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复合函数的单调性

 

复合函数的单调性

函数的值域与函数的单调性

我们将复习函数的值域与函数的单调性两部分内容.

通过本专题的学习,同学们应掌握求函数值域的常用方法;掌握函数单调性的定义,能用定义判定函数的单调性;会判断复合函数的单调性;了解利用导数研究函数单调性的一般方法.

[知识要点]

一.函数的值域

求函数值域的方法主要有:

配方法、判别式法、换元法、基本不等式法、图象法,利用函数的单调性、利用函数的反函数、利用已知函数的值域、利用导数求值域等.

二.函数的单调性

1.定义

如果对于给定区间上的任意两个自变量的值x1、x2,当x1f(x2),那么就称f(x)在这个区间上是减函数.如果y=f(x)在某个区间上是增函数或减函数,就说y=f(x)在这一区间上具有严格的单调性,这一区间叫做f(x)的单调区间.

注:

在定义域内的一点处,这个函数是增函数还是减函数呢?

函数的单调性是就区间而言,对于单独的一点,由于它的函数值是唯一确定的常数,因而没有增减变化,所以不存在单调性问题.

2.函数单调性的运算规律

在共同的定义域上,设“f型”是增函数,“g型”是减函数,则:

(1)f1(x)+f2(x)是增函数;

(2)g1(x)+g2(x)是减函数;

(3)f(x)-g(x)是增函数;

(4)g(x)-f(x)是减函数.

[典型例题]

一.函数值域的求法

(一)配方法

例1.

解:

例2求函数y=2x+2-3×4?

x(-1≤x≤0)

的值域

解y=2x+2-3·4x

=4·2x-3·22x

令2x=t

例3.

解:

∴函数定义域为[3,5]

例4.若实数x、y满足x2+4y2=4x,求S=x2+y2的值域

解:

∵4y2=4x-x2≥0

∴x2-4x≤0,即0≤x≤4

∴当x=4时,Smax=16

当x=0时,Smin=0

∴值域0≤S≤16

例5.已知函数y=f(x)=x2+ax+3在区间x∈[-1,1]时的最小值为-3,求实数a的值.

分析:

的位置取决于a,而函数的自变量x限定在[-1,1]内,因此,有三种可能性,应分别加以讨论.

解:

综合

(1)

(2)(3)可得:

a=±7

(二)判别式法

例6.

解由已知得(2y-1)x2-(2y-1)x+(3y-1)=0(*)

(2)若2y-1≠0,则∵x∈R

∴Δ=(2y-1)2-4(2y-1)(3y-1)≥0

即(2y-1)(10y-3)≤0

例7.

解由已知得(y-1)x2+(y-4)x-(6y+3)=0(*)

①若y=1,代入(*)式-3x-9=0

∴x=-3,此时原函数分母x2+x-6的值为0

∴y≠1

②若y≠1,则∵x∈R

∴Δ=(y-4)2+4(y-1)(6y+3)≥0

化简可得(5y-2)2≥0,则y∈R

说明:

m(y)x2+n(y)x+p(y)=0的形式,再利用x∈R,由Δ≥0求出y的取值范围,但需注意两点:

(1)要分m(y)=0和m(y)≠0两种情况讨论,只有m(y)≠0时,才可利用判别式;

(2)在求出y的取值范围后,要注意“=”能否取到.

(三)换元法

例8.

解:

∴ymax=1,ymin=-23

∴原函数值域-23≤y≤1

例9.

解:

(四)利用函数的单调性

例10.

解:

例11.

解:

调递减

说明在利用函数的单调性求值域时,应注意如下结论:

在共同定义域上,设“f型”是增函数,“g型”是减函数,则

(1)f1(x)+f2(x)是增函数;

(2)g1(x)+g2(x)是减函数;(3)f(x)-g(x)是增函数;(4)g(x)-f(x)是减函数.但当两个单调函数之间的运算符号为“x”、“÷”时,则不具有这种规律.

(五)基本不等式法

这种方法是利用如下的“基本不等式”和与“复数的模”有关的不等式求函数值域.

例12.

解:

例13.

解:

∵y≥0

例14.

解:

又y是x的连续函数

(六)利用原函数的反函数

如果一个函数的反函数存在,那么反函数的定义域就是原函数的值域.

例15.

解y·10x+y·10-x=10x-10-x

即y·102x+y=102x-1

∴1+y=(1-y)·102x

(七)利用已知函数的值域

例16.

解利用三角函数的值域来求值域,把函数式去分母变形得:

ycosx-sinx=1-3y

(八)图象法

例17.

解:

由图象知:

值域为y≥3

(九)利用导数求值域

此种方法在本学期学习导数的应用时已作了详尽的阐述,这里就不再多说了.

二.函数的单调性

(一)函数单调性的判定

1.利用已知函数的单调性

例1若y=(2k+1)x+b是R上的减函数,则有()

解:

选D

说明:

函数y=kx+b,当k>0时是增函数;k=0时是常函数;k<0时是减函数.

例2.

减区间是__________________.

解:

减区间是(-∞,-1)和(-1,+∞).

说明:

函数的两个单调区间之间可以用“,”或“和”字连接,而不能用符号“∪”连

例3函数f(x)=4x2-mx+5,当x∈(-2,+∞)时是增函数,则m的取值范围是_________;当x∈(-2,+∞)时是增函数,当x∈(-∞,-2)时是减函数,则f

(1)=________________.

解:

∴m=-16

∴f

(1)=4+16+5=25

2.利用定义判定或证明函数的单调性

例4根据函数单调性的定义证明函数f(x)=-x3+1在R上是减函数.

证明在(-∞,+∞)上任取x1、x2,且x1

f(x2)-f(x1)=x13-x23=(x1-x2)(x12+x1x2+x22)

∵x1

当x1x2<0时,有x12+x1x2+x22=(x1+x2)2-x1x2>0

当x1x2≥0时,有x12+x1x2+x22>0

∴f(x2)-f(x1)=(x1-x2)(x12+x1x2+x22)<0

即f(x2)

所以函数f(x)=-x3+1在(-∞,+∞)上是减函数

说明

-f(x1)的符号;同学们也不妨应用导数的知识来解决本题.

(2)用定义证明或判断函数的单调性,要注意步骤清晰,讨论严密.

例5.

(1)i)设x1,x2∈(0,1],且x1

∵x1-x2<0,0

∴f(x1)-f(x2)>0

即f(x1)>f(x2)

ii)设x1,x2∈[1,+∞),且x1

∴由

(1)中讨论可知y当x≥0时单调递增,当x=0时,

∴当x=0时,y有最小值

说明

(2)中函数最值不能用基本不等式求,因为不存在使

的x;同理可证:

3.利用图象讨论函数的单调性

例6作函数f(x)=|x2-1|+x的图象,并根据图象讨论函数的单调性.

由图象,

(二)复合函数的单调性

例7.

解∵-x2-2x+3≥0

∴x2+2x-3≤0

∴(x-1)(x+3)≤0

∴-3≤x≤1

则当x∈[-3,-1]时,u=-x2-2x+3单调递增

当x∈[-1,1]时,u=-x2-2x+3单调递减

例8.

解:

例9已知f(x)=8+2x-x2,g(x)=f(2-x2),讨论g(x)的增减性.

解:

g(x)=8+2(2-x2)-(2-x2)2=8+4-2x2-4+4x2-x4=-x4+2x2+8=-(x2-1)2+9

g’(x)=-4x3+4x=-4x(x+1)(x-1)

令g’(x)>0,得x≤-1?

或0≤x≤1

令g’(x)<0,得-1≤x≤0或x≥1

∴g(x)的单调递增区间是(-∞,-1]和[0,1]

g(x)的单调递减区间是[-1,0]和[1,+∞)

(三)函数单调性的应用

例10.

的取值范围.

解:

时,f(x)在R上单调递增,得0

综上,a的取值范围是a∈(0,1)∪(2,+∞)

例11.

区间[0,+∞)是单调函数.

解:

(1)当a≥1时,

又x1-x2<0∴f(x1)-f(x2)>0即f(x1)>f(x2)

所以,当a≥1时,函数f(x)在[0,+∞)上是单调减函数.

f(x1)=1,f(x2)=1,即f(x1)=f(x2),所以函数f(x)在区间[0,+∞)上不是单

调函数.

综上,当且仅当a≥1时,函数f(x)在区间(0,+∞]上是单调函数.

例12定义在R+上的函数f(x)满足①f

(2)=1,②f(xy)=f(x)+f(y)③当x>y时,有f(x)>f(y),如果f(x)+f(x-3)≤2,求x的取值范围.

解f(x)+f(x-3)=f(x2-3x)≤2=2f

(2)=f

(2)+f

(2)=f(4)

由③知x2-3x≤4∴x2-3x-4≤0

又∵f(x)定义域为x>0

[练习题]

值域与最值

A组

一.选择题

1.已知I=R,函数y=lgx的值域为P,y=ax(a>0且a≠1)的值域为M,则下列等式中不正确的是()

(A)(IM)∩P=φ(B)M∪P=P

(C)P∪(IM)=R(D)P∩M=M

5.函数y=f(x)的值域是[-2,2],则函数y=f(x+1)的值域是()

(A)[-1,3](B)[-3,1](C)[-2,2](D)[-1,1]

二.填空题

6.若x+2y=4,x>0,y>0,则lgx+lgy的最大值是___________

范围是_________

8.f(x)=ax2–c(a≠0),如果-4≤f

(1)≤-1,-1≤f

(2)≤5,那么f(3)的取值范围是___________

三.解答题

B组

一.选择题

1.函数y=-x2–2x+3(-5≤x≤0)的值域是()

(A)(-∞,4](B)[3,12](C)[-12,4](D)[4,12]

(A)(-∞,+∞)(B)(-∞,0)∪(0,+∞)

(C)(-∞,0)(D)(0,+∞)

(A)6(B)12(C)16(D)24

5.函数y=x(x–2)的定义域为[a,b],值域为[-1,3],则点(a,b)的轨迹是右图的

(A)点H(1,3)和F(-1,1)(B)线段EF,GH

(C)线段EH,FG(D)线段EF,EH

6.已知函数f(x)=2x–1,g(x)=1–x2,构造函数F(x),定义如下:

当|f(x)|≥g(x)时,F(x)=|f(x)|,当|f(x)|<g(x)时,F(x)=-g(x),那么F(x)()

(A)有最小值0,无最大值(B)有最小值-1,无最大值

(C)有最大值1,无最小值(D)无最小值,也无最大值

二.填空题

7.实数x,y满足xy>0且x2y=2,则xy+x2的最小值是___________

8.设x,y∈R+,x+y+xy=2,则x+y的取值范围是____________

三.解答题

(1)求实数b、c的值

(2)判断函数F(x)=lgf(x)在x∈[-1,1]上的单调性,并给出证明.

13.f(x)是定义在R上的奇函数,且满足如下两个条件:

①对于任意的x、y∈R,有f(x+y)=f(x)+f(y)

②当x>0时,f(x)<0,且f

(1)=-2

求函数f(x)在[-3,3]上的最大值和最小值.

函数的单调性

A组

一.选择题(共20分)

1.已知函数f(x)在R上是增函数,若a+b>0,则()

A.f(a)+f(b)>f(-a)+f(-b)B.f(a)+f(b)>f(-a)–f(-b)

C.f(a)+f(-a)>f(b)+f(-b)D.f(a)+f(-a)>f(b)–f(-b)

A.(0,2]B.(1,2]C.(-1,0]D.(1,+∞)

3.若a>1,且a-x+logay<a-y+logax,则x、y之间关系为()

A.x>y>0B.x=y>0

C.y>x>0D.不确定,与a值有关

4.已知F(x)=f(x)–f(-x),其中lgf(x)+x=0,则F(x)是()

A.单调递增的奇函数B.单调递增的偶函数

C.单调递减的奇函数D.单调递减的偶函数

二.填空题(共20分)

6.若f(x)=(m–1)x2+mx+3(x∈R)是偶函数,则f(x)的增区间是___________

7.已知f(x)是定义在R上的偶函数,且在[0,+∞)上单调递增,那么使f(-2)≤f(a)的实数a的取值范围是___________

减区间为___________

三.解答题(共15分)

B组

1.已知函数f(x)=log2x,且函数g(x)的图象与f(x)的图象关于直线y=x对称,则函数g(x2)是()

(A)奇函数,且在(0,+∞)上单调递减

(B)奇函数,且在(-∞,0)上单调递减

(C)偶函数,且在(0,+∞)上单调递增

(D)偶函数,且在(-∞,0)上单调递增

2.已知f(x)=x2+cosx,则()

的解集是()

①函数y=f(x)的图象关于y轴对称②在区间(-∞,0)上,f(x)是减函数

③函数f(x)的最小值是lg2④在区间(1,+∞)上,f(x)是增函数

其中正确命题是()

(A)①②(B)②④(C)①③④(D)仅③正确

6.已知定义域为R的偶函数y=f(x)的一个单调递增区间是(2,6),则函数y=f(2–x)的()

(A)对称轴为x=-2且一个单调递减区间是(4,8)

(B)对称轴为x=-2且一个单调递减区间是(0,4)

(C)对称轴为x=2,且一个单调递增区间是(4,8)

(D)对称轴为x=2,且一个单调递增区间是(0,4)

二.填空题

10.教师给出一个函数y=f(x),四个学生甲、乙、丙、丁各指出这个函数的一个性质:

甲:

对于x∈R,都有f(1+x)=f(1–x);

乙:

在(-∞,0]上函数递减;

丙:

f(0)不是函数的最小值;

丁:

在(0,+∞)上函数递增

如果其中恰有3人说得正确,请写出这样一个函数:

_________________

三.解答题

(I)判断函数的单调性,并加以证明

单调性.

13.设函数f(x)是定义在(-∞,+∞)上的增函数,如果不等式f(1–ax–x2)<f(2–a)对于任意x∈[0,1]都成立,求实数a的取值范围.

14.已知f(x)=x2+c,且f(f(x))=f(x2+1)

(1)设g(x)=f(f(x)),求g(x)的解析式

并在(-1,0)内是增函数?

[练习题答案及提示]

值域与最值

A组

一.选择题

1.A2.D3.B4.D5.C

二.填空题

6.lg2

三.解答题

11.用换元法

故当t=1时y有最大值4

即y的值域为(-∞,4]

∴所求函数值域为(0,1].

B组

一.选择题

1.C2.B3.A4.C5.D6.B

二.填空题

7.3

三.解答题

当y–2≠0时,由x∈R,有△=b2–4(2–y)(c–y)≥0,即4y2–4(2+c)y+8c–b2≤0

当y–2=0时,将b=-2,c=2代入(*)式中,得x=0∴b=-2,c=2为所求

∵|x1|≤1,|x2|≤1,x1<x2

∴|x1x2|<1即1–x1x2>0

而x2–x1>0∴u1–u2>0即u1>u2

由于u>0∴lgu1>lgu2

即F(x1)>F(x2)

故F(x)在x∈[-1,1]上是减函数.

13.设0≤x1<x2≤3,则由条件

(1)得

f(x2)=f[(x2–x1)+x1]=f(x2–x1)+f(x1)

即f(x2–x1)=f(x2)–f(x1)

∵x2–x1>0,由条件

(2)得f(x2–x1)<0

∵f(x2)–f(x1)<0即f(x1)>f(x2)

∴f(x)在[0,3]上是减函数

又f(x)为奇函数

∴f(x)在[-3,0]上也是减函数

从而f(x)在[-3,3]上是减函数

∴f(x)max=f(-3)=-f(3)=-f(1+2)=-f

(1)–f(1+1)=-3f

(1)=6

函数的单调性

A组

一.选择题

1.A2.B3.A4.C5.B

二.填空题

6.(-∞,0]

7.(-∞,-2]∪[2,+∞)

8.(-∞,-3)

9.(-∞,-1)∪(-1,+∞)

10.[-1,+∞);[-1,1)

三.解答题

11.显然f(x)为奇函数,所以先讨论函数f(x)在(0,+∞)上的单调性,设x1>x2>0,

B组

一.选择题

1.C2.D3.C4.C5.C6.C

二.填空题

三.解答题

因0<x1<x2<2∴x2+1>0,x1+1>0

且x2>0,2–x1>0

从而有f(x2)<f(x1)

故f(x)在定义域(0,2)上为减函数.

综上所述,f(x)在R上是增函数.

13.由于f(x)是定义在(-∞,+∞)上的增函数,所以不等式f(1–ax–x2)<f(2–a)对于任意x∈[0,1]均成立等价于1–ax–x2<2–a

即x2+ax–a+1>0对任意x∈[0,1]均成立

令g(x)=x2+ax+a–1>0

即g(x)在[0,1]上的最小值大于零.

事实上,易求得

解得0<a<1或-2≤a≤0或a<-2.

故所求实数a的取值范围是a<1.

需要指出的是,对不等式x2+ax–a+1>0应用△=a2–4(-a+1)<0求a的范围,就不正确了.

14.

(1)由题设得x2+c=x2+1,有c=1

∴g(x)=f[f(x)]=f(x2+1)=(x2+1)2+1=x4+2x2+2

若满足条件的λ存在,设-∞<x1<x2<-1,

∵(x2+x1)(x2–x1)<0

∴λ≤4

再设-1<x1<x2<0,同理只需

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