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函數的單調性【初級和中階輔導】

分析 註意 http 圖像 分形 相等 由於 ora bubuko

一、函數的單調性還可能以什麽形式給出來?

1、直接給出;

如函數在區間\([a,b]\)單調遞增;

2、以定義式給出;

如給出函數\(f(x)\)在區間\(D\)上滿足\(\forall x_1,x_2\in D,x_1<x_2,f(x_1)<f(x_2)\)

則意味著函數\(f(x)\)在區間\(D\)上單調遞增;

3、以定義的變形形式給出;

如單調遞增以積式的形式給出:

如給出函數\(f(x)\)在區間\(D\)上滿足\(\forall x_1,x_2\in D,(x_1-x_2)\cdot(f(x_1)-f(x_2))<0\)

則意味著函數\(f(x)\)在區間\(D\)

上單調遞減;

4、以定義的變形形式給出;

如單調遞增以商式的形式給出:

如給出函數\(f(x)\)在區間\(D\)上滿足\(\forall x_1,x_2\in D,\cfrac{f(x_1)- f(x_2)}{x_1-x_2}>0\)

則意味著函數\(f(x)\)在區間\(D\)上單調遞增;

5、以“單調+奇偶”的綜合形式給出;

如給出函數\(f(x)\)在區間\(D\)上滿足:\(\cfrac{f(x_1)+ f(x_2)}{x_1+x_2}>0\),且函數\(f(x)\)為奇函數,

則可知\(-f(-x_2)=f(x_2)\),代換得到\(\cfrac{f(x_1)- f(-x_2)}{x_1-(-x_2)}>0\)

再令\(-x_2=x_3\),即\(\cfrac{f(x_1)- f(x_3)}{x_1-x_3}>0\)

即函數\(f(x)\)在區間\(D\)上單調遞增;

6、 以圖像的形式給出;(給出\(f(x)\)圖像或者\(f'(x)\)的圖像,要會讀斜率)

比如給出\(f(x)\)圖像,需要會解讀圖像,給出\(f'(x)\)的圖像,要會通過\(f'(x)\)的正負解讀單調性;

7、函數單調性的性質應用;

結論①:函數\(f(x)、g(x)\)是增(減)函數,則\(f(x)+g(x)\)為增(減)函數;

註意,此處不是用復合函數的“同增異減”來判斷,而是利用單調性的定義可以證明的。

結論②:已知函數\(f(x)、g(x)\)是增(減)函數,同時又已知\(f(x)>0,g(x)>0\),則有\(f(x)\cdot g(x)\)是增(減)函數;

已知函數\(f(x)、g(x)\)是增(減)函數,同時又已知\(f(x)<0,g(x)<0\),則有\(f(x)\cdot g(x)\)是減(增)函數;

8、以復合函數的形式給出單調性;

技術分享圖片\(\fbox{例1}\)(2017鳳翔中學高三理科第二次月考第9題)
若函數\(f(x)=log_a^\;(6-ax)\)\([0,2]\)上為減函數,則實數\(a\)的取值範圍是【】

A、\([3,+\infty)\) \(\hspace{2cm}\) B、\((0,1)\) \(\hspace{2cm}\) C、\((1,3]\) \(\hspace{2cm}\) D、 \((1,3)\)

分析:令\(g(x)=6-ax\),像這類題目既要考慮單調性,還要考慮定義域。

由題目可知必有\(a>0\),故函數\(g(x)\)單調遞減,考慮定義域時只要最小值\(g(2)>0\)即可,

再考慮外函數必須是增函數,故\(a>1\)

結合\(g(2)>0\),解得\(1<a<3\),故選D。

9、以分段函數的形式給出單調性

技術分享圖片\(\fbox{例0}\)(已知分段函數的單調性,求參數的取值範圍)

已知\(a>0\),函數\(f(x)\)滿足\(f(x)=\begin{cases} (3-a)x-3 &x\leq 7 \\ a^{x-6} &x>7 \end{cases}\),函數\(f(x)\)\(R\)上單調遞增,求\(a\)的取值範圍。

分析:由題目可知,\(\begin{cases} &3-a>0 \\ &a>1 \\ &(3-a)7-3\leq a^{7-6}\end{cases}\)

即就是\(\begin{cases}&a<3 \\ &a>1 \\ &a\ge \cfrac{9}{4}\end{cases}\)

解得:\(a\in[\cfrac{9}{4},3)\)

10、以賦值法的形式給出單調性;

如定義在\(R\)上的函數\(f(x)\)滿足\(f(x+y)=f(x)+f(y)\),且\(x >0\)時,\(f(x)<0\),判定函數單調性。

分析:令\(x_1> x_2\),則\(x_1-x_2>0\),故\(f(x_1-x_2)<0\)

則有$ f(x_1) = f(x_1-x_2+x_2) = f(x_1-x_2)+f (x_2) < f( x_2) $,

故函數\(f(x)\)\(R\)上單調遞減。

11、以導數的形式給出,

如函數在區間\([a,b]\)滿足\(f'(x)\ge0\)(只在有限個點處使得\(f'(x)=0\))

12、以積函數的形式給出,

\((x-1) \cdot f'(x)>0\),則可知\(\left\{\begin{array}{l}{x-1>0}\\{f'(x)>0}\end{array}\right.\)\(\left\{\begin{array}{l}{x-1<0}\\{f'(x)<0}\end{array}\right.\)

即可知,當\(x>1\)時,\(f'(x)>0\),即函數\(f(x)\)在區間\((1,+\infty)\)上單調遞增;

\(x<1\)時,\(f'(x)<0\),即函數\(f(x)\)在區間\((-\infty,1)\)上單調遞減;

同理可以理解表達式\((x^2-3x+2)\cdot f'(x)>0\)

13、以導函數的整體或部分形式給出(更難些),

比如題目給出當\(x>0\)時滿足條件\(xf'(x)-f(x)<0\),則是告訴我們需要構造新函數,同時能知道新函數的單調性;

分析:構造\(g(x)=\cfrac{f(x)}{x}\),則當\(x>0\)時,

\(g'(x)=\cfrac{xf'(x)-f(x)}{x^2}<0\)

即新函數\(g(x)\)在區間\((0,+\infty)\)上單調遞減。

  • 函數單調遞增或遞減的五種代表形式:逐漸增大型,逐漸減少型,恒定不變型,先慢後快型,先快後慢型。

二、典例剖析:

【引例01】\(f(x)\)是偶函數,當\(x\in(-\infty,0)\)時,\(f(x)+xf'(x)<0\)成立,比較\(2f(2),3f(3),5f(5)\)的大小。

分析:構造\(g(x)=x\cdot f(x)\)\(g(x)\)為奇函數,當\(x\in(-\infty,0)\)時,\(f(x)+xf'(x)<0\)成立,則\(g'(x)=f(x)+xf'(x)<0\),故由單調和奇偶性可知\(g(x)\)\((0,+\infty)\)上單調遞減。大小比較就容易了。

【引例02】已知函數\(f(x)=x^3-2ax+1\)在區間\([2,5]\)\(\underline{單調遞增}\),求參數\(a\)的取值範圍。

分析:\(f'(x)\ge 0\)在區間\([2,5]\)上恒成立,

\(3x^2-2a\ge 0\)在區間\([2,5]\)上恒成立,

分離參數得到,\(2a\leq 3x^2\)在區間\([2,5]\)上恒成立,

\(2a\leq [3x^2]_{min}=12\)

\(a\leq 6\)

技術分享圖片\(\fbox{例3}\)(構造函數+大小比較)

(2017\(\cdot\)河南平頂山一模)已知\(f(x)\)是定義在\((0,+\infty)\)上的函數,對任意兩個不相等的正數\(x_1,x_2\),都有\(\cfrac{x_2f(x_1)-x_1f(x_2)}{x_1-x_2}>0\),記\(a=\cfrac{f(3^{0.2})}{3^{0.2}}\)\(b=\cfrac{f(0.3^2)}{0.3^2}\)\(c=\cfrac{f(log_25)}{log_25}\),則()

A.\(a<b<c\) \(\hspace{2cm}\) B.\(b<a<c\) \(\hspace{2cm}\) A.\(c<a<b\) \(\hspace{2cm}\) A.\(c<b<a\)

分析:註意到\(a,b,c\)的結構,由題目猜想:要構造的函數是\(g(x)=\cfrac{f(x)}{x}\),那麽是否正確,以下做以驗證。

\(0<x_1<x_2\),則由單調性定義的等價形式可得,

\(\cfrac{g(x_1)-g(x_2)}{x_1-x_2}=\cfrac{\cfrac{f(x_1)}{x_1}-\cfrac{f(x_2)}{x_2}}{x_1-x_2}=\cfrac{x_2f(x_1)-x_1f(x_2)}{x_1x_2(x_1-x_2)}\)

由題目,對任意兩個不相等的正數\(x_1,x_2\),都有\(\cfrac{x_2f(x_1)-x_1f(x_2)}{x_1-x_2}>0\)

則可知\(\cfrac{g(x_1)-g(x_2)}{x_1-x_2}>0\),即函數\(g(x)=\cfrac{f(x)}{x}\)是單調遞增的,

故題目需要我們比較\(g(3^{0.2})\)\(g(0.3^2)\)\(g(log_25)\)這三個的大小關系,只需要比較自變量的大小就可以了;

由於\(1=3^0<3^{0.2}<3^{0.5}=\sqrt{3}<2\)\(0<0.3^2=0.09<1\)\(log_25>log_24=2\)

\(g(0.3^2)<g(3^{0.2})<g(log_25)\),即\(b<a<c\)

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