自變量的值,當(dāng),都有,那么就說在這個區(qū)間上是減函數(shù),如下圖(2).

用數(shù)學(xué)符號表示:是減函數(shù).

      

單調(diào)性:如果函數(shù)在某個區(qū)間是增函數(shù)或減函數(shù),那么就說函數(shù)在這一區(qū)間具有(嚴(yán)格的)單調(diào)性.

單調(diào)區(qū)間:函數(shù)在某個區(qū)間上具有單調(diào)性,則這一區(qū)間就叫做函數(shù)的單調(diào)區(qū)間.

(2)對于函數(shù)單調(diào)性的定義的理解,要注意以下三點(diǎn):

①單調(diào)性是與“區(qū)間”緊密相關(guān)的概念,一個函數(shù)在不同的區(qū)間上可以有不同的單調(diào)性;

②單調(diào)性是函數(shù)在某一區(qū)間上的“整體”性質(zhì),因此定義中的具有任意性,不能用特殊值代替.

③由于定義都是充要性命題,因此由是增(減)函數(shù),且,這說明單調(diào)性使得自變量間的不等關(guān)系和函數(shù)值之間的不等關(guān)系可以“正逆互推”.

知識點(diǎn)二:函數(shù)單調(diào)性的判定方法(常用的)

(1) 定義法(基本法);

①取值:任取,且;

②作差:;

③變形:通常是因式分解或配方;

④定號:即判斷差的正負(fù);

⑤下結(jié)論:即指出函數(shù)在給定區(qū)間上的單調(diào)性.

判斷函數(shù)在(1,+∞)上的單調(diào)性.

變式訓(xùn)練:證明函數(shù)上是減函數(shù).

(2) 利用已知函數(shù)的單調(diào)性;

在研究函數(shù)的單調(diào)性時,常需要先將函數(shù)化簡,轉(zhuǎn)化為討論一些熟知的單調(diào)性,因此掌握并熟記一次函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)的單調(diào)性,將大大縮短我們的判斷過程. 

如果函數(shù)在某個區(qū)間上是增函數(shù)或是減函數(shù),那么就說函數(shù)在這一區(qū)間具有(嚴(yán)格的)單調(diào)性,區(qū)間叫做的單調(diào)區(qū)間.

的單調(diào)性:增函數(shù),減函數(shù);

的單調(diào)性:減區(qū)間;增區(qū)間;

的單調(diào)性:,減區(qū)間,增區(qū)間;

,增區(qū)間,減區(qū)間

在區(qū)間上是增(減)函數(shù),則時,上是增(減)函數(shù);時則相反;

⑤若、是區(qū)間上的增(減)函數(shù),則在區(qū)間上是增(減)函數(shù);

⑥若且在區(qū)間上是增(減)函數(shù),則上是減(增)函數(shù),上是增(減)函數(shù);

⑦軸(與軸垂直)對稱圖形的函數(shù)在它們的對稱區(qū)間上的單調(diào)性相反,中心對稱圖形的函數(shù)在它們的對稱區(qū)間上單調(diào)性相同,例如求下列函數(shù)的單調(diào)區(qū)間:,

.

(3) 利用函數(shù)的圖像;

函數(shù)y|x22x3|的單調(diào)增區(qū)間是________

【解析】 y|x22x3||(x1)24|,

作出該函數(shù)的圖像(如圖)

由圖像可知,其增區(qū)間為[1,1][3,+)

(4) 依據(jù)一些常用結(jié)論及復(fù)合函數(shù)單調(diào)性的判定方法;

①兩個增(減)函數(shù)的和仍為增(減)函數(shù);

②一個增(減)函數(shù)與一個減(增)函數(shù)的差是增(減)函數(shù);

③奇函數(shù)在對稱的兩個區(qū)間上有相同的單調(diào)性;

④偶函數(shù)在對稱的兩個區(qū)間上有相反的單調(diào)性;

⑤互為反函數(shù)的兩個函數(shù)有相同的單調(diào)性;

⑥如果在區(qū)間上是增(減)函數(shù),那么在區(qū)間的任一子區(qū)間上也是增(減)函數(shù);

⑦如果單調(diào)性相同,那么是增函數(shù);如果單調(diào)性相反,那么是減函數(shù).

對于復(fù)合函數(shù)的單調(diào)性,可概括為“同性則增,異性則減

例:函數(shù)的單調(diào)減區(qū)間是 (      )

A.       B.            C.           D.

知識點(diǎn)三:函數(shù)單調(diào)性的應(yīng)用

(1)  利用函數(shù)的單調(diào)性可以比較函數(shù)值的大?。?/span>

例:已知對稱軸為 ,比較、 、 的大小。

(2)  利用函數(shù)的單調(diào)性求參數(shù)的取值范圍;

例:已知 上是減函數(shù),求實(shí)數(shù)的取值范圍。

變式訓(xùn)練:函數(shù)yf(x)R上為增函數(shù),且f(2m)f(m9),則實(shí)數(shù)m的取值范圍是(  )

A(,-3)                          B(0,+)

C(3,+)                              D(,-3)(3,+)

(3)  求某些函數(shù)的值域或最值;

①直接法:利用常見函數(shù)的值域來求

一次函數(shù)y=ax+b(a0)的定義域?yàn)?/span>R,值域?yàn)?/span>R

反比例函數(shù)的定義域?yàn)?/span>{x|x0},值域?yàn)?/span>{y|y0};

二次函數(shù)的定義域?yàn)?/span>R

當(dāng)a>0時,值域?yàn)?/span>{};

當(dāng)a<0時,值域?yàn)?/span>{}

②配方法:轉(zhuǎn)化為二次函數(shù),利用二次函數(shù)的特征來求值;常轉(zhuǎn)化為型如:的形式;

③分式轉(zhuǎn)化法(或改為“分離常數(shù)法”)

④換元法:通過變量代換轉(zhuǎn)化為能求值域的函數(shù),化歸思想;

⑤三角有界法:轉(zhuǎn)化為只含正弦、余弦的函數(shù),運(yùn)用三角函數(shù)有界性來求值域;

⑥基本不等式法:轉(zhuǎn)化成型如:,利用平均值不等式公式來求值域;

⑦單調(diào)性法:函數(shù)為單調(diào)函數(shù),可根據(jù)函數(shù)的單調(diào)性求值域。

⑧數(shù)形結(jié)合:根據(jù)函數(shù)的幾何圖形,利用數(shù)型結(jié)合的方法來求值域。

例1.求下列函數(shù)的值域:

(1);(2);(3);

(4);(5);(6);

(7);(8);(9)

:(1)(配方法),

的值域?yàn)?span style="position:relative; top:12.0pt">。

改題:求函數(shù)的值域。

(利用函數(shù)的單調(diào)性)函數(shù)上單調(diào)增,

當(dāng)時,原函數(shù)有最小值為;當(dāng)時,原函數(shù)有最大值為。

函數(shù),的值域?yàn)?span style="position:relative;top:5.0pt">。

(2)求復(fù)合函數(shù)的值域:

設(shè)),則原函數(shù)可化為

又∵,

,故,

的值域?yàn)?span style="position:relative; top:5.0pt">。

(3)(法一)反函數(shù)法:

的反函數(shù)為,其定義域?yàn)?span style="position:relative;top:5.0pt">,

原函數(shù)的值域?yàn)?span style="position:relative;top:5.0pt">

(法二)分離變量法:,

,∴,

函數(shù)的值域?yàn)?span style="position:relative;top:5.0pt">。

(4)換元法(代數(shù)換元法):設(shè),則

原函數(shù)可化為,∴

原函數(shù)值域?yàn)?span style="position:relative; top:5.0pt">。

注:總結(jié)型值域,

變形:

(5)三角換元法:

,∴設(shè),

,∴,∴

,

原函數(shù)的值域?yàn)?span style="position:relative; top:5.0pt">

(6)數(shù)形結(jié)合法:,

,∴函數(shù)值域?yàn)?span style="position:relative;top:5.0pt">

(7)判別式法:∵恒成立,∴函數(shù)的定義域?yàn)?span style="position:relative; top:2.0pt">

得:    ①

①當(dāng)時,①即,∴

②當(dāng)時,∵時方程恒有實(shí)根,

,

,

原函數(shù)的值域?yàn)?span style="position:relative; top:5.0pt">。

(8),

,∴,

,

當(dāng)且僅當(dāng)時,即時等號成立。

,

原函數(shù)的值域?yàn)?span style="position:relative; top:12.0pt">。

(9)(法一)方程法:原函數(shù)可化為:

(其中),

,

,

,

原函數(shù)的值域?yàn)?span style="position:relative; top:12.0pt">。

點(diǎn)評:上面討論了用初等方法求函數(shù)值域的一些常見類型與方法,在現(xiàn)行的中學(xué)數(shù)學(xué)要求中,求值域要求不高,要求較高的是求函數(shù)的最大與最小值,在后面的復(fù)習(xí)中要作詳盡的討論。

案列探究

[例1已知函數(shù)f(x)(1,1)上有定義,f()=1,當(dāng)且僅當(dāng)0<x<1f(x)<0,且對任意x、y(1,1)都有f(x)+f(y)=f(),試證明:

(1)f(x)為奇函數(shù);(2)f(x)(1,1)上單調(diào)遞減.

命題意圖:本題主要考查函數(shù)的奇偶性、單調(diào)性的判定以及運(yùn)算能力和邏輯推理能力.屬★★★★題目.

知識依托:奇偶性及單調(diào)性定義及判定、賦值法及轉(zhuǎn)化思想.

錯解分析:本題對思維能力要求較高,如果“賦值”不夠準(zhǔn)確,運(yùn)算技能不過關(guān),結(jié)果很難獲得.

技巧與方法:對于(1),獲得f(0)的值進(jìn)而取x=y是解題關(guān)鍵;對于(2),判定的范圍是焦點(diǎn).

證明:(1)f(x)+f(y)=f(),x=y=0,f(0)=0,y=x,f(x)+f(x)=f()=f(0)=0.f(x)=f(x).f(x)為奇函數(shù).

(2)先證f(x)(0,1)上單調(diào)遞減.

0<x1<x2<1,f(x2)f(x1)=f(x2)f(x1)=f()

0<x1<x2<1,x2x1>0,1x1x2>0,∴>0,

(x2x1)(1x2x1)=(x21)(x1+1)<0

x2x1<1x2x1,

0<<1,由題意知f()<0,

f(x2)<f(x1).

f(x)(0,1)上為減函數(shù),又f(x)為奇函數(shù)且f(0)=0.

f(x)(1,1)上為減函數(shù).

[例2設(shè)函數(shù)f(x)是定義在R上的偶函數(shù),并在區(qū)間(-∞,0)內(nèi)單調(diào)遞增,f(2a2+a+1)<f(3a22a+1).a的取值范圍,并在該范圍內(nèi)求函數(shù)y=()的單調(diào)遞減區(qū)間.

命題意圖:本題主要考查函數(shù)奇偶性、單調(diào)性的基本應(yīng)用以及對復(fù)合函數(shù)單調(diào)性的判定方法.本題屬于★★★★★級題目.

知識依托:逆向認(rèn)識奇偶性、單調(diào)性、指數(shù)函數(shù)的單調(diào)性及函數(shù)的值域問題.

錯解分析:逆向思維受阻、條件認(rèn)識不清晰、復(fù)合函數(shù)判定程序紊亂.

技巧與方法:本題屬于知識組合題類,關(guān)鍵在于讀題過程中對條件的思考與認(rèn)識,通過本題會解組合題類,掌握審題的一般技巧與方法.

解:設(shè)0<x1<x2,則-x2<x1<0,∵f(x)在區(qū)間(-∞,0)內(nèi)單調(diào)遞增,

f(x2)<f(x1),f(x)為偶函數(shù),∴f(x2)=f(x2),f(x1)=f(x1),

f(x2)<f(x1).f(x)(0+)內(nèi)單調(diào)遞減.

f(2a2+a+1)<f(3a22a+1)得:2a2+a+1>3a22a+1.解之,得0<a<3.

a23a+1=(a)2.

∴函數(shù)y=()的單調(diào)減區(qū)間是[,+∞]

結(jié)合0<a<3,得函數(shù)y=()的單調(diào)遞減區(qū)間為[,3).

錦囊妙計

本難點(diǎn)所涉及的問題及解決方法主要有:

(1)判斷函數(shù)的奇偶性與單調(diào)性

若為具體函數(shù),嚴(yán)格按照定義判斷,注意變換中的等價性.

若為抽象函數(shù),在依托定義的基礎(chǔ)上,用好賦值法,注意賦值的科學(xué)性、合理性.

同時,注意判斷與證明、討論三者的區(qū)別,針對所列的“磁場”及“訓(xùn)練”認(rèn)真體會,用好數(shù)與形的統(tǒng)一.

復(fù)合函數(shù)的奇偶性、單調(diào)性.問題的解決關(guān)鍵在于:既把握復(fù)合過程,又掌握基本函數(shù).

(2)加強(qiáng)逆向思維、數(shù)形統(tǒng)一.正反結(jié)合解決基本應(yīng)用題目,下一節(jié)我們將展開研究奇偶性、單調(diào)性的應(yīng)用.

函數(shù)是高中數(shù)學(xué)的重要內(nèi)容,函數(shù)的單調(diào)性又是函數(shù)的重要性質(zhì)。在求解某些數(shù)學(xué)問題時,若能根據(jù)題目的結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)造出一個適當(dāng)?shù)膯握{(diào)函數(shù),往往能化難為易,化繁為簡,獲得巧解和妙解。下面舉例說明。

一. 巧求代數(shù)式的值

例1. 已知,求的值。

解:已知條件可化為

設(shè),則

在R上是增函數(shù)

則有,即

所以

點(diǎn)評:本題關(guān)鍵是將條件轉(zhuǎn)化為,再構(gòu)造相應(yīng)函數(shù),利用單調(diào)性求解。

拓展練習(xí):已知方程的根為α,方程的根為β,求α+β的值。(答案:

二. 妙解方程

例2. 解方程

解:易見x=2是方程的一個解

原方程可化為

(因?yàn)?img width="114" height="49" src="http://userimage8.360doc.com/21/0128/22/72877561_202101282246380451YLIS0NCV6UC9SAYJ70.jpg">)

在R上是減函數(shù),同樣在R上是減函數(shù)

因此在R上是減函數(shù)

由此知:當(dāng)時,

當(dāng)時,

這說明的數(shù)都不是方程的解,從而原方程僅有唯一解。

拓展訓(xùn)練:解方程。(答:

點(diǎn)評:解該類型題有兩大步驟:首先通過觀察找出其特解,然后等價轉(zhuǎn)化為的形式,最后根據(jù)的單調(diào)性得出原方程的解的結(jié)論。

三. 妙求函數(shù)的值域

例3. 求函數(shù)的值域。

解:令,則

因?yàn)?img width="63" height="17" src="http://userimage8.360doc.com/21/0128/22/72877561_2021012822463807328AJGGERI5ECBNU0VUO.jpg">,所以

內(nèi)遞增

所以

所以為所求原函數(shù)的值域。

四. 巧解不等式

例4. 解不等式

解:設(shè)

原不等式可化為

,即

設(shè)

顯然是R上的減函數(shù),且,那么不等式

因此有,解得

點(diǎn)評:解不等式其實(shí)質(zhì)是研究相應(yīng)函數(shù)的零點(diǎn),正負(fù)值問題。用函數(shù)觀點(diǎn)來處理此類問題,不僅可優(yōu)化解題過程,且能讓我們迅速獲得解題途徑。

拓展訓(xùn)練:解不等式。(答:

五. 巧證不等式

例5. 設(shè),求證。

證明:當(dāng)m,n中至少有一個為0時,則有,結(jié)論成立。

設(shè)

因?yàn)?img width="94" height="24" src="http://userimage8.360doc.com/21/0128/22/72877561_202101282246390154G96QGRIQ7SWFTOA6LI.jpg">在上單調(diào)遞增

所以必同號,或同為0(當(dāng)且僅當(dāng)時)

從而

因此,原不等式成立(當(dāng)且僅當(dāng),或時取“=”號)。

點(diǎn)評:原不等式等價于,這可由冪函數(shù)上遞增而得到。

本題可拓展:令,則。

六. 巧解恒成立問題

例6. 已知函數(shù)對區(qū)間上的一切x值恒有意義,求a的取值范圍。

解:依題意,

上任意x的值恒成立

整理為上任意x的值恒成立。

設(shè),只需

上是增函數(shù)

所以

七. 巧建不等關(guān)系

例7. 給定拋物線,F(xiàn)是C的焦點(diǎn),過點(diǎn)F的直線與C相交于A,B兩點(diǎn),設(shè)。若,求l在y軸上的截距的變化范圍。

解:設(shè)

,得

聯(lián)立(1)(2)(3)(4),解得

所以

所以的方程為

當(dāng)時,在y軸的截距為

,則

所以在[4,9]上是減函數(shù)

所以直線在y軸上截距的取值范圍是:

八. 巧解數(shù)列問題

例8. 已知數(shù)列是等差數(shù)列,。

(1)求數(shù)列的通項(xiàng)公式;

(2)設(shè)數(shù)列的通項(xiàng),Sn是數(shù)列的前n項(xiàng)和,試比較的大小,并證明你的結(jié)論。

解:(1)由,

因此

(2)

設(shè)(n為正整數(shù))

所以

上是遞增的

從而

所以當(dāng)時,

當(dāng)時,

1)兩個“同性”的函數(shù)的和或差的奇偶性不變; 
2)兩個“同性”的函數(shù)的積或商(商中除式不能為零)是偶函數(shù); 
3)兩個“異性”的函數(shù)的和或差是非奇非偶函數(shù); 
4)兩個“異性”的函數(shù)的積或商(商中除式不等于零)是奇函數(shù)。

    復(fù)合函數(shù)的單調(diào)性:遵循同增,異減的原則;在復(fù)合函數(shù)F(x)=f(g(x))中,設(shè)y=f(u),u=g(x),則:當(dāng)f(x)單增,且g(x)單增時;或當(dāng)f(x)單減,且g(x)單減時,y單增;當(dāng)f(x)單增,且g(x)單減時;或f(x)單減,且g(x)單增時,y單減;復(fù)合函數(shù)的奇偶性:f,g有一個是偶函數(shù),F就是偶函數(shù),只有f,g都是奇函數(shù)的時候,F才是奇函數(shù)。

課后作業(yè)

難點(diǎn)訓(xùn)練

一、選擇題

1.(★★★★)下列函數(shù)中的奇函數(shù)是(    )

A.f(x)=(x1)                                    B.f(x)=

C.f(x)=                                 D.f(x)=

2.(★★★★★)函數(shù)f(x)=的圖象(    )

A.關(guān)于x軸對稱                                                B.關(guān)于y軸對稱

C.關(guān)于原點(diǎn)對稱                                                D.關(guān)于直線x=1對稱

二、填空題

3.(★★★★)函數(shù)f(x)R上為增函數(shù),則y=f(|x+1|)的一個單調(diào)遞減區(qū)間是_________.

4.(★★★★★)若函數(shù)f(x)=ax3+bx2+cx+d滿足f(0)=f(x1)=f(x2)=0 (0<x1<x2),且在[x2,+上單調(diào)遞增,則b的取值范圍是_________.

三、解答題

5.(★★★★)已知函數(shù)f(x)=ax+ (a>1).

(1)證明:函數(shù)f(x)(1+)上為增函數(shù).

(2)用反證法證明方程f(x)=0沒有負(fù)數(shù)根.

6.(★★★★★)求證函數(shù)f(x)=在區(qū)間(1,+)上是減函數(shù).

7.(★★★★)設(shè)函數(shù)f(x)的定義域關(guān)于原點(diǎn)對稱且滿足:

(i)f(x1x2)=;

(ii)存在正常數(shù)a使f(a)=1.求證:

(1)f(x)是奇函數(shù).

(2)f(x)是周期函數(shù),且有一個周期是4a.

8.(★★★★★)已知函數(shù)f(x)的定義域?yàn)?/span>R,且對m、nR,恒有f(m+n)=f(m)+f(n)1,

f()=0,當(dāng)x>時,f(x)>0.

(1)求證:f(x)是單調(diào)遞增函數(shù);

(2)試舉出具有這種性質(zhì)的一個函數(shù),并加以驗(yàn)證.

參考答案

難點(diǎn)訓(xùn)練

一、1.解析:f(x)= =f(x),故f(x)為奇函數(shù).

答案:C

2.解析:f(x)=f(x),f(x)是奇函數(shù),圖象關(guān)于原點(diǎn)對稱.

答案:C

二、3.解析:令t=|x+1|,t(-∞,1上遞減,又y=f(x)R上單調(diào)遞增,∴y=f(|x+1|)(-∞,1上遞減.

答案:(-∞,1

4.解析:∵f(0)=f(x1)=f(x2)=0,f(0)=d=0.f(x)=ax(xx1)(xx2)=ax3a(x1+x2)x2+ax1x2x,

b=a(x1+x2),f(x)在[x2,+單調(diào)遞增,故a>0.又知0x1x,x1+x2>0,

b=a(x1+x2)0.

答案:(-∞,0

三、5.證明:(1)設(shè)-1x1x2+,x2x1>0,>1>0,

>0,x1+1>0,x2+1>0

>0,

于是f(x2)f(x1)=+ >0

f(x)(1+∞)上為遞增函數(shù).

(2)證法一:設(shè)存在x00(x0≠-1)滿足f(x0)=0,且由010<-1,x02x00矛盾,故f(x)=0沒有負(fù)數(shù)根.

證法二:設(shè)存在x00(x0≠-1)使f(x0)=0,若-1x00,<-2,1,f(x0)<-1f(x0)=0矛盾,若x0<-1,>0, >0,∴f(x0)>0f(x0)=0矛盾,故方程f(x)=0沒有負(fù)數(shù)根.

6.證明:∵x0,f(x)=,

設(shè)1x1x2+,.

f(x1)>f(x2),故函數(shù)f(x)(1,+∞)上是減函數(shù).(本題也可用求導(dǎo)方法解決)

7.證明:(1)不妨令x=x1x2,f(x)=f(x2x1)= 

=f(x1x2)=f(x).f(x)是奇函數(shù).

(2)要證f(x+4a)=f(x),可先計算f(x+a),f(x+2a).

f(x+a)=fx(a)=.

f(x+4a)=f(x+2a)+2a==f(x),f(x)是以4a為周期的周期函數(shù).

8.(1)證明:設(shè)x1x2,x2x1>,由題意f(x2x1)>0,

f(x2)f(x1)=f(x2x1)+x1]-f(x1)=f(x2x1)+f(x1)1f(x1)=f(x2x1)1=f(x2x1)+f()1=f(x2x1)>0,

f(x)是單調(diào)遞增函數(shù).

(2)解:f(x)=2x+1.驗(yàn)證過程略.

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