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单调性与最大小值教学设计

单调性与最大小值教学设计

教学设计

1.3.1单调性与最大(小)值

第1课时

整体设计

教学目标

1.使学生从形与数两方面理解函数单调性的概念,初步掌握利用函数图象和单调性定义判断、证明函数单调性的方法.

2.通过对函数单调性定义的探究,渗透数形结合的思想方法,培养学生观察、归纳、抽象的能力和语言表达能力;通过对函数单调性的证明,提高学生的推理论证能力.

3.通过知识的探究过程培养学生细心观察、认真分析、严谨论证的良好思维习惯,让学生经历从具体到抽象,从特殊到一般,从感性到理性的认知过程.

重点难点

教学重点:

函数单调性的概念、判断及证明.

教学难点:

归纳抽象函数单调性的定义以及根据定义证明函数的单调性.

教学方法

教师启发讲授,学生探究学习.

教学手段

计算机、投影仪.

教学过程

创设情境,引入课题

课前布置任务:

(1)由于某种原因,2008年北京奥运会开幕式时间由原定的7月25日推迟到8月8日,请查阅资料说明做出这个决定的主要原因.

(2)通过查阅历史资料研究北京奥运会开幕式当天气温变化情况.

课上通过交流,可以了解到开幕式推迟主要是天气的原因,北京的天气到8月中旬,平均气温、平均降雨量和平均降雨天数等均开始下降,比较适宜举办大型国际体育赛事.

下图是北京市某年8月8日一天24小时内气温随时间变化的曲线图.

图1

引导学生识图,捕捉信息,启发学生思考.

问题:

观察图形,能得到什么信息?

预案:

(1)当天的最高温度、最低温度以及何时达到;

(2)在某时刻的温度;

(3)某些时段温度升高,某些时段温度降低.

在生活中,我们关心很多数据的变化规律,了解这些数据的变化规律,对我们的生活是很有帮助的.

问题:

还能举出生活中其他的数据变化情况吗?

预案:

水位高低、燃油价格、股票价格等.

归纳:

用函数观点看,其实就是随着自变量的变化,函数值是变大还是变小.

【设计意图】由生活情境引入新课,激发兴趣.

归纳探索,形成概念

对于自变量变化时,函数值是变大还是变小,初中时同学们就有了一定的认识,但是没有严格的定义,今天我们的任务首先就是建立函数单调性的严格定义.

1.借助图象,直观感知

问题1:

分别作出函数y=x+2,y=-x+2,y=x2,y=1x的图象,并且观察自变量变化时,函数值有什么变化规律?

图2

预案:

(1)函数y=x+2在整个定义域内y随x的增大而增大;函数y=-x+2在整个定义域内y随x的增大而减小.

(2)函数y=x2在0,+∞)上y随x的增大而增大,在(-∞,0)上y随x的增大而减小.

(3)函数y=1x在(0,+∞)上y随x的增大而减小,在(-∞,0)上y随x的增大而减小.

引导学生进行分类描述(增函数、减函数),同时明确函数的单调性是对定义域内某个区间而言的,是函数的局部性质.

问题2:

能不能根据自己的理解说说什么是增函数、减函数?

预案:

如果函数f(x)在某个区间上随自变量x的增大,y也越来越大,我们说函数f(x)在该区间上为增函数;如果函数f(x)在某个区间上随自变量x的增大,y越来越小,我们说函数f(x)在该区间上为减函数.

教师指出:

这种认识是从图象的角度得到的,是对函数单调性的直观认识.

【设计意图】从图象直观感知函数单调性,完成对函数单调性的第一次认识.

2.探究规律,理性认识

问题1:

下图是函数y=x+2x(x>0)的图象,能说出这个函数分别在哪个区间为增函数和减函数吗?

图3

学生的困难是难以确定分界点的确切位置.

通过讨论,使学生感受到用函数图象判断函数单调性虽然比较直观,但有时不够精确,需要结合解析式进行严密化、精确化的研究.

【设计意图】使学生体会到用数量大小关系严格表述函数单调性的必要性.

问题2:

如何从解析式的角度说明f(x)=x2在0,+∞)为增函数?

预案:

(1)在给定区间内取两个数,例如1和2,因为12<22,所以f(x)=x2在0,+∞)为增函数.

(2)仿

(1),取很多组验证均满足,所以f(x)=x2在0,+∞)为增函数.

(3)任取x1,x2∈0,+∞),且x1<x2,因为x12-x22=(x1+x2)(x1-x2)<0,即x12<x22,

所以f(x)=x2在0,+∞)为增函数.

对于学生错误的回答,引导学生分别用图形语言和文字语言进行辨析,使学生认识到问题的根源在于自变量不可能被穷举,从而引导学生在给定的区间内任意取两个自变量x1,x2.

【设计意图】把对单调性的认识由感性上升到理性的高度,完成对概念的第二次认识.事实上也给出了证明单调性的方法,为证明单调性做好了铺垫.

3.抽象思维,形成概念

问题:

你能用准确的数学符号语言表述出增函数的定义吗?

师生共同探究,得出增函数严格的定义,然后学生类比得出减函数的定义.

(1)板书定义

(2)巩固概念

判断题:

①已知f(x)=1x,因为f(-1)<f

(2),所以函数f(x)是增函数.

②若函数f(x)满足f

(2)<f(3),则函数f(x)在区间2,3]上为增函数.

③若函数f(x)在区间(1,2]和(2,3)上均为增函数,则函数f(x)在区间(1,3)上为增函数.

④因为函数f(x)=1x在区间(-∞,0)和(0,+∞)上都是减函数,所以f(x)=1x在(-∞,0)∪(0,+∞)上是减函数.

通过判断题,强调三点:

①单调性是对定义域内某个区间而言的,离开了定义域和相应区间就谈不上单调性.

②对于某个具体函数的单调区间,可以是整个定义域(如一次函数),可以是定义域内某个区间(如二次函数),也可以根本不单调(如常函数).

③函数在定义域内的两个区间A,B上都是增(或减)函数,一般不能认为函数在A∪B上是增(或减)函数.

思考:

如何说明一个函数在某个区间上不是单调函数?

【设计意图】让学生由特殊到一般,从具体到抽象归纳出单调性的定义,通过对判断题的辨析,加深学生对定义的理解,完成对概念的第三次认识.

掌握证法,适当延展

【例】证明函数f(x)=x+2x在(2,+∞)上是增函数.

1.分析解决问题

针对学生可能出现的问题,组织学生讨论、交流.

证明:

任取x1,x2∈(2,+∞),且x1<x2,设元

f(x1)-f(x2)=x1+2x1-x2+2x2求差

=(x1-x2)+2x1-2x2

=(x1-x2)+2(x2-x1)x1x2=(x1-x2)1-2x1x2=(x1-x2)x1x2-2x1x2,变形

∵2<x1<x2,

∴x1-x2<0,x1x2>2,∴f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2),断号

∴函数f(x)=x+2x在(2,+∞)上是增函数.定论

2.归纳解题步骤

引导学生归纳证明函数单调性的步骤:

设元、作差、变形、断号、定论.

练习:

证明函数f(x)=x在0,+∞)上是增函数.

问题:

要证明函数f(x)在区间(a,b)上是增函数,除了用定义来证,如果可以证得对任意的x1,x2∈(a,b),且x1≠x2有f(x2)-f(x1)x2-x1>0可以吗?

引导学生分析这种叙述与定义的等价性,让学生尝试用这种等价形式证明函数f(x)=x在0,+∞)上是增函数.

【设计意图】初步掌握根据定义证明函数单调性的方法和步骤.等价形式进一步发展可以得到导数法,为用导数方法研究函数单调性埋下伏笔.

归纳小结,提高认识

学生交流在本节课学习中的体会、收获,交流学习过程中的体验和感受,师生合作共同完成小结.

1.小结

(1)概念探究过程:

直观到抽象、特殊到一般、感性到理性.

(2)证明方法和步骤:

设元、作差、变形、断号、定论.

(3)数学思想方法和思维方法:

数形结合,等价转化,类比等.

2.作业

书面作业:

课本习题1.3A组第1,2,3题.

课后探究:

(1)证明:

函数f(x)在区间(a,b)上是增函数当且仅当对任意的x,x+h∈(a,b),且h≠0有f(x+h)-f(x)h>0.

(2)研究函数y=x+1x(x>0)的单调性,并结合描点法画出函数的草图.

设计说明

1.教学内容的分析

函数的单调性是学生在了解函数概念后学习的函数的第一个性质,是函数学习中第一个用数学符号语言刻画的概念,为进一步学习函数其他性质提供了方法依据.

对于函数单调性,学生的认知困难主要在两个方面:

(1)要求用准确的数学符号语言去刻画图象的上升与下降,这种由形到数的翻译,从直观到抽象的转变对高一的学生是比较困难的;

(2)单调性的证明是学生在函数内容中首次接触到的代数论证内容,而学生在代数方面的推理论证能力是比较薄弱的.根据以上的分析和教学大纲的要求,确定了本节课的重点和难点.

2.教学目标的确定

根据本课教材的特点、教学大纲对本节课的教学要求以及学生的认知水平,从三个不同的方面确定了教学目标,重视单调性概念的形成过程和对概念本质的认识;强调判断、证明函数单调性的方法的落实以及数形结合思想的渗透;突出语言表达能力、推理论证能力的培养和良好思维习惯的养成.

3.教学方法和教学手段的选择

本节课是函数单调性的起始课,采用教师启发讲授,学生探究学习的教学方法,通过创设情境,引导探究,师生交流,最终形成概念,获得方法.本节课使用了多媒体投影和计算机来辅助教学,目的是充分发挥其快捷、生动、形象的特点,为学生提供直观感性的材料,有助于学生对问题的理解和认识.

4.教学过程的设计

为达到本节课的教学目标,突出重点,突破难点,教学上采取了以下的措施:

(1)在探索概念阶段,让学生经历从直观到抽象、从特殊到一般、从感性到理性的认知过程,完成对单调性定义的三次认识,使得学生对概念的认识不断深入.

(2)在应用概念阶段,通过对证明过程的分析,帮助学生掌握用定义证明函数单调性的方法和步骤.

(3)可对判断方法进行适当的延展,加深对定义的理解,同时也为用导数研究单调性埋下伏笔.

第2课时

作者:

方诚心

整体设计

教学目标

1.知识与技能

(1)使学生理解函数的最值是在整个定义域上来研究的,它是函数单调性的应用.

(2)启发学生学会分析问题、认识问题和创造性地解决问题.

2.过程与方法

(1)通过渗透数形结合的数学思想,对学生进行辩证唯物主义的教育.

(2)探究与活动,明白考虑问题要细致,说理要明确.

3.情感、态度与价值观

理性描述生活中的最大(小)、最多(少)等现象.

重点难点

教学重点:

函数最大(小)值的定义和求法.

教学难点:

如何求一个具体函数的最值.

教学过程

导入新课

思路1.某工厂为了扩大生产规模,计划重新建造一个面积为10000m2的矩形新厂址,新厂址的长为xm,则宽为10000xm,所建围墙ym,假如你是这个工厂的厂长,你会选择一个长和宽各为多少米的矩形土地,使得新厂址的围墙y最短?

学生先思考或讨论,教师指出此题意在求函数y=2x+10000x,x>0的最小值.引出本节课题:

在生产和生活中,我们非常关心花费最少、用料最省、用时最省等最值问题,这些最值对我们的生产和生活是很有帮助的.那么什么是函数的最值呢?

这就是我们今天学习的课题.用函数知识解决实际问题,将实际问题转化为求函数的最值,这就是函数的思想,用函数解决问题.

思路2.画出下列函数的图象,指出图象的最高点或最低点,并说明它能体现函数的什么特征?

①f(x)=-x+3;②f(x)=-x+3,x∈-1,2];

③f(x)=x2+2x+1;④f(x)=x2+2x+1,x∈-2,2].

学生回答后,教师引出课题:

函数的最值.

推进新课

新知探究

提出问题

(1)如图4所示是函数y=-x2-2x、y=-2x+1,x∈-1,+∞)、y=f(x)的图象.观察这三个图象的共同特征.

图4

(2)函数图象上任意点P(x,y)的坐标与函数有什么关系?

(3)你是怎样理解函数图象最高点的?

(4)问题

(1)中,在函数y=f(x)的图象上任取一点A(x,y),如图5所示,设点C的坐标为(x0,y0),谁能用数学符号解释:

函数y=f(x)的图象有最高点C?

图5

(5)在数学中,形如问题

(1)中函数y=f(x)的图象上最高点C的纵坐标就称为函数y=f(x)的最大值.谁能给出函数最大值的定义?

(6)函数最大值的定义中f(x)≤M即f(x)≤f(x0),这个不等式反映了函数y=f(x)的函数值具有什么特点?

其图象又具有什么特征?

(7)函数最大值的几何意义是什么?

(8)函数y=-2x+1,x∈(-1,+∞)有最大值吗?

为什么?

(9)点(-1,3)是不是函数y=-2x+1,x∈(-1,+∞)的最高点?

(10)由问题(9)你发现了什么值得注意的地方?

讨论结果:

(1)函数y=-x2-2x的图象有最高点A,函数y=-2x+1,x∈-1,+∞)的图象有最高点B,函数y=f(x)的图象有最高点C.也就是说,这三个函数的图象的共同特征是都有最高点.

(2)函数图象上任意点P的坐标(x,y)的意义:

横坐标x是自变量的取值,纵坐标y是自变量为x时对应的函数值的大小.

(3)图象上最高点的纵坐标是所有函数值中的最大值,即函数的最大值.

(4)由于点C是函数y=f(x)图象上的最高点,则点A在点C的下方,即对定义域内任意x,都有y≤y0,即f(x)≤f(x0),也就是对函数y=f(x)的定义域内任意x,均有f(x)≤f(x0)成立.

(5)一般地,设函数y=f(x)的定义域为I,如果存在实数M满足:

①对于任意的x∈I,都有f(x)≤M;

②存在x0∈I,使得f(x0)=M.

那么,称M是函数y=f(x)的最大值.

(6)f(x)≤M反映了函数y=f(x)的所有函数值不大于实数M;这个函数的特征是图象有最高点,并且最高点的纵坐标是M.

(7)函数图象上最高点的纵坐标.

(8)函数y=-2x+1,x∈(-1,+∞)没有最大值,因为函数y=-2x+1,x∈(-1,+∞)的图象没有最高点.

(9)不是,因为该函数的定义域中没有-1.

(10)讨论函数的最大值,要坚持定义域优先的原则;函数图象上有最高点时,这个函数才存在最大值,最高点必须是函数图象上的点.

提出问题

(1)类比函数的最大值,请你给出函数的最小值的定义及其几何意义.

(2)类比上面问题(9),你认为讨论函数最小值应注意什么?

活动:

让学生思考函数最大值的定义,利用定义来类比定义.最高点类比最低点,不等号“≤”类比不等号“≥”.函数的最大值和最小值统称为函数的最值.

讨论结果:

(1)函数最小值的定义是:

一般地,设函数y=f(x)的定义域为I,如果存在实数M满足:

①对于任意的x∈I,都有f(x)≥M;

②存在x0∈I,使得f(x0)=M.

那么,称M是函数y=f(x)的最小值.

函数最小值的几何意义:

函数图象上最低点的纵坐标.

(2)讨论函数的最小值,也要坚持定义域优先的原则;函数图象上有最低点时,这个函数才存在最小值,最低点必须是函数图象上的点.

应用示例

例1求函数y=2x-1在区间2,6]上的最大值和最小值.

活动:

先思考或讨论,再到黑板上书写.当学生没有解题思路时,才提示:

图象最高点的纵坐标就是函数的最大值,图象最低点的纵坐标就是函数的最小值.根据函数的图象观察其单调性,再利用函数单调性的定义证明,最后利用函数的单调性求得最大值和最小值.利用变换法画出函数y=2x-1的图象,只取在区间2,6]上的部分.观察可得函数的图象是上升的.

解:

设2≤x1<x2≤6,则有

f(x1)-f(x2)=2x1-1-2x2-1=2(x2-1)-(x1-1)](x1-1)(x2-1)=2(x2-x1)(x1-1)(x2-1).

∵2≤x1<x2≤6,

∴x2-x1>0,(x1-1)(x2-1)>0.

∴f(x1)>f(x2),即函数y=2x-1在区间2,6]上是减函数.

∴当x=2时,函数y=2x-1在区间2,6]上取得最大值f

(2)=2;

当x=6时,函数y=2x-1在区间2,6]上取得最小值f(6)=25.

变式训练

1.求函数y=x2-2x(x∈-3,2])的最大值和最小值.

解:

最大值是f(-3)=15,最小值是f

(1)=-1.

2.函数f(x)=x4+2x2-1的最小值是__________.

解析:

(换元法)转化为求二次函数的最小值.

设x2=t,y=t2+2t-1(t≥0),

又当t≥0时,函数y=t2+2t-1是增函数,

则当t=0时,函数y=t2+2t-1(t≥0)取最小值-1.

所以函数f(x)=x4+2x2-1的最小值是-1.

答案:

-1

3.画出函数y=-x2+2|x|+3的图象,指出函数的单调区间和最大值.

分析:

函数的图象关于y轴对称,先画出y轴右侧的图象,再对称到y轴左侧合起来得函数的图象;借助图象,根据单调性的几何意义写出单调区间.

解:

函数图象如图6所示.

图6

由图象得,函数的图象在区间(-∞,-1)和0,1]上是上升的,在-1,0]和(1,+∞)上是下降的,最高点是(±1,4),

故函数在(-∞,-1),0,1]上是增函数;函数在-1,0],(1,+∞)上是减函数,最大值是4.

点评:

本题主要考查函数的单调性和最值,以及最值的求法.求函数的最值时,先画函数的图象,确定函数的单调区间,再用定义法证明,最后借助单调性写出最值,这种方法适用于做解答题.

单调法求函数最值:

先判断函数的单调性,再利用其单调性求最值;常用到下面的结论:

①如果函数y=f(x)在区间(a,b]上单调递增,在区间b,c)上单调递减,则函数y=f(x)在x=b处有最大值f(b);②如果函数y=f(x)在区间(a,b]上单调递减,在区间b,c)上单调递增,则函数y=f(x)在x=b处有最小值f(b).

例2“菊花”烟花是最壮观的烟花之一.制造时一般是期望在它达到最高点时爆裂.如果烟花距地面的高度hm与时间ts之间的关系为h(t)=-4.9t2+14.7t+18,那么烟花冲出后什么时候是它爆裂的最佳时刻?

这时距地面的高度是多少?

(精确到1m)

活动:

可以指定一位学生到黑板上书写,教师在下面巡视,并及时帮助做错的学生改错.并对学生的板书及时评价.将实际问题最终转化为求函数的最值,画出函数的图象,利用函数的图象求出最大值.“烟花冲出后什么时候是它爆裂的最佳时刻”就是当t取什么值时函数h(t)=-4.9t2+14.7t+18取得最大值;“这时距地面的高度是多少(精确到1m)”就是函数h(t)=-4.9t2+14.7t+18的最大值;转化为求函数h(t)=-4.9t2+14.7t+18的最大值及此时自变量t的值.

解:

作出函数h(t)=-4.9t2+14.7t+18的图象,如图7所示,

图7

显然,函数图象的顶点就是烟花上升的最高点,顶点的横坐标就是烟花爆裂的最佳时刻,纵坐标就是这时距地面的高度.

由二次函数的知识,对于函数h(t)=-4.9t2+14.7t+18,我们有:

当t=-14.72×(-4.9)=1.5时,函数有最大值h=4×(-4.9)×18-14.724×(-4.9)≈29.

即烟花冲出后1.5s是它爆裂的最佳时刻,这时距地面的高度约是29m.

点评:

本题主要考查二次函数的最值问题,以及应用二次函数解决实际问题的能力.解应用题的步骤是:

①审清题意读懂题;②将实际问题转化为数学问题来解决;③归纳结论.

注意:

要坚持定义域优先的原则;求二次函数的最值要借助于图象即数形结合.

变式训练

1.把长为12厘米的细铁丝截成两段,各自围成一个正三角形,那么这两个正三角形面积之和的最小值是()

A.323cm2B.4cm2C.32cm2D.23cm2

解析:

设一个三角形的边长为xcm,则另一个三角形的边长为(4-x)cm,两个三角形的面积和为S,则S=34x2+34(4-x)2=32(x-2)2+23≥23.当x=2时,S取最小值23cm2.故选D.

答案:

D

2.某超市为了获取最大利润做了一番试验,若将进货单价为8元的商品按10元一件的价格出售时,每天可销售60件,现在采用提高销售价格减少进货量的办法增加利润,已知这种商品每涨1元,其销售量就要减少10件,问该商品售价定为多少时才能赚取最大利润,并求出最大利润.

分析:

设未知数,引进数学符号,建立函数关系式,再研究函数关系式的定义域,并结合问题的实际意义作出回答.利润=(售价-进价)×销售量.

解:

设商品售价定为x元时,利润为y元,则y=(x-8)60-(x-10)•10]

=-10(x-12)2-16]=-10(x-12)2+160(10<x<16),

当且仅当x=12时,y有最大值160元,

即售价定为12元时可获最大利润160元.

知能训练

课本本节练习5.

【补充练习】

某厂2013年拟举行促销活动,经调查测算,该厂产品的年销售量(即该厂的年产量)x万件与去年促销费m(万元)(m≥0)满足x=3-2m+1.已知2013年生产的固定投入为8万元,每生产1万件该产品需要再投入16万元,厂家将每件产品的销售价格定为每件产品平均成本的1.5倍(产品成本包括固定投入和再投入两部分资金).

(1)将2013年该产品的利润y万元表示为年促销费m(万元)的函数;

(2)求2013年该产品利润的最大值,此时促销费为多少万元?

分析:

(1)年利润=销售价格×年销售量-固定投入-促销费-再投入,销售价格=1.5×每件产品平均成本;

(2)利用单调法求函数的最大值.

解:

(1)每件产品的成本为8+16xx元,故2013年的利润为

y=1.5×8+16xx×x-(8+16x+m)=4+8x-m=4+83-2m+1-m=28-16m+1-m(万元)(m≥0).

(2)可以证明当0≤m≤3时,函数y=28-16m+1-m是增函数,当m>3时,函数y=28-16m+1-m是减函数,所以当m=3时,函数y=28-16m+1-m取最大值21万元.

拓展提升

问题:

求函数y=1x2+x+1的最大值.

解:

(方法一)利用计算机软件画出函数的图象,如图8所示,

故图象最高点是-12,43.

图8

则函数y=1x2+x+1的最大值是43.

(方法二)函数的定义域是R,

可以证明当x<-12时,函数y=1x2+x+1是增函数;

当x≥-12时,函数y=1x2+x+1是减函数.

则当x=-12时,函数y=1x2+x+1取最大值43,

即函数y=1x2+x+1的最大值是43.

(方法三)函数的定义域是R,

由y=1x2+x+1,得yx2+yx+y-1=0.

∵x∈R,∴关于x的方程yx2+yx+y-1=0必有实数根.

当y=0时,关于x的方程yx2+yx+y-1=0无实数根,即y=0不属于函数的值域.

当y≠0时,则关于x的方程yx2+yx+y-1=0是一元二次方程,

则有Δ=(-y)2-4×y(y-1)≥0.∴0<y≤43.

∴函数y=1x2+x+1的最大值是43.

点评:

方法三称为判别式法,形如函数y=ax2+bx+cdx2+ex+f(d≠0),当函数的定义域是R(此时e2-4df<0)时,常用判别式法求最值,其步骤是:

①把y看成常数,将函数解析式整理为关于x的方程的形式mx2+nx+k=0;②分类讨论m=0是否符合题意;③当m≠0时,关于x的方程mx2+nx+k=0中有x∈R,则此一元二次方程必有实数根,得n2-4mk≥0,得关于y的不等式,解不等式组n2-4mk≥0,m≠0.此不等式组的解集与②中y的值取并集得函数的值域,从而得函数的最大值和最小值.

课堂小结

本节课学习了:

(1)函数的最值;

(2)求函数最值的方法:

①图象法,②单调法,③判别式法;(3)求函数最值时,要注意函数的定义域.

作业

课本习题1.3A组5,6.

设计感想

为达到本节课的教学目标

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