2020-2022年高考数学真题分专题训练 专题04 导数及其应用(解答题)(理科专用)(教师版含解析).docx
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1、三年专题04 导数及其应用(解答题)(理科专用)1【2022年全国甲卷】已知函数fx=exx-lnx+x-a(1)若fx0,求a的取值范围;(2)证明:若fx有两个零点x1,x2,则环x1x20,再利用导数即可得证.(1)f(x)的定义域为(0,+),f(x)=(1x-1x2)ex-1x+1 =1x(1-1x)ex+(1-1x)=x-1x(exx+1)令f(x)=0,得x=1当x(0,1),f(x)0,f(x)单调递增f(x)f(1)=e+1-a,若f(x)0,则e+1-a0,即ae+1所以a的取值范围为(-,e+1(2)由题知,f(x)一个零点小于1,一个零点大于1不妨设x11x2要证x1x
2、21,即证x1f(1x2)因为f(x1)=f(x2),即证f(x2)f(1x2)即证exx-lnx+x-xe1x-lnx-1x0,x(1,+)即证exx-xe1x-2lnx-12(x-1x)0下面证明x1时,exx-xe1x0,lnx-12(x-1x)1,则g(x)=(1x-1x2)ex-(e1x+xe1x(-1x2)=1x(1-1x)ex-e1x(1-1x)=(1-1x)(exx-e1x)=x-1x(exx-e1x)设(x)=exx(x1),(x)=(1x-1x2)ex=x-1x2ex0所以(x)(1)=e,而e1x0,所以g(x)0所以g(x)在(1,+)单调递增即g(x)g(1)=0,所
3、以exx-xe1x0令h(x)=lnx-12(x-1x),x1h(x)=1x-12(1+1x2)=2x-x2-12x2=-(x-1)22x20所以h(x)在(1,+)单调递减即h(x)h(1)=0,所以lnx-12(x-1x)0,所以x1x20,当x(-1,0),g(x)=ex+a1-x20,即f(x)0所以f(x)在(-1,0)上单调递增,f(x)0所以g(x)在(0,+)上单调递增所以g(x)g(0)=1+a0,即f(x)0所以f(x)在(0,+)上单调递增,f(x)f(0)=0故f(x)在(0,+)上没有零点,不合题意3若a0,所以g(x)在(0,+)上单调递增g(0)=1+a0所以存在
4、m(0,1),使得g(m)=0,即f(m)=0当x(0,m),f(x)0,f(x)单调递增所以当x(0,m),f(x)0所以g(x)在(-1,0)单调递增g(-1)=1e+2a0所以存在n(-1,0),使得g(n)=0当x(-1,n),g(x)0,g(x)单调递增,g(x)g(0)=1+a0所以存在t(-1,n),使得g(t)=0,即f(t)=0当x(-1,t),f(x)单调递增,当x(t,0),f(x)单调递减有x-1,f(x)-而f(0)=0,所以当x(t,0),f(x)0所以f(x)在(-1,t)上有唯一零点,(t,0)上无零点即f(x)在(-1,0)上有唯一零点所以a1时, ex-x=
5、b的解的个数、x-lnx=b的解的个数均为2,构建新函数h(x)=ex+lnx-2x,利用导数可得该函数只有一个零点且可得f(x),g(x)的大小关系,根据存在直线y=b与曲线y=f(x)、y=g(x)有三个不同的交点可得b的取值,再根据两类方程的根的关系可证明三根成等差数列.(1)f(x)=ex-ax的定义域为R,而f(x)=ex-a,若a0,则f(x)0,此时f(x)无最小值,故a0.g(x)=ax-lnx的定义域为(0,+),而g(x)=a-1x=ax-1x.当xlna时,f(x)lna时,f(x)0,故f(x)在(lna,+)上为增函数,故f(x)min=f(lna)=a-alna.当
6、0x1a时,g(x)1a时,g(x)0,故g(x)在(1a,+)上为增函数,故g(x)min=g(1a)=1-ln1a.因为f(x)=ex-ax和g(x)=ax-lnx有相同的最小值,故1-ln1a=a-alna,整理得到a-11+a=lna,其中a0,设g(a)=a-11+a-lna,a0,则g(a)=2(1+a)2-1a=-a2-1a(1+a)20,故g(a)为(0,+)上的减函数,而g(1)=0,故g(a)=0的唯一解为a=1,故1-a1+a=lna的解为a=1.综上,a=1.(2)由(1)可得f(x)=ex-x和g(x)=x-lnx的最小值为1-ln1=1-ln11=1.当b1时,考虑
7、ex-x=b的解的个数、x-lnx=b的解的个数.设S(x)=ex-x-b,S(x)=ex-1,当x0时,S(x)0时,S(x)0,故S(x)在(-,0)上为减函数,在(0,+)上为增函数,所以S(x)min=S(0)=1-b0,S(b)=eb-2b,设u(b)=eb-2b,其中b1,则u(b)=eb-20,故u(b)在(1,+)上为增函数,故u(b)u(1)=e-20,故S(b)0,故S(x)=ex-x-b有两个不同的零点,即ex-x=b的解的个数为2.设T(x)=x-lnx-b,T(x)=x-1x,当0x1时,T(x)1时,T(x)0,故T(x)在(0,1)上为减函数,在(1,+)上为增函
8、数,所以T(x)min=T(1)=1-b0,T(eb)=eb-2b0,T(x)=x-lnx-b有两个不同的零点即x-lnx=b的解的个数为2.当b=1,由(1)讨论可得x-lnx=b、ex-x=b仅有一个零点,当b1.设h(x)=ex+lnx-2x,其中x0,故h(x)=ex+1x-2,设s(x)=ex-x-1,x0,则s(x)=ex-10,故s(x)在(0,+)上为增函数,故s(x)s(0)=0即exx+1,所以h(x)x+1x-12-10,所以h(x)在(0,+)上为增函数,而h(1)=e-20,h(1e3)=e1e3-3-2e3e-3-2e30,故h(x)在(0,+)上有且只有一个零点x
9、0,1e3x01且:当0xx0时,h(x)0即ex-xx-lnx即f(x)x0时,h(x)0即ex-xx-lnx即f(x)g(x),因此若存在直线y=b与曲线y=f(x)、y=g(x)有三个不同的交点,故b=f(x0)=g(x0)1,此时ex-x=b有两个不同的零点x1,x0(x10x0),此时x-lnx=b有两个不同的零点x0,x4(0x011,故x0=x4-bx1=x0-b即x1+x4=2x0.【点睛】思路点睛:函数的最值问题,往往需要利用导数讨论函数的单调性,此时注意对参数的分类讨论,而不同方程的根的性质,注意利用方程的特征找到两类根之间的关系.4【2022年新高考2卷】已知函数f(x)
10、=xeax-ex(1)当a=1时,讨论f(x)的单调性;(2)当x0时,f(x)ln(n+1)【答案】(1)f(x)的减区间为(-,0),增区间为(0,+).(2)a12(3)见解析【解析】【分析】(1)求出f(x),讨论其符号后可得f(x)的单调性.(2)设h(x)=xeax-ex+1,求出h(x),先讨论a12时题设中的不等式不成立,再就0a12结合放缩法讨论h(x)符号,最后就a0结合放缩法讨论h(x)的范围后可得参数的取值范围.(3)由(2)可得2lnt1恒成立,从而可得ln(n+1)-lnn1n2+n对任意的nN*恒成立,结合裂项相消法可证题设中的不等式.(1)当a=1时,f(x)=
11、(x-1)ex,则f(x)=xex,当x0时,f(x)0时,f(x)0,故f(x)的减区间为(-,0),增区间为(0,+).(2)设h(x)=xeax-ex+1,则h(0)=0,又h(x)=(1+ax)eax-ex,设g(x)=(1+ax)eax-ex,则g(x)=(2a+a2x)eax-ex,若a12,则g(0)=2a-10,因为g(x)为连续不间断函数,故存在x0(0,+),使得x(0,x0),总有g(x)0,故g(x)在(0,x0)为增函数,故g(x)g(0)=0,故h(x)在(0,x0)为增函数,故h(x)h(0)=-1,与题设矛盾.若00,总有ln(1+x)x成立,证明:设S(x)=
12、ln(1+x)-x,故S(x)=11+x-1=-x1+x0,故S(x)在(0,+)上为减函数,故S(x)S(0)=0即ln(1+x)x成立.由上述不等式有eax+ln(1+ax)-exeax+ax-ex=e2ax-ex0,故h(x)0总成立,即h(x)在(0,+)上为减函数,所以h(x)h(0)=-1.当a0时,有h(x)=eax-ex+axeax1-1+0=0,所以h(x)在(0,+)上为减函数,所以h(x)0,总有xe12x-ex+11,t2=ex,x=2lnt,故2tlntt2-1即2lnt1恒成立.所以对任意的nN*,有2lnn+1nn+1n-nn+1,整理得到:ln(n+1)-lnn
13、ln2-ln1+ln3-ln2+ln(n+1)-lnn=ln(n+1),故不等式成立.【点睛】思路点睛:函数参数的不等式的恒成立问题,应该利用导数讨论函数的单调性,注意结合端点处导数的符号合理分类讨论,导数背景下数列不等式的证明,应根据已有的函数不等式合理构建数列不等式.5【2021年甲卷理科】已知且,函数(1)当时,求的单调区间;(2)若曲线与直线有且仅有两个交点,求a的取值范围【答案】(1)上单调递增;上单调递减;(2).【解析】【分析】(1)求得函数的导函数,利用导函数的正负与函数的单调性的关系即可得到函数的单调性;(2)方法一:利用指数对数的运算法则,可以将曲线与直线有且仅有两个交点等
14、价转化为方程有两个不同的实数根,即曲线与直线有两个交点,利用导函数研究的单调性,并结合的正负,零点和极限值分析的图象,进而得到,发现这正好是,然后根据的图象和单调性得到的取值范围.【详解】(1)当时,,令得,当时,,当时,,函数在上单调递增;上单调递减;(2)方法一【最优解】:分离参数,设函数,则,令,得,在内,单调递增;在上,单调递减;,又,当趋近于时,趋近于0,所以曲线与直线有且仅有两个交点,即曲线与直线有两个交点的充分必要条件是,这即是,所以的取值范围是.方法二:构造差函数由与直线有且仅有两个交点知,即在区间内有两个解,取对数得方程在区间内有两个解构造函数,求导数得当时,在区间内单调递增
15、,所以,在内最多只有一个零点,不符合题意;当时,令得,当时,;当时,;所以,函数的递增区间为,递减区间为由于,当时,有,即,由函数在内有两个零点知,所以,即构造函数,则,所以的递减区间为,递增区间为,所以,当且仅当时取等号,故的解为且所以,实数a的取值范围为方法三分离法:一曲一直曲线与有且仅有两个交点等价为在区间内有两个不相同的解因为,所以两边取对数得,即,问题等价为与有且仅有两个交点当时,与只有一个交点,不符合题意当时,取上一点在点的切线方程为,即当与为同一直线时有得直线的斜率满足:时,与有且仅有两个交点记,令,有在区间内单调递增;在区间内单调递减;时,最大值为,所当且时有综上所述,实数a的
16、取值范围为方法四:直接法因为,由得当时,在区间内单调递减,不满足题意;当时,由得在区间内单调递增,由得在区间内单调递减因为,且,所以,即,即,两边取对数,得,即令,则,令,则,所以在区间内单调递增,在区间内单调递减,所以,所以,则的解为,所以,即故实数a的范围为【整体点评】本题考查利用导数研究函数的单调性,根据曲线和直线的交点个数求参数的取值范围问题,属较难试题,方法一:将问题进行等价转化,分离参数,构造函数,利用导数研究函数的单调性和最值,图象,利用数形结合思想求解.方法二:将问题取对,构造差函数,利用导数研究函数的单调性和最值.方法三:将问题取对,分成与两个函数,研究对数函数过原点的切线问
17、题,将切线斜率与一次函数的斜率比较得到结论方法四:直接求导研究极值,单调性,最值,得到结论.6【2021年乙卷理科】设函数,已知是函数的极值点(1)求a;(2)设函数证明:【答案】(1);(2)证明见详解【解析】【分析】(1)由题意求出,由极值点处导数为0即可求解出参数;(2)由(1)得,且,分类讨论和,可等价转化为要证,即证在和上恒成立,结合导数和换元法即可求解【详解】(1)由,又是函数的极值点,所以,解得;(2)方法一:转化为有分母的函数由()知,其定义域为要证,即证,即证()当时,即证令,因为,所以在区间内为增函数,所以()当时,即证,由()分析知在区间内为减函数,所以综合()()有方法
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