高中数学选修21同步解析版教师用书含答案第一章 导数及其应用 精选 改好.docx

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高中数学选修21同步解析版教师用书含答案第一章导数及其应用精选改好

高中数学选修2-1第一章导数及其应用

1.1 变化率问题

1.2 导数的概念

[学习目标] 

1.函数平均变化率、瞬时变化率的概念.

2.函数平均变化率的求法.

3.导数的概念,会用导数的定义求简单函数在某点处的导数.

知识点一 函数的平均变化率

1.平均变化率的概念

设函数y=f(x),x1,x2是其定义域内不同的两个点,那么函数的变化率可用式子表示,我们把这个式子称为函数y=f(x)从x1到x2的平均变化率,习惯上用Δx表示x2-x1,即Δx=x2-x1,可把Δx看作是相对于x1的一个“增量”,可用x1+Δx代替x2;类似地,Δy=f(x2)-f(x1).于是,平均变化率可以表示为.

2.求平均变化率

求函数y=f(x)在[x1,x2]上平均变化率的步骤如下:

(1)求自变量的增量Δx=x2-x1;

(2)求函数值的增量Δy=f(x2)-f(x1);

(3)求平均变化率=

=.

思考 

(1)如何正确理解Δx,Δy?

(2)平均变化率的几何意义是什么?

答案 

(1)Δx是一个整体符号,而不是Δ与x相乘,其值可取正值、负值,但Δx≠0;Δy也是一个整体符号,若Δx=x1-x2,则Δy=f(x1)-f(x2),而不是Δy=f(x2)-f(x1),Δy可为正数、负数,亦可取零.

(2)如图所示:

y=f(x)在区间[x1,x2]上的平均变化率是曲线y=f(x)在区间[x1,x2]上陡峭程度的“数量化”,曲线陡峭程度是平均变化率的“视觉化”,越大,曲线y=f(x)在区间[x1,x2]上越“陡峭”,反之亦然.

平均变化率的几何意义是函数曲线上过两点的割线的斜率,若函数y=f(x)图象上有两点A(x1,f(x1)),B(x2,f(x2)),则=kAB.

知识点二 瞬时速度与瞬时变化率

把物体在某一时刻的速度称为瞬时速度.做直线运动的物体,它的运动规律可以用函数s=s(t)描述,设Δt为时间改变量,在t0+Δt这段时间内,物体的位移(即位置)改变量是Δs=s(t0+Δt)-s(t0),那么位移改变量Δs与时间改变量Δt的比就是这段时间内物体的平均速度,即==.

物理学里,我们学习过非匀速直线运动的物体在某一时刻t0的速度,即t0时刻的瞬时速度,用v表示,物体在t0时刻的瞬时速度v就是运动物体在t0到t0+Δt这段时间内的平均变化率在Δt→0时的极限,即v==.瞬时速度就是位移函数对时间的瞬时变化率.

思考 

(1)瞬时变化率的实质是什么?

(2)平均速度与瞬时速度的区别与联系是什么?

答案 

(1)其实质是当平均变化率中自变量的改变量趋于0时的值,它是刻画函数值在某处变化的快慢.

(2)①区别:

平均变化率刻画函数值在区间[x1,x2]上变化的快慢,瞬时变化率刻画函数值在x0点处变化的快慢;②联系:

当Δx趋于0时,平均变化率趋于一个常数,这个常数即为函数在x0处的瞬时变化率,它是一个固定值.

知识点三 导数的概念

函数y=f(x)在x=x0处的导数

一般地,函数y=f(x)在x=x0处的瞬时变化率是=,我们称它为函数y=f(x)在x=x0处的导数,记作f′(x0)或y′|

,即f′(x0)==.

思考 

(1)函数f(x)在x0处的导数满足什么条件时存在?

(2)求解函数f(x)在x0处导数的步骤是什么?

答案 

(1)函数f(x)在x0处可导,是指Δx→0时,有极限,如果不存在极限,就说函数在点x0处无导数.

(2)求解函数f(x)在x0处导数的步骤如下:

①求函数值的增量:

Δy=f(x0+Δx)-f(x0);

②求平均变化率:

=;

③取极限,得导数:

f′(x0)==.

题型一 求平均变化率

例1 求函数y=f(x)=2x2+3在x0到x0+Δx之间的平均变化率,并求当x0=2,Δx=时该函数的平均变化率.

解 当自变量从x0变化到x0+Δx时,函数的平均变化率为

==

==4x0+2Δx.

当x0=2,Δx=时,平均变化率的值为4×2+2×=9.

反思与感悟 平均变化率是函数值的增量与相应自变量的增量的比值,所以求函数在给定区间[x0,x0+Δx]上的平均变化率问题,即求=的值.

跟踪训练1 

(1)已知函数y=f(x)=2x2-1的图象上一点(1,1)及其邻近一点(1+Δx,1+Δy),则=.

答案 2Δx+4

解析 因为Δy=f(1+Δx)-f

(1)=2(Δx)2+4Δx,所以平均变化率=2Δx+4.

(2)求函数y=f(x)=在x0到x0+Δx之间的平均变化率(x0≠0).

解 ∵Δy=f(x0+Δx)-f(x0)=-

=-,

∴==-.

题型二 实际问题中的瞬时速度

例2 一作直线运动的物体,其位移s与时间t的关系是s=3t-t2(位移单位:

m,时间单位:

s).

(1)求此物体的初速度;

(2)求此物体在t=2时的瞬时速度;

(3)求t=0到t=2时的平均速度.

解 

(1)初速度v0==

=(3-Δt)=3.

即物体的初速度为3m/s.

(2)v瞬=

=(-Δt-1)=-1.

即此物体在t=2时的瞬时速度为1m/s,方向与初速度方向相反.

(3)===1.

即t=0到t=2时的平均速度为1m/s.

反思与感悟 作变速直线运动的物体在不同时刻的速度是不同的,Δt趋近于0,指时间间隔Δt越来越小,但不能为0,Δt,Δs在变化中都趋近于0,但它们的比值趋近于一个确定的常数.

跟踪训练2 已知一物体作自由落体运动,下落的高度的表达式为s=gt2,其中g为重力加速度,g≈9.8米/平方秒(s的单位:

米).

(1)求t从3秒到3.1秒、3.01秒、3.001秒、3.0001秒各段内的平均速度;

(2)求t=3秒时的瞬时速度.

解 

(1)当t在区间[3,3.1]上时,Δt=3.1-3=0.1(秒),Δs=s(3.1)-s(3)=g·3.12-g·32≈2.989(米).

=≈=29.89(米/秒).

同理,当t在区间[3,3.01]上时,≈29.449(米/秒),当t在区间[3,3.001]上时,≈29.4049(米/秒),当t在区间[3,3.0001]上时,≈29.40049(米/秒).

(2)==

=g(6+Δt),

=g(6+Δt)=3g≈29.4(米/秒).

所以t=3秒时的瞬时速度约为29.4米/秒.

题型三 函数在某点处的导数

例3 求函数y=x-在x=1处的导数.

解 Δy=(1+Δx)--(1-)=Δx+,

==1+,

∴=(1+)=2,

从而y′|x=1=2.

反思与感悟 求函数在x=x0处的导数的步骤:

(1)求函数值的增量,Δy=f(x0+Δx)-f(x0);

(2)求平均变化率,=;

(3)取极限,f′(x0)=.

跟踪训练3 求函数y=在x=2处的导数;

解 ∵Δy=-=-1=-,

∴=-,

∴=-=-1.

因对导数的概念理解不到位致误

例4 设函数f(x)在x0处可导,且f′(x0)已知,求下列各式的极限值.

(1);

(2).

错解 

(1)=f′(x0).

(2)

==f′(x0).

错因分析 在导数的定义中,增量Δx的形式是多种多样的,但不论Δx是哪种形式,Δy必须选择相对应的形式.如

(1)中Δx的改变量为Δx=x0-(x0-Δx),

(2)中Δx的改变量为2h=(x0+h)-(x0-h).

正解 

(1)

=-

=-=-f′(x0).

(2)==f′(x0).

防范措施 自变量的改变量Δx的值为变后量与变前量之差.

1.在求解平均变化率时,自变量的变化量Δx应满足(  )

A.Δx>0B.Δx<0

C.Δx≠0D.Δx可为任意实数

答案 C

解析 因平均变化率为,故Δx≠0.

2.沿直线运动的物体从时间t到t+Δt时,物体的位移为Δs,那么为(  )

A.从时间t到t+Δt时物体的平均速度

B.t时刻物体的瞬时速度

C.当时间为Δt时物体的速度

D.从时间t到t+Δt时位移的平均变化率

答案 B

解析 =,而则为t时刻物体的瞬时速度.

3.函数f(x)=在x=1处的导数为.

答案 

解析 ∵Δy=f(1+Δx)-f

(1)=-1,

∴==,

∴f′

(1)===.

4.设f(x)在x0处可导,若=A,则f′(x0)=.

答案 A

解析 

=3=3f′(x0)=A.

故f′(x0)=A.

5.以初速度为v0(v0>0)作竖直上抛运动的物体,t秒时的高度为s(t)=v0t-gt2,求物体在t0时刻的瞬时加速度.

解 ∵Δs=v0(t0+Δt)-g(t0+Δt)2-v0t0+gt

=(v0-gt0)Δt-g(Δt)2,

∴=v0-gt0-gΔt.

当Δt→0时,→v0-gt0.

∴物体在t0时刻的瞬时速度为v0-gt0.

由此,类似地可得到物体运动的速度函数为

v(t)=v0-gt,

∴==-g.

∴当Δt→0时,→-g.

故物体在t0时刻的瞬时加速度为-g.

1.求平均变化率的步骤:

(1)求Δy,Δx.

(2)求.

2.求瞬时速度的一般步骤:

(1)求Δs及Δt.

(2)求. (3)求.

3.利用定义求函数f(x)在x=x0处的导数:

(1)求函数的改变量Δy=f(x0+Δx)-f(x0).

(2)求.(3)y′|

=.

一、选择题

1.质点运动规律s=t2+3,则在时间[3,3+Δt]中,相应的平均速度等于(  )

A.6+ΔtB.6+Δt+

C.3+ΔtD.9+Δt

答案 A

解析 因为===6+Δt.故选A.

2.设函数f(x)在点x0附近有定义,且有f(x0+Δx)-f(x0)=aΔx+b(Δx)2(a,b为常数),则(  )

A.f′(x)=aB.f′(x0)=a

C.f′(x)=bD.f′(x0)=b

答案 B

解析 由导数定义得f′(x0)===a.故选B.

3如图,函数y=f(x)在A,B两点间的平均变化率是(  )

A.1  B.-1

C.2  D.-2

答案 B

解析 ===-1.

4.如果某物体的运动方程为s=2(1-t2)(s的单位为m,t的单位为s),那么其在1.2s末的瞬时速度为(  )

A.-4.8m/sB.-0.88m/s

C.0.88m/sD.4.8m/s

答案 A

解析 物体运动在1.2s末的瞬时速度即为s在1.2处的导数,利用导数的定义即可求得.

5.设函数f(x)可导,则等于(  )

A.f′

(1)B.3f′

(1)C.f′

(1)D.f′(3)

答案 A

解析 =f′

(1).

6.一个质点沿直线运动,如果由始点起经过t秒后的位移为s=t3-3t2+8t,那么速度为零的时刻是(  )

A.1秒末B.1秒末和2秒末

C.4秒末D.2秒末和4秒末

答案 D

解析 据导数的定义,得s′=t2-6t+8,令s′=0,即t2-6t+8=0.

解得t=2或t=4,故速度为零的时刻为2秒末和4秒末.

二、填空题

7.已知函数y=+3,当x由2变到1.5时,函数的增量Δy=.

答案 

解析 Δy=f(1.5)-f

(2)=-=-1=.

8.已知函数f(x)=,则f′

(1)=.

答案 -

解析 f′

(1)==

==-.

9.如图所示,函数y=f(x)在[x1,x2],[x2,x3],[x3,x4]这几个区间内,平均变化率最大的一个区间是.

答案 [x3,x4]

解析 由平均变化率的定义可知,函数y=f(x)在区间[x1,x2],[x2,x3],[x3,x4]上的平均变化率分别为:

,,,结合图象可以发现函数y=f(x)的平均变化率最大的一个区间是[x3,x4].

10.子弹在枪筒中的运动可以看作是匀加速直线运动.如果它的加速度是a=5×105m/s2,子弹从枪口射出所用的时间为1.6×10-3s,则子弹射出枪口时的瞬时速度为m/s.

答案 800

解析 运动方程为s=at2.

∵Δs=a(t0+Δt)2-at=at0Δt+a(Δt)2,

∴=at0+aΔt,

∴v==at0.

又∵a=5×105m/s2,t0=1.6×10-3s,

∴v=at0=8×102=800(m/s).

三、解答题

11.求函数y=f(x)=2x2+4x在x=3处的导数.

解 Δy=2(3+Δx)2+4(3+Δx)-(2×32+4×3)

=12Δx+2(Δx)2+4Δx=2(Δx)2+16Δx,

∴==2Δx+16.

∴y′|x=3==(2Δx+16)=16.

12.若函数f(x)=ax2+c,且f′

(1)=2,求a的值.

解 ∵f(1+Δx)-f

(1)=a(1+Δx)2+c-a-c

=a(Δx)2+2aΔx.

∴f′

(1)==

=(aΔx+2a)=2a,即2a=2,

∴a=1.

13.试比较正弦函数y=sinx在x=0和x=附近的平均变化率哪一个大.

解 当自变量从0变到Δx时,函数的平均变化率为

k1==.

当自变量从变到Δx+时,函数的平均变化率为

k2==.

由于是在x=0和x=的附近的平均变化率,可知Δx较小,但Δx既可化为正,又可化为负.

当Δx>0时,k1>0,k2<0,此时有k1>k2.

当Δx<0时,k1-k2=-

==.

∵Δx<0,

∴Δx-<-,

∴sin(Δx-)<-,从而有sin(Δx-)<-1,

sin(Δx-)+1<0,

∴k1-k2>0,即k1>k2.

综上可知,正弦函数y=sinx在x=0附近的平均变化率大于在x=附近的平均变化率.

1.1.3 导数的几何意义

[学习目标] 1.理解曲线的切线的含义.2.理解导数的几何意义.3.会求曲线在某点处的切线方程.4.理解导函数的定义,会用定义法求简单函数的导函数.

知识点一 曲线的切线

如图所示,当点Pn沿着曲线y=f(x)无限趋近于点P时,割线PPn趋近于确定的位置,这个确定位置的直线PT称为点P处的切线.

(1)曲线y=f(x)在某点处的切线与该点的位置有关;

(2)曲线的切线,并不一定与曲线只有一个交点,可以有多个,甚至可以有无穷多个.

思考 有同学认为曲线y=f(x)在点P(x0,y0)处的切线l与曲线y=f(x)只有一个交点,你认为正确吗?

答案 不正确.曲线y=f(x)在点P(x0,y0)处的切线l与曲线y=f(x)的交点个数不一定只有一个,如图所示.

知识点二 导数的几何意义

函数y=f(x)在点x=x0处的导数f′(x0)就是曲线y=f(x)在点(x0,f(x0))处切线的斜率.

思考 

(1)曲线的割线与切线有什么关系?

(2)曲线在某点处的切线与在该点处的导数有何关系?

答案 

(1)曲线的切线是由割线绕一点转动,当割线与曲线的另一交点无限接近这一点时趋于的直线.曲线的切线并不一定与曲线有一个交点.

(2)函数f(x)在x0处有导数,则在该点处函数f(x)表示的曲线必有切线,且在该点处的导数就是该切线的斜率.

函数f(x)表示的曲线在点(x0,f(x0))处有切线,但函数f(x)在该点处不一定可导,如f(x)=在x=0处有切线,但不可导.

知识点三 导函数的概念

对于函数y=f(x),当x=x0时,f′(x0)是一个确定的数,这样,当x变化时,f′(x)便是关于x的一个函数,称它为函数y=f(x)的导函数,简称导数,也可记作y′,即f′(x)=y′==.

函数y=f(x)在x=x0处的导数y′|

就是函数y=f(x)在开区间(a,b)(x∈(a,b))上的导数f′(x)在x=x0处的函数值,即y′|

=f′(x0),所以函数y=f(x)在x=x0处的导数也记作f′(x0).

思考 如何正确理解“函数f(x)在x=x0处的导数”“导函数”“导数”三者之间的区别与联系?

答案 “函数y=f(x)在x=x0处的导数”是一个数值,是针对x0而言的,与给定的函数及x0的位置有关,而与Δx无关;“导函数”简称为“导数”,是一个函数,导函数是对一个区间而言的,它是一个确定的函数,依赖于函数本身,而与x,Δx无关.

题型一 求曲线的切线方程

1.求曲线在某点处的切线方程

例1 求曲线y=f(x)=x3-x+3在点(1,3)处的切线方程.

解 因为点(1,3)在曲线上,过点(1,3)的切线的斜率为f′

(1)=

=[(Δx)2+3Δx+2]

=2,

故所求切线方程为y-3=2(x-1),

即2x-y+1=0.

反思与感悟 若求曲线y=f(x)在点P(x0,y0)处的切线方程,其切线只有一条,点P(x0,y0)在曲线y=f(x)上,且是切点,其切线方程为y-y0=f′(x0)(x-x0).

跟踪训练1 

(1)曲线f(x)=x3-x2+5在x=1处切线的倾斜角为.

(2)曲线y=f(x)=x3在点P处切线斜率为3,则点P的坐标为.

答案 

(1)π 

(2)(-1,-1)或(1,1)

解析 

(1)设切线的倾斜角为α,则

tanα=

=[(Δx)2-1]=-1.

∵α∈[0,π),

∴α=π.

∴切线的倾斜角为π.

(2)设点P的坐标为(x0,x),则有

=[3x+3x0Δx+(Δx)2]

=3x.

∴3x=3,解得x0=±1.

∴点P的坐标是(1,1)或(-1,-1).

2.求曲线过某点的切线方程

例2 求过点(-1,-2)且与曲线y=2x-x3相切的直线方程.

解 y′=

=[2-3x2-3xΔx-(Δx)2]=2-3x2.

设切点的坐标为(x0,2x0-x),

∴切线方程为y-2x0+x=(2-3x)(x-x0).

又∵切线过点(-1,-2),

∴-2-2x0+x=(2-3x)(-1-x0),

即2x+3x=0,

∴x0=0或x0=-.

∴切点的坐标为(0,0)或(-,).

当切点为(0,0)时,切线斜率为2,切线方程为y=2x;当切点为(-,)时,切线斜率为-,切线方程为y+2=-(x+1),即19x+4y+27=0.

综上可知,过点(-1,-2)且与曲线相切的直线方程为y=2x或19x+4y+27=0.

反思与感悟 若题中所给点(x0,y0)不在曲线上,首先应设出切点坐标,然后根据导数的几何意义列出等式,求出切点坐标,进而求出切线方程.

跟踪训练2 求过点P(3,5)且与曲线y=x2相切的直线方程.

解 由题意知y′===2x.

设所求切线的切点为A(x0,y0).

∵点A在曲线y=x2上,

∴y0=x.

又∵A是切点,

∴过点A的切线的斜率y′|

=2x0.

∵所求切线过P(3,5)和A(x0,y0)两点,

∴其斜率为=.

∴2x0=,

解得x0=1或x0=5.

从而切点A的坐标为(1,1)或(5,25).

当切点为(1,1)时,切线的斜率为k1=2x0=2;

当切点为(5,25)时,切线的斜率为k2=2x0=10.

∴所求的切线有两条,方程分别为y-1=2(x-1)和y-25=10(x-5),

即2x-y-1=0和10x-y-25=0.

题型二 求导函数

例3 求函数f(x)=的导函数.

解 ∵Δy=f(x+Δx)-f(x)

=-

=,

∴=,

∴f′(x)=

=.

反思与感悟 求解f′(x)时,结合导数的定义,首先计算Δy=f(x+Δx)-f(x).然后,再求解,最后得到f′(x)=.

跟踪训练3 已知函数f(x)=x2-1,求f′(x)及f′(-1).

解 因Δy=f(x+Δx)-f(x)

=(x+Δx)2-1-(x2-1)

=2Δx·x+(Δx)2,

故==2x,

得f′(x)=2x,f′(-1)=-2.

题型三 导数几何意义的综合应用

例4 设函数f(x)=x3+ax2-9x-1(a<0),若曲线y=f(x)的斜率最小的切线与直线12x+y=6平行,求a的值.

解 ∵Δy=f(x+Δx)-f(x)=(x+Δx)3+a(x+Δx)2-9(x+Δx)-1-(x3+ax2-9x-1)=(3x2+2ax-9)Δx+(3x+a)(Δx)2+(Δx)3,

∴=3x2+2ax-9+(3x+a)Δx+(Δx)2,

∴f′(x)==3x2+2ax-9=3(x+)2-9-≥-9-.

由题意知f′(x)最小值是-12,

∴-9-=-12,a2=9,

∵a<0,

∴a=-3.

反思与感悟 与导数的几何意义相关的题目往往涉及解析几何的相关知识,如直线的方程、直线间的位置关系等,因此要综合应用所学知识解题.

跟踪训练4 

(1)已知函数f(x)在区间[0,3]上的图象如图所示,记k1=f′

(1),k2=f′

(2),k3=f

(2)-f

(1),则k1,k2,k3之间的大小关系为.(请用“>”连接)

(2)曲线y=和y=x2在它们交点处的两条切线与x轴所围成的三角形的面积是.

答案 

(1)k1>k3>k2 

(2)

解析 

(1)结合导数的几何意义知,k1就是曲线在点A处切线的斜率,k2则为在点B处切线的斜率,而k3则为割线AB的斜率,由图易知它们的大小关系.

(2)联立解得

故交点坐标为(1,1).

曲线y=在点(1,1)处切线方程为l1:

x+y-2=0,

曲线y=x2在点(1,1)处切线方程为l2:

2x-y-1=0.

从而得S=××1=.

因对“在某点处”“过某点”分不清致误

例5 已知曲线y=f(x)=x3上一点Q(1,1),求过点Q的切线方程.

错解 因y′=3x2,f′

(1)=3.

故切线方程为3x-y-2=0.

错因分析 上述求解过程中,忽略了当点Q不是切点这一情形,导致漏解.

正解 当Q(1,1)为切点时,

可求得切线方程为y=3x-2.

当Q(1,1)不是切点时,设切点为P(x0,x),

则由导数的定义,在x=x0处,y′=3x,

所以切线方程为y-x=3x(x-x0),

将点(1,1)代入,得1-x=3x(1-x0),

即2x-3x+1=0,

所以(x0-1)2·(2x0+1)=0,

所以x0=-,或x0=1(舍),

故切点为,

故切线方程为y=x+.

综上,所求切线的方程为3x-y-2=0或3x-4y+1=0.

防范措施 解题前,养成认真审题的习惯,其次,弄清“在某点处的切线”与“过某点的切线”,点Q(1,1)尽管在所给曲线上,但它可能是切点,也可能不是切点.

1.下列说法中正确的是(  )

A.和曲线只有一个公共点的直线是曲线的切线

B.和曲线有两个公共点的直线一定不是曲线的切线

C.曲线的切线与曲线不可能有无数个公共点

D.曲线的切线与曲线有可能有无数个公共点

答案 D

解析 y=sinx,x∈R在点(,1)处的切线与y=sinx有无数个公共点.

2.已知曲线y=f(x)=2x2上一点A(2,8),则点A处的切线斜率为(  )

A.4B.16C.8D.2

答案 C

解析 f′

(2)=

==(8+2Δx)=8,即k=8.

3.若曲线y=x2+ax+b在点(0,b)处的切线方程是x-y+1=0,则(  )

A.a=1,b=1B.a=-1,b=1

C.a=1,b=-1D.a=-1,b=-1

答案 A

解析 由题意,知k=y′|x=0

==1,∴a=1.

又(0,b)在切

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