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§3.1 导数的概念及其意义、导数的运算
考试要求 1.了解导数的概念、掌握基本初等函数的导数.2.通过函数图象,理解导数的几
何意义.3.能够用导数公式和导数的运算法则求简单函数的导数,能求简单的复合函数(形如
f(ax+b))的导数.
知识梳理
1.导数的概念
(1)函数y=f(x)在x=x 处的导数记作 f ′ ( x )或 .
0 0
f′(x)=lim =lim .
0
(2)函数y=f(x)的导函数
f′(x)=lim .
2.导数的几何意义
函数y=f(x)在x=x 处的导数的几何意义就是曲线y=f(x)在点P(x ,f(x))处的切线的斜率,
0 0 0
相应的切线方程为 y - f ( x ) = f ′ ( x )( x - x ).
0 0 0
3.基本初等函数的导数公式
基本初等函数 导函数
f(x)=c(c为常数) f′(x)=0
f(x)=xα(α∈Q,且α≠0) f′(x)= αx α - 1
f(x)=sin x f′(x)=cos_x
f(x)=cos x f′(x)= - si n_x
f(x)=ax(a>0,且a≠1) f′(x)= a x ln _a
f(x)=ex f′(x)= e x
f(x)=log x(a>0,且a≠1) f′(x)=
af(x)=ln x f′(x)=
4.导数的运算法则
若f′(x),g′(x)存在,则有
[f(x)±g(x)]′= f ′ ( x )± g ′ ( x ) ;
[f(x)g(x)]′= f ′ ( x ) g ( x ) + f ( x ) g ′ ( x ) ;
′=(g(x)≠0);
[cf(x)]′= cf ′ ( x ) .
5.复合函数的定义及其导数
复合函数y=f(g(x))的导数和函数y=f(u),u=g(x)的导数间的关系为y′= y ′ · u ′ ,即y对
x u x
x的导数等于y对u的导数与u对x的导数的乘积.
常用结论
1.区分在点处的切线与过点处的切线
(1)在点处的切线,该点一定是切点,切线有且仅有一条.
(2)过点处的切线,该点不一定是切点,切线至少有一条.
2.′=(f(x)≠0).
思考辨析
判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)f′(x)是函数y=f(x)在x=x 附近的平均变化率.( × )
0 0
(2)与曲线只有一个公共点的直线一定是曲线的切线.( × )
(3)f′(x)=[f(x)]′.( × )
0 0
(4)若f(x)=sin (-x),则f′(x)=cos (-x).( × )
教材改编题
1.函数f(x)=ex+在x=1处的切线方程为________.
答案 y=(e-1)x+2
解析 f′(x)=ex-,
∴f′(1)=e-1,
又f(1)=e+1,
∴切点为(1,e+1),切线斜率k=f′(1)=e-1,
即切线方程为y-(e+1)=(e-1)(x-1),
即y=(e-1)x+2.
2.已知函数f(x)=xln x+ax2+2,若f′(e)=0,则a=________.
答案 -
解析 f′(x)=1+ln x+2ax,
∴f′(e)=2ae+2=0,∴a=-.3.若f(x)=ln(1-x)+e1-x,则f′(x)=________.
答案 -e1-x
题型一 导数的运算
例1 (1)(多选)(2022·济南质检)下列求导运算正确的是( )
A.′=-
B.(x2ex)′=2x+ex
C.′=-sin
D.′=1+
答案 AD
解析 ′=-·(ln x)′=-,
故A正确;
(x2ex)′=(x2+2x)ex,故B错误;
′=-2sin,故C错误;
′=1+,故D正确.
(2)函数f(x)的导函数为f′(x),若f(x)=x2+f′sin x,则f =________.
答案 +
解析 f′(x)=2x+f′cos x,
∴f′=+f′,
∴f′=,
∴f =+.
教师备选
1.函数y=sin 2x-cos 2x的导数y′等于( )
A.2cos
B.cos 2x+sin x
C.cos 2x-sin 2x
D.2cos
答案 A
解析 y′=2cos 2x+2sin 2x
=2cos.
2.(2022·济南模拟)已知函数f′(x)=exsin x+excos x,则f(2 021)-f(0)等于( )
A.e2 021cos 2 021 B.e2 021sin 2 021
C. D.e
答案 B解析 因为f′(x)=exsin x+excos x,
所以f(x)=exsin x+k(k为常数),
所以f(2 021)-f(0)=e2 021sin 2 021.
思维升华 (1)求函数的导数要准确地把函数拆分成基本初等函数的和、差、积、商,再利
用运算法则求导.
(2)抽象函数求导,恰当赋值是关键,然后活用方程思想求解.
(3)复合函数求导,应由外到内逐层求导,必要时要进行换元.
跟踪训练1 (1)若函数f(x),g(x)满足f(x)+xg(x)=x2-1,且f(1)=1,则f′(1)+g′(1)等于(
)
A.1 B.2 C.3 D.4
答案 C
解析 当x=1时,f(1)+g(1)=0,
∵f(1)=1,得g(1)=-1,
原式两边求导,得f′(x)+g(x)+xg′(x)=2x,
当x=1时,f′(1)+g(1)+g′(1)=2,
得f′(1)+g′(1)=2-g(1)=2-(-1)=3.
(2)已知函数f(x)=ln(2x-3)+axe-x,若f′(2)=1,则a=________.
答案 e2
解析 f′(x)=·(2x-3)′+ae-x+ax·(e-x)′=+ae-x-axe-x,
∴f′(2)=2+ae-2-2ae-2=2-ae-2=1,
则a=e2.
题型二 导数的几何意义
命题点1 求切线方程
例2 (1)(2021·全国甲卷)曲线y=在点(-1,-3)处的切线方程为__________.
答案 5x-y+2=0
解析 y′=′==,所以y′| ==5,所以切线方程为y+3=5(x+1),即5x-y+2=0.
x=-1
(2)已知函数f(x)=xln x,若直线l过点(0,-1),并且与曲线y=f(x)相切,则直线l的方程为
__________.
答案 x-y-1=0
解析 ∵点(0,-1)不在曲线f(x)=xln x上,
∴设切点为(x,y).
0 0
又f′(x)=1+ln x,
∴直线l的方程为y+1=(1+ln x)x.
0
∴由解得x=1,y=0.
0 0∴直线l的方程为y=x-1,即x-y-1=0.
命题点2 求参数的值(范围)
例3 (1)(2022·青岛模拟)直线y=kx+1与曲线f(x)=aln x+b相切于点P(1,2),则2a+b等
于( )
A.4 B.3 C.2 D.1
答案 A
解析 ∵直线y=kx+1与曲线f(x)=aln x+b相切于点P(1,2),
将P(1,2)代入y=kx+1,
可得k+1=2,解得k=1,
∵ f(x)=aln x+b,∴ f′(x)=,
由f′(1)==1,
解得a=1,可得f(x)=ln x+b,
∵P(1,2)在曲线f(x)=ln x+b上,
∴f(1)=ln 1+b=2,
解得b=2,故2a+b=2+2=4.
(2)(2022·广州模拟)过定点P(1,e)作曲线y=aex(a>0)的切线,恰有2条,则实数a的取值范
围是________.
答案 (1,+∞)
解析 由y′=aex,若切点为(x, ),
0
则切线方程的斜率k= = >0,
∴切线方程为y= (x-x+1),
0
又P(1,e)在切线上,
∴ (2-x)=e,
0
即= (2-x)有两个不同的解,
0
令φ(x)=ex(2-x),
∴φ′(x)=(1-x)ex,
当x∈(-∞,1)时,φ′(x)>0;
当x∈(1,+∞)时,φ′(x)<0,
∴φ(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
∴φ(x) =φ(1)=e,
max
又x→-∞时,φ(x)→0;
x→+∞时,φ(x)→-∞,
∴0<1,即实数a的取值范围是(1,+∞).
教师备选
1.已知曲线f(x)=x3-x+3在点P处的切线与直线x+2y-1=0垂直,则P点的坐标为(
)
A.(1,3) B.(-1,3)
C.(1,3)或(-1,3) D.(1,-3)
答案 C
解析 设切点P(x,y),
0 0
f′(x)=3x2-1,
又直线x+2y-1=0的斜率为-,
∴f′(x)=3x-1=2,
0
∴x=1,
∴x=±1,
0
又切点P(x,y)在y=f(x)上,
0 0
∴y=x-x+3,
0 0
∴当x=1时,y=3;
0 0
当x=-1时,y=3.
0 0
∴切点P为(1,3)或(-1,3).
2.(2022·哈尔滨模拟)已知M是曲线y=ln x+x2+(1-a)x上的任一点,若曲线在M点处的
切线的倾斜角均是不小于的锐角,则实数a的取值范围是( )
A.[2,+∞) B.[4,+∞)
C.(-∞,2] D.(-∞,4]
答案 C
解析 因为y=ln x+x2+(1-a)x,
所以y′=+x+1-a,因为曲线在M点处的切线的倾斜角均是不小于的锐角,
所以y′≥tan =1对于任意的x>0恒成立,
即+x+1-a≥1对任意x>0恒成立,
所以x+≥a,又x+≥2,
当且仅当x=,即x=1时,等号成立,
故a≤2,所以a的取值范围是(-∞,2].
思维升华 (1)处理与切线有关的参数问题,关键是根据曲线、切线、切点的三个关系列出
参数的方程:
①切点处的导数是切线的斜率;②切点在切线上;③切点在曲线上.
(2)注意区分“在点P处的切线”与“过点P处的切线”.跟踪训练2 (1)(2022·南平模拟)若直线y=x+m与曲线y=ex-2n相切,则( )
A.m+n为定值 B.m+n为定值
C.m+n为定值 D.m+n为定值
答案 B
解析 设直线y=x+m与曲线y=ex-2n切于点(x, ),
0
因为y′=ex-2n,所以 =1,所以x=2n,
0
所以切点为(2n,1),
代入直线方程得1=2n+m,
即m+n=.
(2)若函数f(x)=ln x+2x2-ax的图象上存在与直线2x-y=0平行的切线,则实数a的取值
范围是______.
答案 [2,+∞)
解析 直线2x-y=0的斜率k=2,
又曲线f(x)上存在与直线2x-y=0平行的切线,
∴f′(x)=+4x-a=2在(0,+∞)内有解,
则a=4x+-2,x>0.
又4x+≥2=4,
当且仅当x=时取“=”.
∴a≥4-2=2.
∴a的取值范围是[2,+∞).
题型三 两曲线的公切线
例4 (1)(2022·邯郸模拟)已知函数f(x)=xln x,g(x)=x2+ax(a∈R),直线l与f(x)的图象相切
于点A(1,0),若直线l与g(x)的图象也相切,则a等于( )
A.0 B.-1 C.3 D.-1或3
答案 D
解析 由f(x)=xln x求导得f′(x)=1+ln x,
则f′(1)=1+ln 1=1,于是得函数f(x)在点A(1,0)处的切线l的方程为y=x-1,
因为直线l与g(x)的图象也相切,则方程组有唯一解,即关于 x的一元二次方程x2+(a-1)x
+1=0有两个相等的实数根,
因此Δ=(a-1)2-4=0,解得a=-1或a=3,
所以a=-1或a=3.
(2)(2022·韶关模拟)若曲线C :y=ax2(a>0)与曲线C :y=ex存在公共切线,则a的取值范围
1 2
为________.
答案解析 由y=ax2(a>0),得y′=2ax,
由y=ex,得y′=ex,
曲线C :y=ax2(a>0)与曲线C :y=ex存在公共切线,
1 2
设公切线与曲线C 切于点(x,ax),
1 1
与曲线C 切于点(x, ),
2 2
则2ax=
1
可得2x=x+2,
2 1
∴a= ,
记f(x)= ,
则f′(x)= ,
当x∈(0,2)时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
当x∈(2,+∞)时,f′(x)>0,f(x)单调递增.
∴当x=2时,f(x) =.
min
∴a的取值范围是.
延伸探究 在本例(2)中,把“存在公共切线”改为“存在两条公共切线”,则a的取值范
围为________.
答案
解析 由本例(2)知,
∵两曲线C 与C 存在两条公共切线,
1 2
∴a= 有两个不同的解.
∵函数f(x)= 在(0,2)上单调递减,
在(2,+∞)上单调递增,且f(x) =f(2)=,
min
又x→0时,f(x)→+∞,
x→+∞时,f(x)→+∞,
∴a>.教师备选
1.若f(x)=ln x与g(x)=x2+ax两个函数的图象有一条与直线y=x平行的公共切线,则a等
于( )
A.1 B.2 C.3 D.3或-1
答案 D
解析 设在函数f(x)=ln x处的切点为(x,y),根据导数的几何意义得到k==1,
解得x=1,故切点为(1,0),可求出切线方程为y=x-1,此切线和g(x)=x2+ax也相切,
故x2+ax=x-1,
化简得到x2+(a-1)x+1=0,只需要满足Δ=(a-1)2-4=0,解得a=-1或a=3.
2.已知曲线y=ex在点(x , )处的切线与曲线y=ln x在点(x ,ln x)处的切线相同,则(x
1 2 2 1
+1)(x-1)等于( )
2
A.-1 B.-2 C.1 D.2
答案 B
解析 已知曲线y=ex在点(x, )处的切线方程为
1
y- = (x-x),即
1
曲线y=ln x在点(x,ln x)处的切线方程为y-ln x=(x-x),即y=x-1+ln x,
2 2 2 2 2
由题意得
得x= ,
2
- x=-1+ln x=-1+ =-1-x,
1 2 1
则 =.又x= ,
2
所以x=,
2
所以x-1=-1=,
2
所以(x+1)(x-1)=-2.
1 2
思维升华 公切线问题,应根据两个函数在切点处的斜率相等,且切点既在切线上又在曲线
上,列出有关切点横坐标的方程组,通过解方程组求解.或者分别求出两函数的切线,利用
两切线重合列方程组求解.
跟踪训练3 (1)(2022·青岛模拟)已知定义在区间(0,+∞)上的函数f(x)=-2x2+m,g(x)=
-3ln x-x,若以上两函数的图象有公共点,且在公共点处切线相同,则m的值为( )A.2 B.5 C.1 D.0
答案 C
解析 根据题意,设两曲线y=f(x)与y=g(x)的公共点为(a,b),其中a>0,
由f(x)=-2x2+m,可得f′(x)=-4x,则切线的斜率为k=f′(a)=-4a,
由g(x)=-3ln x-x,可得g′(x)=--1,则切线的斜率为k=g′(a)=--1,
因为两函数的图象有公共点,且在公共点处切线相同,所以-4a=--1,
解得a=1或a=-(舍去),
又由g(1)=-1,即公共点的坐标为(1,-1),
将点(1,-1)代入f(x)=-2x2+m,
可得m=1.
(2)已知f(x)=ex(e为自然对数的底数),g(x)=ln x+2,直线l是f(x)与g(x)的公切线,则直线
l的方程为____________________.
答案 y=ex或y=x+1
解析 设直线l与f(x)=ex的切点为(x,y),
1 1
则y= ,f′(x)=ex,
1
∴f′(x)= ,
1
∴切点为(x, ),
1
切线斜率k= ,
∴切线方程为y- = (x-x),
1
即y= ·x-x + ,①
1
同理设直线l与g(x)=ln x+2的切点为(x,y),
2 2
∴y=ln x+2,
2 2
g′(x)=,
∴g′(x)=,
2
切点为(x,ln x+2),
2 2
切线斜率k=,
∴切线方程为y-(ln x+2)=(x-x),
2 2
即y=·x+ln x+1,②
2
由题意知,①与②相同,
∴把③代入④有 =-x+1,
1
即(1-x)( -1)=0,
1
解得x=1或x=0,
1 1
当x=1时,切线方程为y=ex;
1
当x=0时,切线方程为y=x+1,
1
综上,直线l的方程为y=ex或y=x+1.
课时精练
1.(2022·营口模拟)下列函数的求导正确的是( )
A.(x-2)′=-2x
B.(xcos x)′=cos x-xsin x
C.(ln 10)′=
D.(e2x)′=2ex
答案 B
解析 (x-2)′=-2x-3,∴A错;
(xcos x)′=cos x-xsin x,∴B对;
(ln 10)′=0,∴C错;
(e2x)′=2e2x,∴D错.
2.(2022·黑龙江哈师大附中月考)曲线y=2cos x+sin x在(π,-2)处的切线方程为( )
A.x-y+π-2=0 B.x-y-π+2=0
C.x+y+π-2=0 D.x+y-π+2=0
答案 D
解析 y′=-2sin x+cos x,
当x=π时,k=-2sin π+cos π=-1,所以在点(π,-2)处的切线方程,由点斜式可得y+2
=-1×(x-π),化简可得x+y-π+2=0.
3.(2022·长治模拟)已知y=f(x)是可导函数,如图,直线y=kx+2是曲线y=f(x)在x=3处
的切线,令g(x)=xf(x),g′(x)是g(x)的导函数,则g′(3)等于( )A.-1 B.0 C.2 D.4
答案 B
解析 由题图可知曲线y=f(x)在x=3处切线的斜率等于-,
∴f′(3)=-,
∵g(x)=xf(x),
∴g′(x)=f(x)+xf′(x),
∴g′(3)=f(3)+3f′(3),
又由题图可知f(3)=1,
∴g′(3)=1+3×=0.
4.已知点A是函数f(x)=x2-ln x+2图象上的点,点B是直线y=x上的点,则|AB|的最小
值为( )
A. B.2
C. D.
答案 A
解析 当与直线y=x平行的直线与f(x)的图象相切时,切点到直线y=x的距离为|AB|的最小
值.f′(x)=2x-=1,
解得x=1或x=-(舍去),
又f(1)=3,
所以切点C(1,3)到直线y=x的距离即为|AB|的最小值,即|AB| ==.
min
5.设曲线f(x)=aex+b和曲线g(x)=cos +c在它们的公共点M(0,2)处有相同的切线,则b+
c-a的值为( )
A.0 B.π C.-2 D.3
答案 D
解析 ∵f′(x)=aex,g′(x)=-sin ,
∴f′(0)=a,g′(0)=0,∴a=0,
又M(0,2)为f(x)与g(x)的公共点,
∴f(0)=b=2,g(0)=1+c=2,解得c=1,
∴b+c-a=2+1-0=3.
6.(2022·邢台模拟)设点P是函数f(x)=2ex-f′(0)x+f′(1)图象上的任意一点,点P处切线
的倾斜角为α,则角α的取值范围是( )
A. B.∪
C. D.∪
答案 B
解析 ∵f(x)=2ex-f′(0)x+f′(1),
∴f′(x)=2ex-f′(0),∴f′(0)=2-f′(0),f′(0)=1,
∴f(x)=2ex-x+f′(1),
∴f′(x)=2ex-1>-1.
∵点P是曲线上的任意一点,点P处切线的倾斜角为α,
∴tan α>-1.
∵α∈[0,π),
∴α∈∪.
7.(多选)已知函数f(x)的图象如图,f′(x)是f(x)的导函数,则下列结论正确的是( )
A.f′(3)>f′(2)
B.f′(3)f′(3)
D.f(3)-f(2)f′(3)>0,
0 0
故A错误,B正确.
设A(2,f(2)),B(3,f(3)),
则f(3)-f(2)==k ,
AB
由图知f′(3)0,故D不是凸函数.
9.(2022·马鞍山模拟)若曲线f(x)=xcos x在x=π处的切线与直线ax-y+1=0平行,则实
数a=________.
答案 -1
解析 因为f(x)=xcos x,
所以f′(x)=cos x-xsin x,
f′(π)=cos π-π·sin π=-1,
因为函数在x=π处的切线与直线ax-y+1=0平行,所以a=f′(π)=-1.
10.已知函数f(x)=+excos x,若f′(0)=-1,则a=________.
答案 2
解析 f′(x)=+excos x-exsin x
=+excos x-exsin x,
∴f′(0)=-a+1=-1,则a=2.
11.(2022·宁波镇海中学质检)我国魏晋时期的科学家刘徽创立了“割圆术”,实施“以直代
曲”的近似计算,用正n边形进行“内外夹逼”的办法求出了圆周率π的精度较高的近似值,
这是我国最优秀的传统科学文化之一.借用“以直代曲”的近似计算方法,在切点附近,可
以用函数图象的切线近似代替在切点附近的曲线来近似计算.设 f(x)= ,则f′(x)=
________,其在点(0,1)处的切线方程为________.
答案 y=1
解析 ∵f(x)= ,
故f′(x)=(x2)′ = ,
则f′(0)=0.故曲线y=f(x)在点(0,1)处的切线方程为y=1.
12.已知函数f(x)=x3-ax2+x(a∈R),若曲线y=f(x)存在两条垂直于y轴的切线,则a的取
值范围为____________________.答案 (-∞,-1)∪(3,+∞)
解析 因为f(x)=x3-ax2+x(a∈R),
所以f′(x)=3x2-2ax+a+1,因为曲线y=f(x)存在两条垂直于y轴的切线,
所以关于x的方程f′(x)=3x2-2ax+a+1=0有两个不等的实根,
则Δ=4a2-12>0,即a2-2a-3>0,
解得a>3或a<-1,
所以a的取值范围是(-∞,-1)∪(3,+∞).
13.拉格朗日中值定理又称拉氏定理,是微积分学中的基本定理之一,它反映了函数在闭区
间上的整体平均变化率与区间某点的局部变化率的关系,其具体内容如下:若 f(x)在[a,b]
上满足以下条件:①在[a,b]上图象连续,②在(a,b)内导数存在,则在(a,b)内至少存在一
点c,使得f(b)-f(a)=f′(c)(b-a)(f′(x)为f(x)的导函数).则函数f(x)=xex-1在[0,1]上这样的
c点的个数为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
答案 A
解析 函数f(x)=xex-1,
则f′(x)=(x+1)ex-1,
由题意可知,存在点c∈[0,1],
使得f′(c)==1,
即(1+c)ec-1=1,
所以ec-1=,c∈[0,1],作出函数y=ec-1和y=的图象,如图所示,
由图象可知,函数y=ec-1和y=的图象只有一个交点,
所以ec-1=,c∈[0,1]只有一个解,即函数f(x)=xex-1在[0,1]上c点的个数为1.
14.(2021·新高考全国Ⅰ)若过点(a,b)可以作曲线y=ex的两条切线,则( )
A.eb0,
0 0 0
则切线方程为y-b= (x-a),由
得 (1-x+a)=b,则由题意知关于x 的方程 (1-x+a)=b有两个不同的解.
0 0 0
设f(x)=ex(1-x+a),
则f′(x)=ex(1-x+a)-ex=-ex(x-a),
由f′(x)=0得x=a,
所以当x0,f(x)单调递增,
当x>a时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
所以f(x) =f(a)=ea(1-a+a)=ea,
max
当x0,
所以f(x)>0,当x→-∞时,f(x)→0,
当x→+∞时,f(x)→-∞,
函数f(x)=ex(1-x+a)的大致图象如图所示,
因为f(x)的图象与直线y=b有两个交点,所以00)有两解,
令f(k)=ln k--1,
则f′(k)=-=,
故当f′(k)>0时,04,
所以f(k)在(0,4)上单调递增,在(4,+∞)上单调递减,
故f(k) =f(4)=ln 4--1=2ln 2-2,
max
所以只需满足m<2ln 2-2即可.