书名:高考导数探秘:解题技巧与策略
ISBN:978-7-115-64259-2
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编 著 董晟渤
责任编辑 李 宁
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函数与导数相关题目历年来都是高考中的难点,题型千变万化。本书从基本的做题方法着手,整理了不同的导数题型,由浅入深地讲解了导数问题的基本解答技巧,特别针对多变量问题、极值点偏移问题、隐零点问题、复杂函数问题、函数与数列结合的问题进行了详细介绍。
本书是作者多年来辅导高中生学习数学的经验结晶,适合进行高考复习的高中生和相关高中数学老师阅读。
自从我在 2018 年的寒假写下第一篇知乎文章至今,已经 6 年多了.当时还是高中生的我,热衷于研究高考数学中的难题,尤其是导数与解析几何.我把整理出来的解题技巧,写成文章发在了知乎上.尽管当时的文章存在不足,但是在这 6 年多里,我收获了 10 多万的关注者与 20 多万次的收藏,有许多高中生因此受益,考上了自己理想的大学.6 年多过去,作为北京大学数学科学学院在读研究生,我接触了更高等、更现代的数学,对数学的理解也比过去更深.
本书大概讲了些什么内容呢?
第 1 讲介绍基础知识,回顾了函数与导数的定义,作为本书讨论的出发点.
第2讲介绍处理导数问题的基本方法,围绕分类讨论与分离变量这两大基本方法进行了系统的讲解,作为导数问题解题的入门.这里介绍的是后面解题过程中常常要用到的重要方法,学习完本书后建议回来复习一遍.
第3讲介绍基本工具,许多高考题涉及函数不等式,例如  ,以及更加复杂的
 ,以及更加复杂的  .本讲对不等式做了系统的梳理,在学习完后读者将会对这些不等式有一定的理解.
 .本讲对不等式做了系统的梳理,在学习完后读者将会对这些不等式有一定的理解.
第 4 讲到第 8 讲详细介绍了多种不同的导数问题,以及对应的思维方法与处理策略,例如多变量问题、极值点偏移问题、隐零点问题等.
第 9 讲介绍 2024 年的高考导数真题.
第 10 讲介绍补充知识,面向学有余力且对微积分感兴趣的读者,选讲了高等数学与数学分析中的一些基本概念,有助于读者站在更高的视角看问题,从而加深对导数的理解.
书中带星号  的部分,是高考不要求掌握的内容,供学有余力的读者学习.同时,本书注重的是解题技巧,而不是对具体题目的解答,所以部分经典题目可能会在多个地方出现,我会从不同的角度作出解答. 也许读者在阅读本书的时候,会有一种阅读我的知乎文章的感觉,因为本书并不仅仅是题目和答案的堆积,还有我对概念和题目的理解.
 的部分,是高考不要求掌握的内容,供学有余力的读者学习.同时,本书注重的是解题技巧,而不是对具体题目的解答,所以部分经典题目可能会在多个地方出现,我会从不同的角度作出解答. 也许读者在阅读本书的时候,会有一种阅读我的知乎文章的感觉,因为本书并不仅仅是题目和答案的堆积,还有我对概念和题目的理解.
本书适合的对象是数学成绩较好、希望能破解压轴题的高中生,尤其是平常的数学考试分数在 120 分以上的高三学生.考虑到本书是我的讲稿,所以本书也适合高中数学老师参考.建议在使用本书的过程中,首先阅读正文部分的内容,学习例题的处理方法.对于部分题目,我可能从不同角度给出多种解答方法.建议读者在学习了基本方法后,自己尝试做一遍例题,并且一定要完成课后练习.本书在最后也给出了课后练习的参考解答.一定要注意的是,我并不是在教读者背“套路”,而是在教读者思维方法.在遇到具体题目的时候,有时并不是靠“套路”解题,而是要灵活地“见招拆招”,用合适的工具解题.
当然,本书不可能包含  的导数问题解答方法.也许在本书出版一段时间后,会出现新的题型和方法,但是本书处理问题的思路仍然是通用的.并且我相信,在学习完相应内容后,读者将会具备理解导数问题的解答思路的能力.
 的导数问题解答方法.也许在本书出版一段时间后,会出现新的题型和方法,但是本书处理问题的思路仍然是通用的.并且我相信,在学习完相应内容后,读者将会具备理解导数问题的解答思路的能力.
回顾本书完成的过程,我要衷心感谢陈宇灿、邓志宇、王孝宇、吴梓帆、熊雄和张文增 (按照姓氏拼音排序),他们的审校和建议使这本书更加完善.同时也要感谢人民邮电出版社的李宁编辑,她的努力工作是这本书顺利出版的关键.希望读者能在学习中有所收获.只要有人能从本书中学到一些东西,我写作过程中的努力就是有意义的.
董晟渤(Dylaaan)
2024 年 3 月于燕园
 1.1 函数的定义与性质
 1.1 函数的定义与性质讲解导数需要从函数的定义出发.很多学生知道什么是函数,但是常会忘记函数的定义.
高中的课本按照如下方式定义函数:设 、
 、 是非空的数集(需要注意,所谓的“函数”实质上是数集到数集的映射,“数集”指实数集合
 是非空的数集(需要注意,所谓的“函数”实质上是数集到数集的映射,“数集”指实数集合  的子集),如果按照某个确定的对应关系
 的子集),如果按照某个确定的对应关系  ,使对于集合
 ,使对于集合  中的任意一个数
 中的任意一个数  ,在集合
 ,在集合  中都有唯一确定的数
 中都有唯一确定的数  和它对应,那么就称
 和它对应,那么就称  为从集合
 为从集合  到集合
 到集合  的一个函数 (见下图),记作
 的一个函数 (见下图),记作  .函数的本质是一个映射,因此也可以记为
 .函数的本质是一个映射,因此也可以记为
 .
.
函数的定义示意图
在函数的定义中,有一些需要注意的概念:
●  叫作自变量,
 叫作自变量, 叫作因变量或函数值;
 叫作因变量或函数值;
●  的取值范围
 的取值范围  叫作函数的定义域;
 叫作函数的定义域;
● 函数值的集合  叫作函数的值域;
 叫作函数的值域;
● 将点集  绘制在平面直角坐标系
 绘制在平面直角坐标系  中,所得的图像叫作函数的图像.绘制出函数的图像,并进行“数形结合”,是常用的解题思路.
 中,所得的图像叫作函数的图像.绘制出函数的图像,并进行“数形结合”,是常用的解题思路.
函数的定义比较抽象,需要理解,但通常在高考中不会直接考查.高考中较为重视的是一些常用函数性质的考查,为此需要介绍基本初等函数,主要包括以下几种.
● 初中已经接触过的一次函数  、二次函数
 、二次函数  ,进一步还可以考虑三次函数
 ,进一步还可以考虑三次函数  .高考中的一些题目会涉及三次函数,这通常需要借助导数.一般地,对于正整数
 .高考中的一些题目会涉及三次函数,这通常需要借助导数.一般地,对于正整数  ,函数
,函数
称为多项式函数, 叫作多项式函数的次数.
 叫作多项式函数的次数.
● 初中已经接触过的反比例函数  、根式函数
 、根式函数  .另外,一般地,对于实数
.另外,一般地,对于实数  ,函数
,函数
称为幂函数,  的取值范围与
 的取值范围与  有关,
 有关,  叫作幂函数的幂.幂函数的性质也需要非常熟悉.
 叫作幂函数的幂.幂函数的性质也需要非常熟悉.
● 初中简单介绍,而在高中给出了严格定义的正弦函数  、余弦函数
 、余弦函数  、正切函数
 、正切函数  ,其中
,其中  .另外,还有以下函数:
.另外,还有以下函数:
 .
.
这几个函数在高考中不会出现,但是在将来的数学课和实际应用中较为常见.一般地,对于实数  ,函数
 ,函数
称为三角函数,  叫作三角函数的振幅,
 叫作三角函数的振幅,  叫作三角函数的频率,
 叫作三角函数的频率,  叫作三角函数的相位,
 叫作三角函数的相位,  叫作三角函数的周期.三角函数在物理学和工程中常用.
 叫作三角函数的周期.三角函数在物理学和工程中常用.
● 设实数  且
 且  ,函数
,函数
称为指数函数.对应的反函数
称为对数函数.若取  (自然常数[1] ),则对数函数记作
 (自然常数[1] ),则对数函数记作  .指数函数
 .指数函数  和对数函数
 和对数函数  非常重要,有特别的性质,在高考中最常考查.
 非常重要,有特别的性质,在高考中最常考查.
[1] 自然常数  是怎么来的?我将在后文简要介绍.
 是怎么来的?我将在后文简要介绍.
为了更清楚地看出函数的形式,我们常常会绘制函数的图像.绘出图像后会发现,有些函数是对称的,其中包括轴对称和中心对称.特别地,将函数图像的对称轴选为  轴,或者将对称中心选为坐标原点,就可以得到奇函数与偶函数的概念.
 轴,或者将对称中心选为坐标原点,就可以得到奇函数与偶函数的概念.
● 若函数  的图像关于
 的图像关于  轴对称,即
 轴对称,即
 ,
,
则称函数  为偶函数,例如函数
 为偶函数,例如函数  .在这里可以思考,偶函数
 .在这里可以思考,偶函数  的导数
 的导数  是偶函数吗?为什么?
 是偶函数吗?为什么?
● 若函数  的图像关于坐标原点对称,即
 的图像关于坐标原点对称,即
 ,
,
则称函数  为奇函数,例如函数
 为奇函数,例如函数  .在这里可以思考,奇函数
 .在这里可以思考,奇函数  的导数
 的导数  是奇函数吗? 为什么?
 是奇函数吗? 为什么?
有时候,函数的图像不一定是恰好关于  轴对称,或者恰好关于原点对称的.例如,若函数满足
 轴对称,或者恰好关于原点对称的.例如,若函数满足
 ,
,
则  是该函数图像的对称轴;若函数满足
 是该函数图像的对称轴;若函数满足
 ,
,
则  是该函数图像的对称中心.
 是该函数图像的对称中心.
真题1.1 (取自 2021 年新高考 I 卷[2]) 已知函数  是偶函数,则
 是偶函数,则  .
.
[2] 编者注:为了提升阅读体验并简化表达,本书中的高考试题名称采用了简称形式,例如将“2023 年高考全国乙卷理科数学”简称为“2023 年乙卷理数”,将“2020 年高考 II 卷文科数学”简称为“2020 年 II 卷文数”,以此类推.这样既保持了信息的真实性,又提高了文本的可读性.
解答 根据偶函数的定义,令
 ,
,
对比系数,解得  .
.
真题1.2(取自 2021 年新高考 II 卷) 写出一个同时具有下列性质 (1)(2)(3)的函数  :
 :  .
 .
(1) ;
;
(2)当  时,
 时, ;
;
(3) 是奇函数.
 是奇函数.
解答 考虑函数  ,可以验证它满足
 ,可以验证它满足  .
 .
真题1.3(取自2023年乙卷理数) 已知函数  .是否存在
 .是否存在  ,使得曲线
,使得曲线  关于直线
 关于直线  对称,若存在,求
 对称,若存在,求  的值,若不存在,说明理由.
 的值,若不存在,说明理由.
解答 令  ,由
 ,由  ,解得
 ,解得 .考虑到函数的定义域关于直线
.考虑到函数的定义域关于直线  对称,取
 对称,取  .接下来,令
.接下来,令 ,即
,即
 .
.
经检验  满足题意.  ■
 满足题意.  ■
另外,有些函数有可能会有些函数值“重复出现”,或者用更数学一点的语言来说,会出现“周期性”.
● 若存在  ,使得函数
,使得函数  满足
 满足
则称函数  为周期函数,并称
 为周期函数,并称  为函数
 为函数  的周期.例如函数
 的周期.例如函数  或其他的三角函数.事实上,我们知道
 或其他的三角函数.事实上,我们知道  是周期函数,而一个非周期函数的例子是
 是周期函数,而一个非周期函数的例子是  .
 .
高考中,对于一些定义复杂的函数,有时候需要通过对称性和周期性巧妙地解题.
真题1.4(取自 2021 年新高考 II 卷) 已知函数  的定义域为
 的定义域为  为偶函数,
 为偶函数,  为奇函数,则
 为奇函数,则  .
.
A.
B.
C.
D.
满足  为偶函数,
 为偶函数, 为奇函数的函数
 为奇函数的函数  的简图
 的简图
解答 根据  为偶函数,知
 为偶函数,知  关于直线
 关于直线  对称;再根据
 对称;再根据  为奇函数,知
 为奇函数,知  为奇函数,从而
 为奇函数,从而  ,并且
 ,并且  关于点
 关于点  对称.据此,可以画出
 对称.据此,可以画出  的大致图像,如上图所示.
 的大致图像,如上图所示.
根据图像,可以看出其是周期  的函数,并且
 的函数,并且  ,因此 B 选项正确.  ■
,因此 B 选项正确.  ■
对于函数  ,称使得
,称使得  成立的
 成立的  为
 为  的零点.一般来说,高中所研究的函数都是初等函数,它们都是连续的,或者在某些区间上是连续的.对于闭区间上的连续函数,有零点定理.
 的零点.一般来说,高中所研究的函数都是初等函数,它们都是连续的,或者在某些区间上是连续的.对于闭区间上的连续函数,有零点定理.
定理1.1(连续函数的零点定理) 设  在
 在  上连续,且
 上连续,且  ,则存在
,则存在  ,使得
,使得  .
.
从图像上看,这个定理的结果是显然的.然而在高中阶段,暂时未给出该定理的证明.但是在高考中,该定理非常常用,特别是在有关导数的大题中[3].
[3] 常有人觉得高中数学的内容安排不合理,这便是一个例子.
● 如果  是严格单调递增的连续函数,且
 是严格单调递增的连续函数,且  ,则存在唯一的
 ,则存在唯一的  ,使得
 ,使得  .反过来,如果
 .反过来,如果  是严格单调递减的连续函数,且
 是严格单调递减的连续函数,且  ,则存在唯一的
 ,则存在唯一的  ,使得
 ,使得  .在判断零点的个数时,需要用到这个结论.这说明了研究函数单调性的重要性,而研究函数单调性的一个重要工具就是导数.
 .在判断零点的个数时,需要用到这个结论.这说明了研究函数单调性的重要性,而研究函数单调性的一个重要工具就是导数.
● 如果  是连续函数,且
 是连续函数,且  ,当
,当  时,
 时, 或
 或  ,则存在
 ,则存在  ,使得
 ,使得  .然而,在高考中,我们无法使用所谓的“极限”概念,通常可以找到一个
 .然而,在高考中,我们无法使用所谓的“极限”概念,通常可以找到一个  ,使得
 ,使得  ,再应用我们已知的零点定理,存在
 ,再应用我们已知的零点定理,存在  ,使得
,使得  ,便得到了零点的存在性.
,便得到了零点的存在性.
在第二种情形中,如果读者学习过极限,就会知道这样的  是一定存在的,难点在于如何取出合适的
 是一定存在的,难点在于如何取出合适的  ,这在高考压轴题的研究中被称为“取点”.为了取出这样的点,往往需要使用函数不等式,如最常用的
 ,这在高考压轴题的研究中被称为“取点”.为了取出这样的点,往往需要使用函数不等式,如最常用的  ,当然有时候只要用
 ,当然有时候只要用  就够了,这被称为“放缩”.这将在后面简单介绍.
 就够了,这被称为“放缩”.这将在后面简单介绍.
另外,有时候处理的零点问题并不会直接给出函数  的形式,而会给出一个带有函数的方程,比如
 的形式,而会给出一个带有函数的方程,比如  ,这时候可以构造函数
,这时候可以构造函数  ,则
,则  等价于
等价于  .高考压轴题中,出现的函数形式会比较复杂,甚至常常带有参数,但是本质上仍然是零点问题.
 .高考压轴题中,出现的函数形式会比较复杂,甚至常常带有参数,但是本质上仍然是零点问题.
函数本质上是从数集  到数集
 到数集  的映射,而所谓的“数集”,指的是实数集合
 的映射,而所谓的“数集”,指的是实数集合  的子集,可以简单地写成
 的子集,可以简单地写成  .是否可以将函数的定义进一步推广?下面举一些例子.
 .是否可以将函数的定义进一步推广?下面举一些例子.
平面向量的模(向量的大小)是不是一个函数?如果  是二元数集,即
 是二元数集,即  ,设向量
 ,设向量  ,则向量的模实质上是从
 ,则向量的模实质上是从  到
 到  的一个映射,可以写成
 的一个映射,可以写成
 ,
,
这样的函数叫作二元函数.类似地,可以定义  元函数.
 元函数.
在讲复数的时候,老师一般会说复数  和平面向量
 和平面向量  是一一对应的.如果
 是一一对应的.如果  ,那么映射
 ,那么映射  也是函数,例如
 也是函数,例如
 ,
,
这样的函数叫作复变函数,复分析研究的就是复变函数的性质.
除了  以外,
 以外,  是否可以是其他类型的集合?一个例子是,设函数的定义域是集合的集合,为了和集合区分,记作
 是否可以是其他类型的集合?一个例子是,设函数的定义域是集合的集合,为了和集合区分,记作  ,并记里面的元素为
 ,并记里面的元素为  .用
 .用  表示二维几何图形,
 表示二维几何图形,  表示二维几何图形的全体,例如单位圆可以表示为
 表示二维几何图形的全体,例如单位圆可以表示为
 .
.
考虑从  到
 到  的映射
 的映射  ,并令
 ,并令  表示
 表示  的面积,例如
 的面积,例如  .这样的函数称为测度,而为了严格化
 .这样的函数称为测度,而为了严格化  和这样的函数,需要做不少工作,这便是测度论关心的内容.
 和这样的函数,需要做不少工作,这便是测度论关心的内容.
如果集合  里面的元素不是数,而是一些抽象的元素,或者说
 里面的元素不是数,而是一些抽象的元素,或者说  是一个抽象的空间,记作
 是一个抽象的空间,记作  ,那么映射
 ,那么映射  也是函数,并称为泛函.当然,这里的空间
 也是函数,并称为泛函.当然,这里的空间  是有一定要求的.泛函分析便是研究这样的空间和函数.
 是有一定要求的.泛函分析便是研究这样的空间和函数.
 1.2 导数的定义与性质
 1.2 导数的定义与性质在上一节中,我们介绍了函数的定义和基本性质.接下来,我们再介绍导数.导数实质上是“微积分”一词中“微分”的部分,在研究函数的性质方面有重要作用.
高中数学绕过“极限”的定义讲解了导数的定义.在这里,简单提一下极限的性质:如果  是连续函数,则
 是连续函数,则
 .
.
例如,当  时,
 时,  .这在求导数时有一定的用处.
.这在求导数时有一定的用处.
定义 1.1 (导数) 设函数  在
 在  附近有定义,如果极限
 附近有定义,如果极限
存在,则称  在
 在  处可导,并称上述极限值为
 处可导,并称上述极限值为  在
 在  处的导数,记作
 处的导数,记作  .函数
.函数  称为函数
 称为函数  的导函数,简称导数.
 的导函数,简称导数.
接下来看一个涉及基本函数求导的简单例子.
例1.1 用定义求函数  的导数.
 的导数.
解答 计算得
 .
.
因此,函数  的导数为
 的导数为  .  ■
.  ■
做完这题之后,可以再试一下,如何用定义求函数  的导数.事实上,容易通过基本函数的求导公式来得到该函数的导数,但是也千万别忘了定义.当然,如果要用定义来求函数
 的导数.事实上,容易通过基本函数的求导公式来得到该函数的导数,但是也千万别忘了定义.当然,如果要用定义来求函数  或者
 或者  的导数会较为麻烦.更一般地,有下面的常用函数的导数表.
 的导数会较为麻烦.更一般地,有下面的常用函数的导数表.
常用函数的导数表
| 函数 | 导数 | 备注 | 
|---|---|---|
| 
 | 
 | — | 
| 
 | 
 | — | 
| 
 | 
 | — | 
| 
 |  | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
在了解了导数的定义之后,我们可以来探讨导数的一些基本性质.如果我们有两个可导的函数,对其进行组合,所得的函数是否还是可导的?更进一步,能否求出它们的导数?这是我们首先要提到的导数的性质,即导数也有四则运算公式.
定理1.2(导数的四则运算公式) 设函数  和
 和  的导数为
 的导数为  和
 和  .
.
(1) ;
;
(2) ;
;
(3) ;
;
(4)若  ,则
,则  .
.
这些公式都是比较基本的,需要熟背下来.前两个公式的证明是容易的;而后两个公式的证明,需要应用一些分析学的技巧.考虑到高中阶段尚未给出极限的定义,导数的四则运算公式是无法严谨证明的.而不少函数的求导都需要应用到四则运算公式.
例1.2 设  ,求
,求  .
.
解答 注意到  ,因此
 ,因此
 .  ■
.  ■
接下来,我们介绍复合函数的求导公式.
定理1.3 设函数  和
 和  可导,对于复合函数
 可导,对于复合函数  ,有
,有
 .
.
该定理的证明较为复杂,但是记忆是比较容易的.为了方便理解该公式,我们在此引入大学数学中常用的莱布尼茨记号,即将  对
 对  求导数表示为
 求导数表示为  ,则上述公式即为
 ,则上述公式即为
 .
.
需要注意的是,上式只是在形式上说明了复合函数求导公式的合理性,并不能用于证明复合函数的求导公式.对复合函数的求导公式的应用需要非常熟悉,下面是一个例子.
例1.3 设函数  ,求
,求  .
.
解答 首先对外层求导,可以得到  ;再对内层求导,可以得到
;再对内层求导,可以得到  .因此
.因此
 ■
  ■
有了复合函数的运算法则后,可以引出两种常用的特殊求导方法.这两种方法一般来说会在高等数学中介绍,但是高中生完全可以理解,并且有时候非常好用.
首先是取对数求导法.考虑到有时候函数的乘法运算较多,或者指数较为复杂,可以考虑通过取对数的方式,将乘法转化为加法,将指数项转化为乘法.所谓的取对数求导法是指,在函数  的等式两边取对数,得
 的等式两边取对数,得
 .
.
若此时等式右边的导数容易求出,记  ,根据复合函数的导数的运算法则可得
,根据复合函数的导数的运算法则可得
 ,
,
从而计算得到  .需要注意,取对数运算是非常常用的,它可以将指数项转化为乘法,进一步将乘法转化为加法.高考中的一些代数变形问题,都与对数有关.
.需要注意,取对数运算是非常常用的,它可以将指数项转化为乘法,进一步将乘法转化为加法.高考中的一些代数变形问题,都与对数有关.
例1.4 设函数  ,求
 ,求  .
 .
解答 对  取对数,可得
 取对数,可得  ,等式两边对
,等式两边对  求导,可得
 求导,可得
 ,
,
因此  .  ■
.  ■
有了复合函数的运算法则后,还可以推出隐函数求导法.所谓的隐函数,指的是函数并没有显式的表达,而是通过方程或者其他形式确定了函数关系.
例如设椭圆的方程为  ,对于其上面的一点
 ,对于其上面的一点  ,假设
 ,假设  ,则在该点附近可以通过椭圆方程确定隐含的函数关系
 ,则在该点附近可以通过椭圆方程确定隐含的函数关系  ,并且是唯一的[4].更准确地说,有
,并且是唯一的[4].更准确地说,有  或
 或  ;至于是前者还是后者,需要结合
 ;至于是前者还是后者,需要结合  的位置来判断.
 的位置来判断.
[4] 这是通过分析学中的隐函数定理保证的,叙述起来较为复杂.
例1.5 求椭圆  在
 在  处的切线方程.
 处的切线方程.
解答 要求出  处的切线方程,可在等式两边同时对
 处的切线方程,可在等式两边同时对  求导,得
 求导,得
 ,
,
代入  ,解得
,解得  ,从而切线方程(有时候在圆雉曲线中也被称为极线方程) 为
 ,从而切线方程(有时候在圆雉曲线中也被称为极线方程) 为  .  ■
.  ■
这是一个解析几何中非常常用的结论,形式上也非常像椭圆方程,只是将  换成
 换成  ,将
 ,将  换成
 换成  而已.类似地,对于双曲线
 而已.类似地,对于双曲线  ,可以求出其在(
 ,可以求出其在(  )处的切线方程为
 )处的切线方程为  .对于抛物线
 .对于抛物线  的情形,读者可自行推导.
 的情形,读者可自行推导.
 1.3 导数的应用
 1.3 导数的应用首先,大家熟知的是,可以借助导数判断函数  的单调性.
 的单调性.
● 若  ,则
 ,则  单调递增;
 单调递增;
● 若  ,则
,则  单调递减;
 单调递减;
● 若  ,则
 ,则  的单调性需要进一步判断.
 的单调性需要进一步判断.
对于一些比较复杂的函数而言,通过求导数判断单调性,比直接通过定义判断来得容易得多.
例1.6 设函数  ,判断
 ,判断  的单调性.
 的单调性.
解答 计算得  ,有
 ,有  . 当
 . 当  时
 时  ,当
 ,当  时
 时  ,故
,故  在
 在  内单调递减,在
 内单调递减,在  内单调递增.  ■
 内单调递增.  ■
我们知道,函数的最大值和最小值,指的是函数值的最大取值和最小取值.另外,高中教材也给出了函数的极大值和极小值的概念.许多人对函数的极大值的理解是“导函数有变号零点”,即导函数存在某个零点  ,且导函数图像在
 ,且导函数图像在  轴上穿过零点对应的点
 轴上穿过零点对应的点  .然而,极值点的严格定义是函数在某个开区间上的最值点,这个是大家很容易忽略的.
 .然而,极值点的严格定义是函数在某个开区间上的最值点,这个是大家很容易忽略的.
定义 1.2 (极值点与极值) 函数  在某个开区间
 在某个开区间  上的最大值点称为极大值点,最小值点称为极小值点,对应的函数值分别称为极大值和极小值.
 上的最大值点称为极大值点,最小值点称为极小值点,对应的函数值分别称为极大值和极小值.
通过上面的介绍,我们知道,导数可以用于判断函数的单调性和极值,可以给出如下的极值点的判断方法:
● 若  ,且在
,且在  附近有
 附近有  ,即在
,即在  附近有
 附近有
则  为
 为  的极小值点,
 的极小值点, 为
 为  的极小值;
 的极小值;
● 若  ,且在
,且在  附近有
 附近有  ,即在
,即在  附近有
 附近有
则  为
 为  的极大值点,
 的极大值点, 为
 为  的极大值.
 的极大值.
事实上,如果  ,则
 ,则  与
 与  同号,即当
 同号,即当  时
 时  ,而当
 ,而当  时
 时  ,这就说明了
 ,这就说明了  是
 是  的极小值点.在做题时,有时候会出现多个式子相乘后与 0 比较大小的不等式,这个时候也应该用类似的方法.
 的极小值点.在做题时,有时候会出现多个式子相乘后与 0 比较大小的不等式,这个时候也应该用类似的方法.
再进一步,如果函数的二阶导数存在,可以进一步对函数求二阶导数,并有如下的判断方法:
● 若  ,则
,则  为
 为  的极小值点;
 的极小值点;
● 若  ,则
,则  为
 为  的极大值点.
 的极大值点.
以第一种情况为例,如果  ,那么
 ,那么  应该在
 应该在  附近单调递增,这使得当
 附近单调递增,这使得当  时有
 时有  ,而当
 ,而当  时有
 时有  ,因此
 ,因此  为
 为  的极小值点.
 的极小值点.
例1.7 设函数  ,求
,求  的极小值点和极小值.
 的极小值点和极小值.
解答 根据上例,知  是
 是  的极小值点,极小值
 的极小值点,极小值  .  ■
.  ■
许多高考题只需要对函数的单调性进行分析就可以解决,见下面的真题.
真题1.5(取自2020 年 II 卷文数) 已知函数  .
.
(1)若  ,求
,求  的取值范围;
 的取值范围;
(2)设  ,讨论函数
,讨论函数  的单调性.
 的单调性.
解答 (1)根据  ,令
,令  ,其中
,其中  ,计算得
,计算得
 ,
,
因此  在
 在  内单调递增,在
 内单调递增,在  内单调递减.
 内单调递减. .因此
.因此  的取值范围是
 的取值范围是  .
.
(2)此时  ,其中
,其中  且
 且  ,计算得
,计算得
 .
.
令  ,计算得
,计算得
 ,
,
因此  在
 在  内单调递增,在
 内单调递增,在  内单调递减,
 内单调递减, ,从而
,从而  ,这说明了
,这说明了  在
 在  和
 和  内单调递减.  ■
 内单调递减.  ■
下面的题目涉及极值点,但是因为函数较为复杂,难度较大.
真题1.6(取自 2018 年 III 卷理数) 已知函数  .
.
(1)若  ,证明:当
 ,证明:当  时,
 时,  ;当
 ;当  时,
 时,  ;
 ;
(2)若  是
 是  的极大值点,求
 的极大值点,求  .
.
第一问不难,只需要判断函数  的单调性即可.在后面我们会指出,这一问涉及的是一个非常重要的不等式;第二问有多种做法,一方面可以采取多次求导的方式,另一方面可以令
 的单调性即可.在后面我们会指出,这一问涉及的是一个非常重要的不等式;第二问有多种做法,一方面可以采取多次求导的方式,另一方面可以令
 ,
,
则当  时,
 时, 的极大值点也是
 的极大值点也是  的极大值点,从而简化了求解过程.
 的极大值点,从而简化了求解过程.
解答 (1)当  时,
 时, ,计算得
,计算得
 ,
,
因此  在
 在  内单调递减,在
 内单调递减,在  内单调递增,
 内单调递增, ,因此
,因此  在
在  内单调递增.注意到
 内单调递增.注意到  ,因此当
,因此当  时
 时  ,而当
,而当  时
时  .
.
(2)若  ,则由 (1)知,当
,则由 (1)知,当  时,有
 时,有
 ,
,
此与  是
 是  的极大值点矛盾.以下设
 的极大值点矛盾.以下设  ,当
,当  时,有
 时,有  ,令
,令
 ,
,
则  ,当且仅当
,当且仅当  是
 是  的极大值点时,
 的极大值点时, 是
 是  的极大值点.计算得
 的极大值点.计算得
 .
.
考虑函数  ,其中
 ,其中  ,则
 ,则  ,由此进行讨论.
 ,由此进行讨论.
(ⅰ)若  ,则
,则
 ,
,
从而  在
 在  内单调递增,在
 内单调递增,在  内单调递减,
 内单调递减, 是
 是  的极大值点;
 的极大值点;
(ii)若  ,则
 ,则  在 0 附近单调递增[5],此与
 在 0 附近单调递增[5],此与  是极大值点矛盾;
 是极大值点矛盾;
[5] 这里  是二次函数,若不放心,可以利用求根公式求出其零点,并且结合图像判断正负.
 是二次函数,若不放心,可以利用求根公式求出其零点,并且结合图像判断正负.
(iii)若  ,则
 ,则  在 0 附近单调递减,此与
 在 0 附近单调递减,此与  是极大值点矛盾.综上,
 是极大值点矛盾.综上, .  ■
.  ■
从函数图像来看,有些函数是往上面凸的,而有些函数是往下面凸的 (见下页图).如果某个函数是下凸的,那么其导数应该是单调递增的;如果某个函数是上凸的,那么其导数是单调递减的.在此基础上,可以定义函数的凹凸性.
典型的下凸函数的图像
定义1.3 (凹凸性) 设函数  二阶可导,若
 二阶可导,若  ,则称
,则称  为下凸函数;反之,若
 为下凸函数;反之,若  ,则称
,则称  为上凸函数.
 为上凸函数.
例1.8 若  ,判断其凹凸性.
 ,判断其凹凸性.
解答 计算得  ,因此
 ,因此  是下凸函数.  ■
 是下凸函数.  ■
另外,所谓的“拐点”是函数图像凹凸性改变的点.等价地说,  的极值点称为
 的极值点称为  的拐点.一个重要的例子是 Logistic 函数 (或称逻辑斯谛函数),该函数可以用来刻画某个种群的数量变化,或者某种疾病感染者的数量变化.
的拐点.一个重要的例子是 Logistic 函数 (或称逻辑斯谛函数),该函数可以用来刻画某个种群的数量变化,或者某种疾病感染者的数量变化.
例 1.9 考虑 Logistic 函数
 .
.
设  ,判断其单调性和凹凸性,并写出其拐点.
,判断其单调性和凹凸性,并写出其拐点.
解答 此时  ,计算得
 ,计算得
 .
.
注意到  ,因此
,因此  在
 在  内单调递增;再注意到
 内单调递增;再注意到  在
 在  内单调递增,在
 内单调递增,在  内单调递减.因此
 内单调递减.因此  的图像在
 的图像在  下凸,在
 下凸,在  上凸,拐点
 上凸,拐点  (见下页图).  ■
 (见下页图).  ■
在这个函数表达式的基础上,可以进一步思考:这个函数的参数  和
 和  有什么含义?计算得到
 有什么含义?计算得到  ,因此
,因此  代表的是初值;并且当
 代表的是初值;并且当  时,
 时, ,因此
,因此  代表的是函数的极限;根据图像,还可以看出拐点处的函数值为
 代表的是函数的极限;根据图像,还可以看出拐点处的函数值为  .这有助于我们理解 Logistic 模型,并且和生物里的“S”形曲线联系在一起.
 .这有助于我们理解 Logistic 模型,并且和生物里的“S”形曲线联系在一起.
函数  的图像
 的图像
真题1.7(取自2020年 III 卷理数) Logistic 模型是常用数学模型之一,可应用于流行病学领域.有学者根据公布的数据建立了某地区新冠肺炎累计确诊病例数  的单位: 天) 的 Logistic 模型:
的单位: 天) 的 Logistic 模型:  ,其中
 ,其中  为最大确诊病例数.当
 为最大确诊病例数.当  时,标志着已初步遏制疫情,则
 时,标志着已初步遏制疫情,则  约为
 约为  .
 .
A.60
B.63
C.66
D.69
解答 令
 ,
,
解得  ,因此 B 选项正确.  ■
,因此 B 选项正确.  ■
或许读者会在其他地方看到凸函数的等价定义.有时候,也称满足
的函数为凸函数,前面对应的是下凸的情形,后面对应的是上凸的情形.上述的等式也可以被拓展到  个变量的情况.
 个变量的情况.
定理1.4(琴生不等式) 设  是下凸函数,则有
 是下凸函数,则有
 ;
;
设  是上凸函数,则有
 是上凸函数,则有
 ,
,
上述不等式当且仅当  或
 或  时取等.
 时取等.
琴生不等式可以用于证明  元均值不等式.考虑函数
 元均值不等式.考虑函数  ,则有
 ,则有  ,
 ,  ,因此
,因此  是上凸函数.于是,对正数
 是上凸函数.于是,对正数  ,有
,有
 ,
,
再结合  的单调性,即可得到
 的单调性,即可得到
 ,
,
感兴趣的读者也可以尝试用琴生不等式得到其他的均值不等式.
通常,结合一个函数的单调性和极值点,即可得到不等式.
例1.10 当  时,证明:
 时,证明:  .
.
解答 考虑函数  ,由上文知
 ,由上文知  在
 在  内单调递减,在
 内单调递减,在  内单调递增,则
内单调递增,则  是
 是  的最小值点,最小值
 的最小值点,最小值  ,从而
,从而
 ,
,
这便证明了该不等式. ■
例1.11 当  时,证明:
 时,证明:  .
.
解答 考虑函数  ,计算得
,计算得
 ,
,
因此  在
 在  内单调递增,从而
 内单调递增,从而
 .
.
这便证明了该不等式. ■
高考题中也会有证明不等式的问题,对于大多数情况,结合函数的单调性就能得到不等式.
真题 1.8(取自 2023 年新高考 I 卷) 已知函数  .证明: 当
.证明: 当  时,
时, .
.
解答 计算得  ,令
,令  ,解得
,解得  .当
.当  时
 时  ,当
,当  时
 时  ,因此
,因此  在
 在  内单调递减,在
 内单调递减,在  内单调递增,有
 内单调递增,有
 .
.
要证明  ,只需证明关于
 ,只需证明关于  的不等式
 的不等式  ,即证明不等式
 ,即证明不等式  ,其中
 ,其中  .为此,构造函数
 .为此,构造函数
 .
.
当  时
 时  ,当
,当  时
 时  .因此
.因此  在
 在  内单调递减,在
 内单调递减,在  内单调递增,因此有
 内单调递增,因此有
 ,
,
这便完成了证明. ■
许多高考题都和不等式直接或间接相关,因此本书后面专门有一讲介绍函数相关的不等式,例如  和
 和  .
 .
 1.4 课后练习
 1.4 课后练习练习1 已知函数  的图像关于直线
 的图像关于直线  对称,且对任意的
 对称,且对任意的  都有
 都有  .当
.当  时,
 时, ,求
,求  .
.
练习 2 利用定义求函数  的导数,并验证其是否与我们所记的公式相等.
 的导数,并验证其是否与我们所记的公式相等.
练习 3 已知函数  .
 .
(1)若曲线  在点
 在点  处的切线垂直于直线
 处的切线垂直于直线  ,求
,求  的值;
 的值;
(2)求函数  在区间
 在区间  上的最小值.
 上的最小值.
练习 4 当  时,证明不等式
 时,证明不等式  ,并指出其与
 ,并指出其与  的关系.
 的关系.
练习 5 证明以下结论:
(1)若  是
 是  上可导的奇函数,则
 上可导的奇函数,则  是偶函数;
 是偶函数;
(2)若  是
 是  上可导的偶函数,则
 上可导的偶函数,则  是奇函数.
 是奇函数.
练习 6 给定抛物线  ,求其上面一点
,求其上面一点  处的切线方程.
 处的切线方程.
练习 7 设函数  ,求
,求  的导数
 的导数  .
.
练习 8 设函数  ,其中
,其中  ,求
,求  的导数
 的导数  与单调递增区间.
 与单调递增区间.