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创新点1 以高等数学知识为背景的导数问题_2026版高中《二三轮复习+冲刺复习》_另附1套Word版题库_板块一函数与导数

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文档文本内容

 以高等数学知识为背景的导数问题
高考定位 1.导数解答题与高等数学知识交汇命题,考查考生的知识迁移能力、
现场学习能力与现场运用能力,逐渐成为命题的热点,难度较大,一般作为压轴
题出现;2.常见的高等数学知识除了前面学习过的泰勒公式与洛必达法则、还有
拉格朗日中值定理、罗尔中值定理、柯西中值定理、伯努利不等式、微积分、帕
德近似等.
【题型突破】
题型一 拉格朗日中值定理、罗尔中值定理、柯西中值定理
例1 (2024·济宁模拟)已知函数f(x)=ln x-ax2+(a∈R).
(1)讨论函数f(x)的单调性;
(2)若0<x1<x2,证明:对任意a∈(0,+∞),存在唯一的实数ξ∈(x1,x2),使得f′
(ξ)=成立;
(3)设an=,n∈N*,数列{an}的前n 项和为Sn.证明:Sn>2ln(n+1).
(1)解 函数f(x)的定义域为(0,+∞),
f′(x)=-ax=,
①若a≤0,f′(x)>0 恒成立,f(x)在(0,+∞)上单调递增.
②若a>0,x∈时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
x∈时,f′(x)<0,f(x)单调递减.
综上,当a≤0 时,f(x)在(0,+∞)上单调递增;
当a>0 时,f(x)在上单调递增,
在上单调递减.
(2)证明 令F(x)=f′(x)-(x>0),
则F(x)=-ax-
=-ax-+a(x2+x1),
因为a>0,所以F(x)=-ax-+a(x2+x1)在区间(x1,x2)上单调递减.
F(x1)=-ax1-+a(x2+x1)=-+a(x2-x1)
=+a(x2-x1).
令g(t)=t-1-ln t,t>0,
则g′(t)=1-=,
所以t∈(0,1)时,g′(t)<0,g(t)单调递减,
t∈(1,+∞)时,g′(t)>0,g(t)单调递增,
所以g(t)min=g(1)=0,
又0<x1<x2,所以>1,
所以g=-1-ln >0 恒成立,
又因为a>0,x2-x1>0,所以F(x1)>0.
同理可得,F(x2)=+a(x1-x2),
由t-1-ln t≥0(t=1 时等号成立)得,-1-ln ≥0,即1--ln t≤0(t=1 时等号
成立),
又0<x1<x2,所以0<<1,
所以1--ln <0 恒成立,
又因为a>0,x1-x2<0,x2-x1>0,
所以F(x2)<0,
所以区间(x1,x2)上存在唯一实数ξ,
使得F(ξ)=0,所以对任意a∈(0,+∞),
存在唯一的实数ξ∈(x1,x2),
使得f′(ξ)=成立.
(3)证明 当a=1 时,由(1)可得,f(x)=ln x-x2+在(1,+∞)上单调递减.
所以x>1 时,f(x)<f(1)=0,
即ln x-x2+<0.
令x=,n∈N*,
则ln -+<0,
即-1>2ln(n+1)-2ln n,
即>2ln(n+1)-2ln n,
令bn=2ln(n+1)-2ln n,n∈N*,则an>bn,
所以a1+a2+a3+…+an>b1+b2+b3+…+bn
=2ln 2-2ln 1+2ln 3-2ln 2+…+2ln(n+1)-2ln n=2ln(n+1),
所以Sn>2ln(n+1).
规律方法 1.本题第二问实际上是拉格朗日中值定理,其内容如下
若函数f(x)满足如下条件:
(1)f(x)在闭区间[a,b]上连续;
(2)f(x)在开区间(a,b)内可导.
则在(a,b)内至少存在一点ξ,使得f′(ξ)=.
2.解决以拉格朗日中值定理为背景的问题的一般步骤
(1)研究f(x)的单调性;
(2)自定义x1,x2的大小,并判断f(x1)、f(x2)的大小,去掉分母或绝对值;
(3)构造新函数F(x),转化为新函数的单调性或最值解决问题.
训练1 罗尔中值定理是微分学中一条重要的定理,是三大微分中值定理之一,
其他两个分别为:拉格朗日中值定理、柯西中值定理.罗尔定理描述如下:如果
R 上的函数f(x)满足以下条件:①在闭区间[a,b]上连续,②在开区间(a,b)内可
导,③f(a)=f(b),则至少存在一个ξ∈(a,b),使得f′(ξ)=0.据此,解决以下问题:
(1)证明方程4ax3+3bx2+2cx-(a+b+c)=0 在(0,1)内至少有一个实根,其中
a,b,c∈R;
(2)已知函数f(x)=ex-ax2-(e-a-1)x-1,a∈R 在区间(0,1)内有零点,求a 的
取值范围.
(1)证明 设F(x)=ax4+bx3+cx2-(a+b+c)x,x∈[0,1],
则F′(x)=4ax3+3bx2+2cx-(a+b+c),
所以函数F(x)在[0,1]上连续,在区间(0,1)上可导,
又F(0)=0,F(1)=a+b+c-a-b-c=0,
故F(0)=F(1),
所以由罗尔中值定理可得至少存在一个x0∈(0,1),使得F′(x0)=0,
所以4ax+3bx+2cx0-(a+b+c)=0,
所以方程4ax3+3bx2+2cx-(a+b+c)=0 在(0,1)内至少有一个实根.
(2)解 因为函数f(x)=ex-ax2-(e-a-1)x-1,a∈R 在区间(0,1)内有零点,
不妨设其零点为x1,则f(x1)=0,x1∈(0,1),
由f(x)=ex-ax2-(e-a-1)x-1 可得f′(x)=ex-2ax-(e-a-1),
所以函数f(x)在[0,x1]上连续,在(0,x1)上可导,
又f(0)=e0-0-0-1=0,f(x1)=0,
由罗尔中值定理可得至少存在一个x2∈(0,x1),使得f′(x2)=0,
因为函数f(x)在[x1,1]上连续,在(x1,1)上可导,
又f(1)=e-a-e+a+1-1=0,f(x1)=0,
由罗尔中值定理可得至少存在一个x3∈(x1,1),使得f′(x3)=0,
所以方程ex-2ax-(e-a-1)=0 在(0,1)上至少有两个不等的实数根,
设g(x)=ex-2ax-(e-a-1),x∈(0,1),
则g′(x)=ex-2a,
当a≤时,g′(x)>0,函数g(x)在(0,1)上单调递增,
所以方程ex-2ax-(e-a-1)=0 在(0,1)上至多有一个根,矛盾,
当a≥时,g′(x)<0,函数g(x)在(0,1)上单调递减,
所以方程ex-2ax-(e-a-1)=0 在(0,1)上至多有一个根,矛盾,
当<a<时,由g′(x)=0,
可得x=ln 2a,0<ln 2a<1,
当0<x<ln 2a 时,g′(x)<0,
函数g(x)在(0,ln 2a)上单调递减,
当ln 2a<x<1 时,g′(x)>0,
函数g(x)在(ln 2a,1)上单调递增,
所以当x=ln 2a 时,函数g(x)取最小值,
又g=e-a-(e-a-1)=e+1-e<+1-e<0,所以g(ln 2a)<0,
又g(0)=1-(e-a-1)=2+a-e,g(1)=e-2a-(e-a-1)=1-a,
由零点存在性定理可得2+a-e>0,1-a>0,
所以a>e-2,a<1,
又<a<,所以e-2<a<1,
所以a 的取值范围为(e-2,1).
题型二 帕德近似
例2 (2024·厦门模拟)帕德近似是法国数学家亨利·帕德发明的用有理多项式近似
特定函数的方法,在计算机数学中有着广泛的应用.已知函数f(x)在x=0 处的
[m,n]阶帕德近似定义为:R(x)=,且满足:f(0)=R(0),f′(0)=R′(0),f(2)(0)=R(2)
(0),…,f(m+n)(0)=R(m+n)(0).其中f(2)(x)=[f′(x)]′,f(3)(x)=[f(2)(x)]′,…,f(m+n)(x)=[f(m
+n-1)(x)]′.
已知f(x)=ln(x+1)在x=0 处的[2,2]阶帕德近似为R(x)=.
(1)求实数a,b 的值;
(2)设h(x)=f(x)-R(x),证明:xh(x)≥0;
(3)已知x1,x2,x3是方程ln x=λ 的三个不等实根,求实数λ 的取值范围,并证
明:>-1.
(1)解 依题意可知,f(0)=0,R(0)=a,
因为f(0)=R(0),所以a=0,
此时R(x)=,
因为f′(x)=,
R′(x)=,
所以f′(0)=1,R′(0)=b,
因为f′(0)=R′(0),所以b=1.
(2)证明 依题意,h(x)=f(x)-R(x)=ln(1+x)-,
h′(x)=-=≥0,
故h(x)在(-1,+∞)单调递增,
由h(0)=0,故∀x∈(-1,0),h(x)<0,∀x∈(0,+∞),h(x)>0,
综上,∀x>-1,xh(x)≥0.
(3)解 不妨设x1<x2<x3,
令t(x)=ln x-λ,
t′(x)=-λ=(x>0),
当λ≤0 时,t′(x)>0,此时t(x)单调递增,t(x)=0 不存在三个不等实根;
当λ>0 时,令s(x)=-λx2+x-λ,
其判别式Δ=1-4λ2,
若Δ=1-4λ2≤0,即λ≥,
s(x)≤0 恒成立,即t′(x)≤0,
此时t(x)单调递减,t(x)=0 不存在三个不等实根;
若Δ=1-4λ2>0,即0<λ<,t′(x)=0 存在两个不等正实根r1,r2(r1<r2),
此时有当x∈(0,r1)时,t′(x)<0,t(x)单调递减,
当x∈(r1,r2)时,t′(x)>0,t(x)单调递增,
当x∈(r2,+∞)时,t′(x)<0,t(x)单调递减,
又因为t(1)=0,且t′(1)=1-2λ>0,
故t(r1)<0,t(r2)>0,
因为ln x<x-1(x≠1),所以ln <-1,即ln x>2-,
所以t(λ4)=ln λ4-λ>2--λ5+=(2-λ5)+>0,
所以存在x1∈(λ4,r1),满足t(x1)=0,
又因为t=ln -λ
=-ln x+λ=-t(x),
故存在x3=,满足t(x3)=0,
故当且仅当0<λ<时,ln x=λ 存在三个不等实根,
且满足x1<x2=1<x3,且x1=,
由(2)可知,当x>0 时,ln(1+x)>,
因此,ln x>(x>1),
故ln x3=λ>,
化简可得<=x3+4+
=x1+x2+x3+3,
因此>-1,命题得证.
规律方法 1.利用帕德近似求参数值的关键是理解其概念列出方程组,从而求解.
2.本题的关键点在于借助零点的存在性定理得到当且仅当0<λ<时,ln x=λ 存在
三个不等实根,且满足x1<x2=1<x3,且x1=后,结合第二问中所得ln(1+x)>,
从而得到ln x3=λ>,再进行化简即可证明.
训练2 (2024·菏泽模拟)帕德近似是法国数学家亨利·帕德发明的用有理多项式近
似特定函数的方法.给定两个正整数m,n,函数f(x)在x=0 处的[m,n]阶帕德近
似定义为:R(x)=,且满足:f(0)=R(0),f′(0)=R′(0),f″(0)=R″(0),…,f(m+n)(0)
=R(m+n)(0)(注:f″(x)=[f′(x)]′,f(x)=[f″(x)]′,…,f(n)(x)为f(n-1)(x)的导数).已知
f(x)=ln(x+1)在x=0 处的[-1,1]阶帕德近似为R(x)=.
(1)求实数a,b 的值;
(2)比较f(x)与R(x)的大小;
(3)若h(x)=-f(x)在(0,+∞)上存在极值,求m 的取值范围.
解 (1)由f(x)=ln(x+1),R(x)=,
有f(0)=R(0),
可知f′(x)=,f″(x)=-,
R′(x)=,R″(x)=,
由题意,f′(0)=R′(0),f″(0)=R″(0),
所以所以a=1,b=.
(2)由(1)知,R(x)=,
令φ(x)=f(x)-R(x)=ln(x+1)-(x>-1),
则φ′(x)=-=>0,
所以φ(x)在其定义域(-1,+∞)内为增函数,
又φ(0)=f(0)-R(0)=0,
∴x≥0 时,φ(x)=f(x)-R(x)≥φ(0)=0;
-1<x<0 时,φ(x)=f(x)-R(x)<φ(0)=0;
所以x≥0 时,f(x)≥R(x);
-1<x<0 时,f(x)<R(x).
(3)由h(x)=-f(x)=ln(x+1),
∴h′(x)=-ln(x+1)+=.
由h(x)=-f(x)在(0,+∞)上存在极值,所以h′(x)在(0,+∞)上存在变号零点.
令g(x)=mx2+x-(x+1)ln(x+1),
则g′(x)=2mx+1-[ln(x+1)+1]
=2mx-ln(x+1),g″(x)=2m-.
①m≤0 时,g″(x)<0,g′(x)单调递减,g′(x)<g′(0)=0,g(x)在(0,+∞)上单调递减,
g(x)<g(0)=0,无零点,不满足条件.
②当2m≥1,即m≥时,g″(x)>0,g′(x)单调递增,g′(x)>g′(0)=0,g(x)在(0,+
∞)上单调递增,g(x)>g(0)=0,无零点,不满足条件.
③当0<2m<1,即0<m<时,
令g″(x)=0 即2m=,∴x=-1.
当0<x<-1 时,g″(x)<0,g′(x)单调递减;
x>-1 时,g″(x)>0,g′(x)单调递增,
∴g′(x)min=g′=2m-ln=1-2m+ln 2m;
令H(x)=1-x+ln x,0<x<1,H′(x)=-1+,H′(x)=-1+>0 在0<x<1 时恒成立,
H(x)在(0,1)上单调递增,H(x)<H(1)=0,
∴g′=(1-2m)+ln 2m<0 恒成立;
∵x>0,0<m<,∴x(m-1)<0,则mx2-1>mx2-1+mx-x=(x+1)(mx-1),
∴>mx-1,
∴1+-ln(x+1)>mx-ln(x+1);
∵g(x)=(x+1),
令l(x)=-ln(x+1)=1+-ln(x+1)>mx-ln(x+1)
=m(x+1)-ln(x+1)-m,
令F(x)=ln(x+1)-2(x>0),
F′(x)=-=<0,
则F(x)在(0,+∞)上单调递减,F(x)<F(0)=-2,所以ln(x+1)<2,
∴l(x)>m(x+1)-2-m=(x+1)-m+,
令x=-1,则x+1=,
∴(x+1)-2=-=0,
(x+1)-m=-m>0,
即l>0.
由零点存在定理可知,l(x)在上存在唯一零点x0,
且x0∈,
又由③知,当0<x<-1 时,
g″(x)<0,g′(x)单调递减,g′(0)=0,
此时g′(x)<0,在内无零点,
∴g(x)在(0,+∞)上存在变号零点,
综上所述实数m 的取值范围为.
题型三 微积分、洛必达法则
例3 (2024·湖北二模)微积分的创立是数学发展中的里程碑,它的发展和广泛应
用开创了向近代数学过渡的新时期,为研究变量和函数提供了重要的方法和手段.
对于函数g(x)=(x>0),g(x)在区间[a,b]上的图象连续不断,从几何上看,定积
分dx 便是由直线x=a,x=b,y=0 和曲线y=所围成的区域(称为曲边梯形
ABQP)的面积,根据微积分基本定理可得dx=ln b-ln a,因为曲边梯形ABQP
的面积小于梯形ABQP 的面积,即S 曲边梯形ABQP<S 梯形ABQP,代入数据,进一步可以
推导出不等式:>.
(1)请仿照这种根据面积关系证明不等式的方法,证明:<;
(2)已知函数f(x)=ax2+bx+xln x,其中a,b∈R.
①证明:对任意两个不相等的正数x1,x2,曲线y=f(x)在(x1,f(x1))和(x2,f(x2))处
的切线均不重合;
②当b=-1 时,若不等式f(x)≥2sin(x-1)恒成立,求实数a 的取值范围.
(1)证明 在曲线y=取一点M.
过点M 作f(x)的切线分别交AP,BQ 于M1,M2,
因为S 曲边梯形ABQP>S 梯形ABM2M1,
可得ln b-ln a>(|AM1|+|BM2|)·|AB|=·2··(b-a),
即<.
(2)①证明 由函数f(x)=ax2+bx+xln x,
可得f′(x)=2ax+ln x+b+1,
不妨设0<x1<x2,曲线y=f(x)在(x1,f(x1))处的切线方程为
l1:y-f(x1)=f′(x1)(x-x1),
即y=f′(x1)x+f(x1)-x1f′(x1)
同理曲线y=f(x)在(x2,f(x2))处的切线方程为l2:y=f′(x2)x+f(x2)-x2f′(x2),
假设l1与l2重合,
则
代入化简可得
两式消去a,可得ln x2-ln x1-2=0,
整理得=,
由(1)的结论知<,与上式矛盾.
即对任意实数a,b 及任意不相等的正数x1,x2,l1与l2均不重合.
②解 当b=-1 时,不等式f(x)≥2sin(x-1)恒成立,
所以h(x)=ax2-x+xln x-2sin(x-1)≥0 在(0,+∞)恒成立,
所以h(1)≥0⇒a≥1,
下证:当a≥1 时,h(x)≥0 恒成立.
因为a≥1,
所以h(x)≥x2-x+xln x-2sin(x-1),
设H(x)=x2-x+xln x-2sin(x-1),H′(x)=2x+ln x-2cos(x-1).
(ⅰ)当x∈[1,+∞)时,由2x≥2,ln x≥0,
-2cos(x-1)≥-2 知H′(x)≥0 恒成立,
即H(x)在[1,+∞)单调递增,
所以H(x)≥H(1)=0 成立;
(ⅱ)当x∈(0,1)时,设G(x)=2x+ln x-2cos(x-1),
可得G′(x)=2++2sin(x-1),
由2sin(x-1)≥-2,>0 知G′(x)≥0 恒成立,即G(x)=H′(x)在(0,1)上单调递增.
所以H′(x)<H′(1)=0,即H(x)在(0,1)单调递减,所以H(x)>H(1)=0 成立,
综上所述,实数a 的取值范围是[1,+∞).
规律方法 1.本例以微积分为工具证明对数平均值不等式:<,再利用该不等式
解决问题.
2.求解的关键是理解题中所给微积分基本定理及推证不等式的方法,并会把所求
证的问题转化为适用对数平均值不等式的形式.
训练3 ①在微积分中,求极限有一种重要的数学工具——洛必达法则,法则中
有结论:若函数f(x),g(x)的导函数分别为f′(x),g′(x),且
f(x)=
g(x)=0,
则
=
.
②设a>0,k 是大于1 的正整数,若函数f(x)满足:对任意x∈[0,a],均有
f(x)≥f 成立,且
f(x)=0,则称函数f(x)为区间[0,a]上的k 阶无穷递降函数.
结合以上两个信息,回答下列问题:
(1)试判断f(x)=x3-3x 是否为区间[0,3]上的2 阶无穷递降函数;
(2)计算: 
(1+x);
(3)证明:<cos x,x∈.
(1)解 设F(x)=f(x)-f=x3-x,
由于F(1)=-<0,所以f(x)≥f 不成立,
故f(x)=x3-3x 不是区间[0,3]上的2 阶无穷递降函数.
(2)解 设g(x)=(1+x),
则ln g(x)=ln(1+x)=,
设h(x)=,
则
h(x)=
=
=1,
所以
ln g(x)=1,得 (1+x)=e.
(3)证明 令x-π=t,则原不等式等价于tan t·sin2t>t3,t∈,
即证>1,t∈,
记f(t)=,t∈,
则f=,
所以=·==>1,
即有对任意t∈,均有f(t)>f,
所以f(t)>f>…>f,
因为
=
cos x=1,
所以
f=
=
=
·
=1,
所以f(t)>1,t∈,证毕!
【精准强化练】
1.已知函数f(x)=ex+-1(a∈R 且a 为常数).
(1)当a=-1 时,讨论函数f(x)在(-1,+∞)上的单调性;
(2)设y=t(x)为可求导数,且它的导函数t′(x)仍可求导数,则t′(x)再次求导所得函
数称为原函数y=t(x)的二阶函数,记为t″(x),利用二阶导函数可以判断一个函
数的凹凸性.一个二阶可导的函数在区间[a,b]上是凸函数的充要条件是这个函数
在(a,b)的二阶导函数非负,若g(x)=(x+1)[f(x)+1]+x2在(-∞,-1)上不是凸
函数,求a 的取值范围.
解 (1)f′(x)=ex-.
令f′(x)=ex-=0,得x=0.
设r(x)=ex-,
则r′(x)=ex+.
当x>-1 时,r′(x)>0,r(x)在(-1,+∞)上单调递增,
故x=0 是r(x)在(-1,+∞)内的唯一零点,
即x=0 是f′(x)在(-1,+∞)内的唯一零点.
所以当-1<x<0 时,f′(x)<0,
即f(x)在(-1,0)上单调递减;
当x>0 时,f′(x)>0,即f(x)在(0,+∞)上单调递增.
当x>0 时,f′(x)>0,即f(x)在(0,+∞)上单调递增.
(2)g(x)=(x+1)[f(x)+1]+x2
=(x+1)ex+x2+ax,
g′(x)=(x+2)ex+2x+a,
g″(x)=(x+3)ex+2.
如果g(x)在(-∞,-1)上是凸函数,那么∀x∈(-∞,-1),都有g″(x)≥0.
g″(x)≥0⇒a≥-(x+3)ex.
令h(x)=-(x+3)ex,
即得h′(x)=-(x+4)ex.
h′(x)=0⇒x=-4.
当x<-4 时,h′(x)>0;
当-4<x<-1 时,h′(x)<0.
即h(x)在(-∞,-4)上单调递增,在(-4,-1)上单调递减,
所以h(x)≤h(-4)=e-4,即a≥e-4.
又g(x)在(-∞,-1)不是凸函数,
所以a∈(-∞,e-4).
2.(2024·邢台二模)在函数极限的运算过程中,洛必达法则是解决未定式型或型极
限的一种重要方法,其含义为:若函数f(x)和g(x)满足下列条件:
①
f(x)=0 且
g(x)=0(或
f(x)=∞,
g(x)=∞);
②在点a 的附近区域内两者都可导,且g′(x)≠0;
③
=A(A 可为实数,也可为±∞),则
=
=A.
(1)用洛必达法则求
;
(2)函数f(x)=1+x+++…+(n≥2,n∈N*),判断并说明f(x)的零点个数;
(3)已知g(2x)=g(x)·cos x,g(0)=1,x∈,求g(x)的解析式.
参考公式:
f(x)=f(
x),
kf(x)=k
f(x).
解 (1)
=
=1.
(2)f(x)=1+x+++…+,
f′(x)=1+x+++…+,
所以f′(x)-f(x)=-,=′=-.
当x>0 时,′<0,
函数在(0,+∞)上单调递减,
当x<0 时,′>0,
函数在(-∞,0)上单调递增,
 =-∞,f(0)=1,
当x>0 时,>0,所以仅在x∈(-∞,0)时存在1 个零点.
(3)=cos x,所以=cos ,
=cos ,…,=cos .
将各式相乘得=cos ·cos …cos ==·,
两侧同时运算极限,
所以
=
=·
,
即=
,
令t=,原式可化为=
,
又g(0)=1,
由(1)得
=1,
故g(x)=(x≠0),由题意函数g(x)的定义域为(-π,π),
综上,g(x)=