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三、导数与最值

导数及其运算与应用 · 高一
讲清楚它是什么

定义 利用导数判断函数单调性,进而求出函数在给定区间上的最大值与最小值的方法。

从哪来 本节为高一第1讲起点,图谱未记录前置知识点。基于高中数学必修内容,直接引入导数概念及其几何意义,作为研究函数性质(单调性、极值)的新工具。

为什么 函数最值本质是寻找函数图像的最高点和最低点。直接观察图像或代数比较在复杂函数中困难。导数 $f'(x)$ 的符号直接反映函数 $f(x)$ 的增减趋势:$f'(x)>0$ 时函数递增,$f'(x)<0$ 时函数递减。通过解不等式 $f'(x)=0$ 找到“转折点”(驻点),再结合区间端点值比较,即可逻辑严密地锁定最值。这是将“局部变化率”转化为“全局最值”的核心逻辑。

适合:直观型、视觉记忆型学生** **讲法:登山与下坡模型** 把函数图像比作一座连绵的山脉。导数 $f'(x)$ 就是脚下的坡度。 1. 上坡($f'>0$):你正在往高处走,还没到顶。 2. 下坡($f'<0$):你正在往低处走,已经过了顶。 3. 平地($f'=0$):可能是山顶(极大值),也可能是谷底(极小值),或者是平缓路段。 **求最值步骤
- 先找出所有“平地”位置(解 $f'(x)=0$)。 - 把这些点连同“起点”和“终点”(区间端点)都标记在地图上。 - 最后比较这几个标记点的高度(函数值),最高的就是最大值,最低的就是最小值。 *强调:最值不一定在平地,也可能在起点或终点。*
适合:逻辑型、程序化思维学生** **讲法:算法流程图** 将求最值过程标准化为四个步骤的算法: 1. **求导
计算 $f'(x)$。 2. 找点:解方程 $f'(x)=0$,得到驻点 $x_1, x_2, \dots$;同时确定定义域区间 $[a, b]$ 的端点 $a, b$。 3. 列表:制作表格,列出所有候选点 $\{a, b, x_1, x_2, \dots\}$。 4. 比大小:计算每个候选点的函数值 $f(a), f(b), f(x_1), \dots$,取最大者为最大值,最小者为最小值。 *强调:这是一个封闭的、可重复执行的程序,只要步骤没错,结果必对。*
讲法
适合:抽象思维强、喜欢探究原理的学生 讲法:单调性分割法 核心思想是“分段单调”。 1. 导数符号不变,函数单调性不变。 2. 导数符号改变,函数单调性改变。 3. 在闭区间 $[a, b]$ 上,函数图像由若干段单调曲线拼接而成。 4. 每一段单调曲线的最值必然出现在该段的端点。 5. 因此,整个区间的最值必然出现在所有单调段的分界点(即导数为0的点)或区间的整体端点。 *强调:理解“最值必在端点或驻点”的拓扑学本质,而非死记硬背。*
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练一道
基础题
求函数 $f(x) = x^3 - 3x$ 在区间 $[-2, 2]$ 上的最大值和最小值。
变式
求函数 $f(x) = x e^{-x}$ 在区间 $[0, 2]$ 上的最大值。
试试手自己判
检测题
已知函数 $f(x) = x^3 - 3x^2 + 2$,求其在区间 $[-1, 3]$ 上的最大值和最小值。
看答案和判分标准
答案:最大值:2;最小值:-4。
判对标准:
1. 正确求出导数 $f'(x) = 3x^2 - 6x$。
2. 正确解出驻点 $x=0$ 和 $x=2$,且均确认在区间 $[-1, 3]$ 内。
3. 正确计算四个候选点的函数值:
- $f(-1) = -1 - 3 + 2 = -2$
- $f(0) = 2$
- $f(2) = 8 - 12 + 2 = -2$
- $f(3) = 27 - 27 + 2 = 2$
4. 正确比较得出最大值2,最小值-2? 等等,让我重新算一下最小值。
$f(-1) = -2$
$f(0) = 2$
$f(2) = -2$
$f(3) = 2$
最小值应该是 -2,最大值是 2。

*修正答案*:
最大值:2;最小值:-2。

*再次检查计算*:
$f(x) = x^3 - 3x^2 + 2$
$f(-1) = (-1)^3 - 3(-1)^2 + 2 = -1 - 3 + 2 = -2$
$f(0) = 0 - 0 + 2 = 2$
$f(2) = 2^3 - 3(2)^2 + 2 = 8 - 12 + 2 = -2$
$f(3) = 3^3 - 3(3)^2 + 2 = 27 - 27 + 2 = 2$

确实,最大值是2,最小值是-2。
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