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4.2 导数与单调性

导数及其运算与应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用导数符号判断函数在区间内增减性的方法,即 $f'(x)>0$ 增,$f'(x)<0$ 减。

从哪来 建立在 8.1 数形结合 之上。通过观察函数图像的走势(上升或下降),结合割线斜率的变化,将几何直观转化为代数符号判断。

为什么 导数 $f'(x)$ 本质上是函数在某点切线的斜率。 1. 几何直观:当图像从左向右“爬升”时,切线指向右上方,斜率为正;当图像“下滑”时,切线指向右下方,斜率为负。 2. 代数逻辑:根据拉格朗日中值定理,若区间内任意两点 $x_1 < x_2$,存在 $\xi \in (x_1, x_2)$ 使得 $\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1} = f'(\xi)$。若 $f'(x)$ 恒正,则差商恒正,即 $f(x_2) > f(x_1)$,函数单调递增。

直观演示法
适合形象思维强、抽象逻辑稍弱的学生。 1. 展示一个滑梯模型,让学生描述“往上滑”和“往下滑”的感觉。 2. 在黑板上画出 $y=x^3$ 的图像,用直尺模拟切线。 3. 提问:当切线“抬头”时,$x$ 增大,$y$ 怎么变?(变大)此时斜率是正还是负?(正)。 4. 结论:斜率正 $\rightarrow$ 函数增。
极限逼近法
适合逻辑严密、喜欢推导的学生。 1. 回顾平均变化率 $\frac{\Delta y}{\Delta x}$。 2. 当 $\Delta x$ 趋近于 0 时,平均变化率趋近于瞬时变化率(导数)。 3. 如果函数一直在增加,那么任意微小的 $\Delta x > 0$ 对应的 $\Delta y$ 必须大于 0。 4. 因此 $\frac{\Delta y}{\Delta x} > 0$,取极限得 $f'(x) \ge 0$。
反证假设法
适合容易混淆概念、需要强化逻辑链条的学生。 1. 假设 $f(x)$ 在区间单调递增。 2. 取区间内任意两点 $a < b$。 3. 由递增定义知 $f(b) > f(a)$,即 $f(b) - f(a) > 0$。 4. 由中值定理,$f(b) - f(a) = f'(\xi)(b-a)$。 5. 因为 $b-a > 0$ 且结果为正,所以 $f'(\xi)$ 必须为正。 6. 既然 $\xi$ 是任意的,所以整个区间导数非负。
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练一道
基础题
求函数 $f(x) = x^3 - 3x$ 的单调区间。
变式
若函数 $f(x) = x^3 + ax$ 在 $\mathbb{R}$ 上单调递增,求 $a$ 的取值范围。
试试手自己判
检测题
函数 $f(x) = \ln x - ax$ ($a \in \mathbb{R}$) 在 $(0, +\infty)$ 上单调递减,求 $a$ 的取值范围。
看答案和判分标准
答案:$a \ge 1$
判对标准:
1. 正确求出 $f'(x) = \frac{1}{x} - a$。
2. 正确列出条件:$f'(x) \le 0$ 在 $(0, +\infty)$ 恒成立。
3. 正确变形为 $a \ge \frac{1}{x}$ 对任意 $x > 0$ 恒成立。
4. 正确分析 $\frac{1}{x}$ 在 $(0, +\infty)$ 无最大值,但题目要求单调递减,通常指 $f'(x) \le 0$。
*修正思考*:若 $a < 1$,当 $x$ 很大时,$\frac{1}{x} < a$,则 $f'(x) > 0$,函数递增,不符合题意。
若 $a \ge 1$,则 $\frac{1}{x} < 1 \le a$,故 $\frac{1}{x} - a < 0$,函数递减。
所以 $a \ge 1$。
关键点:学生若写出 $a > 1$ 则扣分,因为 $a=1$ 时 $f'(x) = \frac{1}{x} - 1$,当 $x>1$ 时 $f'(x)<0$,当 $00$,此时函数先增后减,不是在 $(0, +\infty)$ 上单调递减。
等等,重新审视题目:“在 $(0, +\infty)$ 上单调递减”。
若 $a=1$,$f(x) = \ln x - x$。$f'(x) = \frac{1}{x} - 1$。
当 $x \in (0, 1)$ 时,$f'(x) > 0$,函数递增。
当 $x \in (1, +\infty)$ 时,$f'(x) < 0$,函数递减。
所以 $a=1$ 时,函数在 $(0, +\infty)$ 上不单调递减。

重新推导:
要求 $f'(x) = \frac{1}{x} - a \le 0$ 对任意 $x > 0$ 恒成立。
即 $a \ge \frac{1}{x}$ 对任意 $x > 0$ 恒成立。
因为 $x$ 可以取任意小的正数,$\frac{1}{x}$ 可以趋向于 $+\infty$。
不存在有限的 $a$ 使得 $a \ge \frac{1}{x}$ 对所有 $x>0$ 成立。

结论修正:
如果题目是“单调递减”,则无解?
不,通常这类题目会限定区间,或者问“单调递减区间包含...”。
或者,题目可能是 $f(x) = \ln x - ax$ 在 $(1, +\infty)$ 单调递减?

让我们换一个更稳妥的检测题,避免歧义:

替换检测题:
已知函数 $f(x) = x^3 - 3x^2 + 1$,若 $f(x)$ 在区间 $(m, m+2)$ 上单调递减,求 $m$ 的取值范围。
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