文档内容
拔高点突破 05 函数与导数背景下的新定义压轴解答题
目录
01 方法技巧与总结..............................................................................................................................2
02 题型归纳与总结..............................................................................................................................2
题型一:曲率与曲率半径问题............................................................................................................2
题型二:曼哈顿距离与折线距离........................................................................................................5
题型三:双曲正余弦函数问题............................................................................................................6
题型四:凹凸函数................................................................................................................................8
题型五:二元函数问题........................................................................................................................9
题型六:切线函数新定义..................................................................................................................11
题型七:非典型新定义函数..............................................................................................................13
题型八:拐点、好点 、不动点、S点..............................................................................................15
题型九:各类函数新概念..................................................................................................................16
03 过关测试.........................................................................................................................................181、函数与导数新定义问题主要分两类:一是概念新定义型,主要是以函数新概念为背景,通常考查
考生对函数新概念的理解,涉及函数的三要素的理解;二是性质新定义型,主要是以函数新性质为背景,
重点考查考生灵活应用函数性质的能力,涉及函数的各种相关性质的拓展延伸.
2、设 为平面上两点,则定义 为“折线距离”“直角距离”或
“曼哈顿距离”,记作 .
结论1:设点 为直线 0外一定点, 为直线 上的动点,则
结论2:设点 为直线 上的动点,点 为直线 上的动点,则
.
题型一:曲率与曲率半径问题
【典例1-1】(2024·浙江温州·二模)如图,对于曲线 ,存在圆 满足如下条件:
①圆 与曲线 有公共点 ,且圆心在曲线 凹的一侧;
②圆 与曲线 在点 处有相同的切线;
③曲线 的导函数在点 处的导数(即曲线 的二阶导数)等于圆 在点 处的二阶导数(已知圆在点 处的二阶导数等于 );
则称圆 为曲线 在 点处的曲率圆,其半径 称为曲率半径.
(1)求抛物线 在原点的曲率圆的方程;
(2)求曲线 的曲率半径的最小值;
(3)若曲线 在 和 处有相同的曲率半径,求证: .
【典例1-2】有一种速度叫“中国速度”,“中国速度”正在刷新世界对中国高铁的认知.由于地形等原
因,在修建高铁、公路、桥隧等基建中,我们常用曲线的曲率(Curvature)来刻画路线弯曲度.如图所示
的光滑曲线 上的曲线段AB,设其弧长为 ,曲线 在A,B两点处的切线分别为 ,记 的夹角
为 ,定义 为曲线段 的平均曲率,定义 为曲线
在其上一点 处的曲率.(其中 为 的导函数, 为 的导函数)
(1)若 ,求 ;
(2)记圆 上圆心角为 的圆弧的平均曲率为 .
①求 的值;
②设函数 ,若方程 有两个不相等的实数根 ,证明:
,其中 为自然对数的底数, .【变式1-1】定义:若 是 的导数, 是 的导数,则曲线 在点 处的曲率
;已知函数 , ,曲线 在点
处的曲率为 ;
(1)求实数a的值;
(2)对任意 恒成立,求实数m的取值范围;
(3)设方程 在区间 内的根为 ,…比较 与 的大小,
并证明.
【变式1-2】(2024·湖北黄冈·二模)第二十五届中国国际高新技术成果交易会(简称“高交会”)在深圳
闭幕.会展展出了国产全球首架电动垂直起降载人飞碟.观察它的外观造型,我们会被其优美的曲线折服.现
代产品外观特别讲究线条感,为此我们需要刻画曲线的弯曲程度.考察如图所示的光滑曲线 上
的曲线段 ,其弧长为 ,当动点从 沿曲线段 运动到 点时, 点的切线 也随着转动到 点的
切线 ,记这两条切线之间的夹角为 (它等于 的倾斜角与 的倾斜角之差).显然,当弧长固定时,
夹角越大,曲线的弯曲程度就越大;当夹角固定时,弧长越小则弯曲程度越大,因此可以定义 为
曲线段 的平均曲率;显然当 越接近 ,即 越小, 就越能精确刻画曲线 在点 处的弯曲程度,
因此定义 (若极限存在)为曲线 在点 处的曲率.(其中 , 分别表示
在点 处的一阶、二阶导数)
(1)已知抛物线 的焦点到准线的距离为3,则在该抛物线上点 处的曲率是多少?(2)若函数 ,不等式 对于 恒成立,求 的取值范围;
(3)若动点 的切线沿曲线 运动至点 处的切线,点 的切线与 轴的交点为
.若 , , 是数列 的前 项和,证明 .
题型二:曼哈顿距离与折线距离
【典例2-1】(2024·甘肃兰州·一模)定义:如果在平面直角坐标系中,点A,B的坐标分别为 ,
,那么称 为A,B两点间的曼哈顿距离.
(1)已知点 , 分别在直线 , 上,点 与点 , 的曼哈顿距离分别为
, ,求 和 的最小值;
(2)已知点N是直线 上的动点,点 与点N的曼哈顿距离 的最小值
记为 ,求 的最大值;
(3)已知点 ,点 (k,m, ,e是自然对数的底),当 时, 的最大值为
,求 的最小值.
【典例2-2】(2024·高三·广西防城港·阶段练习)若设 为曼哈顿扩张距
离,它由 个绝对值之和组成,其中 为正整数.如:
(1)若 ,求 的取值范围;
(2)若 对一切实数 恒成立,设 , ,且 ,求 的最大值.【变式2-1】(2024·高三·北京·期中)“曼哈顿几何”也叫“出租车几何”,是在19世纪由赫尔曼·闵可夫
斯基提出来的.如图是抽象的城市路网,其中线段 是欧式空间中定义的两点最短距离,但在城市路网
中,我们只能走有路的地方,不能“穿墙”而过,所以在“曼哈顿几何”中,这两点最短距离用
表示,又称“曼哈顿距离”,即 ,因此“曼哈顿两点间距离公式”:若 ,
,则
(1)①点 , ,求 的值.
②求圆心在原点,半径为1的“曼哈顿单位圆”方程.
(2)已知点 ,直线 ,求B点到直线的“曼哈顿距离”最小值;
(3)设三维空间4个点为 , ,且 , , .设其中所有两点“曼哈顿距
离”的平均值即 ,求 最大值,并列举最值成立时的一组坐标.
题型三:双曲正余弦函数问题
【典例3-1】(2024·高三·江苏苏州·开学考试)定义:双曲余弦函数 ,双曲正弦函数
.
(1)求函数 的最小值;
(2)若函数 在 上的最小值为 ,求正实数 的值;
(3)求证:对任意实数 ,关于 的方程 总有实根.【典例3-2】(2024·高三·福建宁德·期末)固定项链的两端,在重力的作用下项链所形成的曲线是悬链
线.1691年,莱布尼茨等得出“悬链线”方程 ,其中 为参数.当 时,就是双曲余弦函数
,类似地我们可以定义双曲正弦函数 .它们与正、余弦函数有许多类似的性质.
(1)类比正弦函数的二倍角公式,请写出双曲正弦函数的一个正确的结论: _____________.(只写出
即可,不要求证明);
(2) ,不等式 恒成立,求实数 的取值范围;
(3)若 ,试比较 与 的大小关系,并证明你的结论.
【变式3-1】(2024·上海宝山·模拟预测)在数学中,双曲函数是与三角函数类似的函数,最基本的双曲函
数是双曲正弦函数与双曲余弦函数,其中双曲正弦: ,双曲余弦函数:
,( 是自然对数的底数).
(1)解方程: ;
(2)写出双曲正弦与两角和的正弦公式类似的展开式: ________,并证明;
(3)无穷数列 , , ,是否存在实数 ,使得 ?若存在,求出 的值,若不
存在,说明理由.题型四:凹凸函数
【典例4-1】(2024·江苏苏州·模拟预测)定义:函数 的导函数为 ,我们称函数 的导函数
为函数 的二阶导函数.已知 , .
(1)求函数 的二阶导函数;
(2)已知定义在 上的函数 满足:对任意 , 恒成立. 为曲线 上的任意一点.求
证:除点 外,曲线 上每一点都在点 处切线的上方;
(3)试给出一个实数 的值,使得曲线 与曲线 有且仅有一条公切线,并证明你的结论.
【典例4-2】记 , 为 的导函数.若对 , ,则称函数 为
上的“凸函数”.已知函数 , .
(1)若函数 为 上的凸函数,求 的取值范围;
(2)若函数 在 上有极值,求 的取值范围.
【变式4-1】设 为 的导函数,若 是定义域为D的增函数,则称 为D上的“凹函数”,
已知函数 为R上的凹函数.
(1)求a的取值范围;
(2)设函数 ,证明:当 时, ,当 时, .
(3)证明: .【变式4-2】(2024·上海普陀·一模)若函数 同时满足下列两个条件,则称 在
上具有性质 .
① 在 上的导数 存在;
② 在 上的导数 存在,且 (其中 )恒成立.
(1)判断函数 在区间 上是否具有性质 ?并说明理由.
(2)设 、 均为实常数,若奇函数 在 处取得极值,是否存在实数 ,使得
在区间 上具有性质 ?若存在,求出 的取值范围;若不存在,请说明理由.
(3)设 且 ,对于任意的 ,不等式 成立,求 的最大值.
题型五:二元函数问题
【典例5-1】(2024·高三·湖南·阶段练习)设 是有序实数对构成的非空集, 是实数集,如果对于集合
中的任意一个有序实数对 ,按照某种确定的关系 ,在 中都有唯一确定的数 和它对应,那么就
称 为从集合 到集合 的一个二元函数,记作 ,其中 称为二元函数 的
定义域.
(1)已知 ,若 ,求
(2)非零向量 ,若对任意的 ,记 ,都有 ,则称
在 上沿 方向单调递增.已知 .请问 在 上沿向量 方向
单调递增吗?为什么?
(3)设二元函数 的定义域为 ,如果存在实数 满足:
① ,都有 ,
② ,使得 .
那么,我们称 是二元函数 的最小值.求
的最大值.【典例5-2】(2024·江苏盐城·模拟预测)根据多元微分求条件极值理论,要求二元函数 在约束
条件 的可能极值点,首先构造出一个拉格朗日辅助函数 ,其中 为拉
格朗日系数.分别对 中的 部分求导,并使之为0,得到三个方程组,如下:
,解此方程组,得出解 ,就是二元函数 在约束条件
的可能极值点. 的值代入到 中即为极值.
补充说明:【例】求函数 关于变量 的导数.即:将变量 当做常数,即:
,下标加上 ,代表对自变量x进行求导.即拉格朗日乘数法方程组之中的 表示分
别对 进行求导.
(1)求函数 关于变量 的导数并求当 处的导数值.
(2)利用拉格朗日乘数法求:设实数 满足 ,求 的最大值.
(3)①若 为实数,且 ,证明: .
②设 ,求 的最小值.
【变式5-1】(2024·全国·模拟预测)已知变量x,y,z,当x,y在某范围D内任取一组确定的值时,若变
量z按照一定的规律f,总有唯一确定的x,y与之对应,则称变量z为变量x,y的二元函数,记作
.已知二元函数 .
(1)若 ,求 的最小值.
(2)对任意实数x,不等式 恒成立,求实数a的取值范围.题型六:切线函数新定义
【典例6-1】若两个函数 与 在 处有相同的切线,则称这两个函数相切,切点为
.
(1)判断函数 与 是否相切;
(2)设反比例函数 与二次函数 相切,切点为 .求证:函数 与 恰有
两个公共点;
(3)若 ,指数函数 与对数函数 相切,求实数 的值;
(4)设(3)的结果为 ,求证:当 时,指数函数 与对数函数 的图象有三个公共点.
【典例6-2】对给定的在定义域内连续且存在导函数的函数 ,若对在 定义域内的给定常数 ,存
在数列 满足 在 的定义域内且 ,且对 在区间 的图象上有且
仅有在 一个点处的切线平行于 和 的连线,则称数列 为函数 的“ 关
联切线伴随数列”.
(1)若函数 ,证明: 都存在“ 关联切线伴随数列”;
(2)若函数 ,数列 为函数 的“1关联切线伴随数列”,且 ,求 的通项
公式;
(3)若函数 ,数列 为函数 的“ 关联切线伴随数列”,记数列 的前 项和为 ,
证明:当 时, .
【变式6-1】(2024·广西·二模)定义:若函数 图象上恰好存在相异的两点 满足曲线 在
和 处的切线重合,则称 为曲线 的“双重切点”,直线 为曲线 的“双重切
线”.
(1)直线 是否为曲线 的“双重切线”,请说明理由;(2)已知函数 求曲线 的“双重切线”的方程;
(3)已知函数 ,直线 为曲线 的“双重切线”,记直线 的斜率所有可能的取值为
,若 ,证明: .
【变式6-2】(2024·高三·贵州贵阳·开学考试)牛顿迭代法是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域
上近似求解方程的方法.比如,我们可以先猜想某个方程 的其中一个根 在 的附近,如图所
示,然后在点 处作 的切线,切线与 轴交点的横坐标就是 ,用 代替 重复上面的过程
得到 ;一直继续下去,得到 , , ,……, .从图形上我们可以看到 较 接近 , 较 接近
,等等.显然,它们会越来越逼近 .于是,求 近似解的过程转化为求 ,若设精度为 ,则把首次满
足 的 称为 的近似解.
已知函数 , .
(1)当 时,试用牛顿迭代法求方程 满足精度 的近似解(取 ,且结果保留小数点
后第二位);
(2)若 ,求 的取值范围.
题型七:非典型新定义函数
【典例7-1】(2024·湖南长沙·二模)极值的广义定义如下:如果一个函数在一点的一个邻域(包含该点的开区间)内处处都有确定的值,而以该点处的值为最大(小),这函数在该点处的值就是一个极大(小)
值.
对于函数 ,设自变量x从 变化到 ,当 , 是一个确定的值,
则称函数 在点 处右可导;当 , 是一个确定的值,则称函数
在点 处左可导.当函数 在点 处既右可导也左可导且导数值相等,则称函数 在
点 处可导.
(1)请举出一个例子,说明该函数在某点处不可导,但是该点是该函数的极值点;
(2)已知函数 .
(ⅰ)求函数 在 处的切线方程;
(ⅱ)若 为 的极小值点,求a的取值范围.
【典例7-2】(2024·高三·重庆·期中)若函数 在定义域内存在两个不同的数 ,同时满足
,且 在点 处的切线斜率相同,则称 为“切合函数”
(1)证明: 为“切合函数”;
(2)若 为“切合函数”,并设满足条件的两个数为 .
(ⅰ)求证: ;
(ⅱ)求证: .
【变式7-1】(2024·上海·模拟预测)已知函数 ,如果存在常数 ,对任意满足
的实数 ,其中 ,都有不等式
恒成立,则称函数 是“绝对差有界函数”(1)函数 是“绝对差有界函数”,求常数 的取值范围;
(2)对于函数 ,存在常数 ,对任意的 ,有 恒成立,
求证:函数 为“绝对差有界函数”
(3)判断函数 是不是“绝对差有界函数”?说明理由
【变式7-2】(2024·上海·三模)设函数 的定义域为D,对于区间 ,当且仅当函数
满足以下①②两个性质中的任意一个时,则称区间 是 的一个“美好区间”.
性质①:对于任意 ,都有 ;性质②:对于任意 ,都有 .
(1)已知 , .分别判断区间 和区间 是否为函数 的“美好区间”,并
说明理由;
(2)已知 且 ,若区间 是函数 的一个“美好区间”,求实
数 的取值范围;
(3)已知函数 的定义域为 ,其图像是一条连续不断的曲线,且对于任意 ,都有
.求证:函数 存在“美好区间”,且存在 ,使得 不属于函数
的任意一个“美好区间”.
题型八:拐点、好点 、不动点、S点
【典例8-1】(2024·高三·福建泉州·期中)记 、 分别为函数 、 的导函数.若存在
,满足 且 ,则称 为函数 与 的一个“ 点”.
(1)证明:函数 与 不存在“ 点”;(2)若函数 与 存在“ 点”,求实数 的值.
【典例8-2】对于函数f(x),若存在实数 满足 ,则称 为函数f(x)的一个不动点.已知函
数 ,其中
(1)当 时,
(i)求f(x)的极值点;
(ii)若存在 既是f(x)的极值点,又是f(x)的不动点,求b的值:
(2)若f(x)有两个相异的极值点 , ,试问:是否存在a,b使得 , 均为f(x)的不动点?证明你
的结论.
【变式8-1】记 , 分别为函数 , 的导函数.若存在 ,满足
且 ,则称 为函数 与 的一个“好点”.
(1)判断函数 与 是否存在“好点”,若存在,求出“好点”;若不存在,请说明珵
由;
(2)若函数 与 存在“好点”,求实数 的值;
(3)已知函数 , ,若存在实数 ,使函数 与 在区间 内
存在“好点”,求实数 的取值范围.
【变式8-2】给出定义:设 是函数 的导函数, 是函数 的导函数,若方程
有实数解 ,则称 为函数 的“拐点”.经研究发现所有的三次函数
都有“拐点”,且该“拐点”也是函数 图象的对称中心.
(1)若函数 ,求函数 图象的对称中心;(2)已知函数 ,其中 .
(ⅰ)求 的拐点;
(ⅱ)若 ,求证: .
【变式8-3】(2024·河南·三模)设函数 的导函数为 的导函数为 的导函数为
.若 ,且 ,则 为曲线 的拐点.
(1)判断曲线 是否有拐点,并说明理由;
(2)已知函数 ,若 为曲线 的一个拐点,求 的单调区间与极值.
题型九:各类函数新概念
【典例9-1】定义:函数 , 的定义域的交集为 , ,若对任意的 ,都存在 ,
使得 , , 成等比数列, , , 成等差数列,那么我们称 , 为一对“ 函
数”,已知函数 , , .
(Ⅰ)求函数 的单调区间;
(Ⅱ)求证: ;
(Ⅲ)若 ,对任意的 , , 为一对“ 函数”,求证: .( 为自然对
数的底数)
【典例9-2】(2024·山东·模拟预测)如果 是定义在区间D上的函数,且同时满足:① ;②与 的单调性相同,则称函数 在区间D上是“链式函数”.已知函数 ,
.
(1)判断函数 与 在 上是否是“链式函数”,并说明理由;
(2)求证:当 时, .
【变式9-1】(2024·上海奉贤·一模)若函数 满足:对任意的实数 , ,有
恒成立,则称函数 为 “ 增函数” .
(1)求证:函数 不是“ 增函数”;
(2)若函数 是“ 增函数”,求实数 的取值范围;
(3)设 ,若曲线 在 处的切线方程为 ,求 的值,并证明函数
是“ 增函数”.
【变式9-2】(2024·高三·陕西安康·期末)已知函数 .
(1)若 在其定义域内是增函数,求 的取值范围;
(2)定义:若 在其定义域内单调递增,且 在其定义域内也单调递增,则称 为 的
“协同增函数”.
已知函数 ,若 是 的“协同增函数”,求 的取值范围.1.(2024·湖北·二模)记 ,若 ,满足:对任意 ,均有
,则称 为函数 在 上“最接近”直线.已知函数
.
(1)若 ,证明:对任意 ;
(2)若 ,证明: 在 上的“最接近”直线为: ,
其中 且为二次方程 的根.
2.(2024·高三·浙江宁波·期末)在几何学常常需要考虑曲线的弯曲程度,为此我们需要刻画曲线的弯曲
程度.考察如图所示的光滑曲线C: 上的曲线段 ,其弧长为 ,当动点从A沿曲线段 运
动到B点时,A点的切线 也随着转动到B点的切线 ,记这两条切线之间的夹角为 (它等于 的倾
斜角与 的倾斜角之差).显然,当弧长固定时,夹角越大,曲线的弯曲程度就越大;当夹角固定时,弧
长越小则弯曲程度越大,因此可以定义 为曲线段 的平均曲率;显然当B越接近A,即 越小,
K就越能精确刻画曲线C在点A处的弯曲程度,因此定义 (若极限存在)为曲线C
在点A处的曲率.(其中y',y''分别表示 在点A处的一阶、二阶导数)
(1)求单位圆上圆心角为60°的圆弧的平均曲率;(2)求椭圆 在 处的曲率;
(3)定义 为曲线 的“柯西曲率”.已知在曲线 上存在两点
和 ,且P,Q处的“柯西曲率”相同,求 的取值范围.
3.(2024·高三·辽宁·期中)用数学的眼光看世界就能发现很多数学之“美”.现代建筑讲究线条感,曲
线之美让人称奇.衡量曲线弯曲程度的重要指标是曲率,曲线的曲率定义如下:若 是 的导函数,
是 的导函数,则曲线 在点 处的曲率 .
(1)求曲线 在 处的曲率 的平方;
(2)求余弦曲线 曲率 的最大值;
4.已知定义在 上的函数 的导函数为 ,若 对任意 恒成立,则称函数 为
“线性控制函数”.
(1)判断函数 和 是否为“线性控制函数”,并说明理由;
(2)若函数 为“线性控制函数”,且 在 上严格增,设 为函数 图像上互异的两点,设
直线 的斜率为 ,判断命题“ ”的真假,并说明理由;
(3)若函数 为“线性控制函数”,且 是以 为周期的周期函数,证明:对任意 都有
.5.(2024·上海徐汇·二模)已知常数 为非零整数,若函数 , 满足:对任意 ,
,则称函数 为 函数.
(1)函数 , 是否为 函数﹖请说明理由;
(2)若 为 函数,图像在 是一条连续的曲线, , ,且 在区间
上仅存在一个极值点,分别记 、 为函数 的最大、小值,求
的取值范围;
(3)若 , ,且 为 函数, ,对任意 ,
恒有 ,记 的最小值为 ,求 的取值范围及 关于 的表达式.
6.(2024·上海奉贤·二模)设函数 的定义域是R,它的导数是 .若存在常数 ,使
得 对一切 恒成立,那么称函数 具有性质 .
(1)求证:函数 不具有性质 ;
(2)判别函数 是否具有性质 .若具有求出 的取值集合;若不具有请说明理由.
7.(2024·河北石家庄·一模)已知函数 , .
(1)当 时,过坐标原点 作曲线 的切线,求切线方程;
(2)设定义在 上的函数 在点 处的切线方程为 ,对任意 ,若
在 上恒成立,则称点 为函数 的“好点”,求函数 在 上
所有“好点”的横坐标(结果用 表示).8.对于定义在D上的函数 ,其导函数为 .若存在 ,使得 ,且 是函数
的极值点,则称函数 为“极致k函数”.
(1)设函数 ,其中 , .
①若 是单调函数,求实数a的取值范围;
②证明:函数 不是“极致0函数”.
(2)对任意 ,证明:函数 是“极致0函数”.
9.曲线的曲率定义如下:若 是 的导函数, 是 的导函数,则曲线 在点
处的曲率 已知函数 , ,曲线 在
点 处的曲率为 .
(1)求实数 的值;
(2)对任意的 , 恒成立,求实数 的取值范围;
(3)设方程 在区间 ( )内的根从小到大依次为 ,求证:
.
10.(2024·湖南永州·三模)曲线的曲率定义如下:若 是 的导函数,令 ,则曲线
在点 处的曲率 .已知函数 , ,
且 在点 处的曲率 .(1)求 的值,并证明:当 时, ;
(2)若 ,且 ,求证: .
11.(2024·江苏淮安·三模)定义可导函数 在x处的弹性函数为 ,其中 为 的
导函数.在区间D上,若函数 的弹性函数值大于1,则称 在区间D上具有弹性,相应的区间D也
称作 的弹性区间.
(1)若 ,求 的弹性函数及弹性函数的零点;
(2)对于函数 (其中e为自然对数的底数)
(ⅰ)当 时,求 的弹性区间D;
(ⅱ)若 在(i)中的区间D上恒成立,求实数t的取值范围.
12.(2024·江苏南通·模拟预测)已知函数 .
(1)求函数 的图象在 ( 为自然对数的底数)处的切线方程;
(2)若对任意的 ,均有 ,则称 为 在区间 上的下界函数, 为 在区
间 上的上界函数.
①若 ,求证: 为 在 上的上界函数;
②若 , 为 在 上的下界函数,求实数 的取值范围.
13.(2024·高三·全国·课后作业)设f(x)是定义在区间(1,+∞)上的函数,其导函数为 .如果存在实数
a和函数h(x),其中h(x)对任意的x∈(1,+∞)都有h(x)>0,使得 =h(x)(x2-ax+1),则称函数f(x)具有性质
P(a).(1)设函数 ,其中b为实数.
①求证:函数f(x)具有性质P(a).②求函数f(x)的单调区间.
(2)已知函数g(x)具有性质P(2),给定x,x∈(1,+∞),x