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函数与导数中的新定义问题
高考定位 高考中函数与导数的新定义压轴题主要涉及以下几个方面:1.定义新
函数; 2.定义函数的相关点、直线; 3.与帕德逼近、洛必达法则、泰勒公式、
柯西中值定理(含罗尔中值定理)、微积分、微分几何等高等数学知识相关联.
【题型突破】
题型一 定义新函数
例1 (2024·浙江名校协作体联考)定义max{a,b}=已知函数f(x)=max{ln x,-
4x3+mx-1},其中x∈R.
(1)当m=5 时,求过原点的切线方程;
(2)若函数f(x)只有一个零点,求实数m 的取值范围.
解 (1)由题意知f(x)的定义域(0,+∞),
当m=5 时,
f(x)=
令g(x)=-4x3+5x-1,
g′(x)=-12x2+5>0⇒0<x<,
⇒g(x)在上单调递增,
上单调递减,且g(1)=0,
令h(x)=ln x,则h(x)在(0,+∞)上单调递增,
而f(1)=0=h(1),
又g=,h=ln<-1,
而g(0)=-1,
所以当0<x<时,g(x)>h(x),
当≤x<1 时,g(x)>0>h(x),
所以当0<x<1 时,f(x)=g(x),
当x≥1 时,f(x)=h(x),
所以f(x)=
所以f(x)在和(1,+∞)上单调递增,
在上单调递减.
①当0<x<1 时,f′(x)=-12x2+5,
设切点M(x0,-4x+5x0-1),
则此切线方程为y=(-12x+5)(x-x0)-4x+5x0-1,
又此切线过原点,
所以0=(-12x+5)(0-x0)-4x+5x0-1,
解得x0=,
即此时切线方程是2x-y=0.
②当x≥1 时,f(x)=ln x,所以f′(x)=,
设切点为(x0,ln x0),此时切线方程y=(x-x0)+ln x0,
又此切线过原点,所以0=(0-x0)+ln x0,
解得x0=e,
所以此时切线方程为x-ey=0,
综上所述,所求切线方程是x-ey=0 或2x-y=0.
(2)①当m=5 时,
由(1)知,f(x)在和(1,+∞)上单调递增,上单调递减,
且f(0)=-1,f=>0,f(1)=0,
此时f(x)有两个零点;
②当m>5 时,
当0<x<1 时,-4x3+5x-1<-4x3+mx-1,
由(1)知g(x)=-4x3+5x-1 在上单调递增,上单调递减,且g(1)=0,
所以x∈时,f(x)>0,
而f(0)=-1,
所以f(x)在只有一个零点,
在没有零点;
③当0<m<5 时,
y=-4x3+mx-1,此时y′=-12x2+m>0 得0<x<<,
由(1) 知,当x≥1 时,f(x)=ln x 只有一个零点x=1,
要保证f(x)只有一个零点,只需要当0<x<1 时,f(x)=-4x3+mx-1 没有零点,
得0<m<3;
④当m≤0 时,
当x∈(0,+∞)时,g(x)=-4x3+mx-1<0,
此时f(x)只有一个零点x=1,
综上,f(x)只有一个零点时,m 的取值范围为(-∞,3)∪(5,+∞).
反思感悟 本题理解所给新定义函数是前提,化为分段函数,把分段函数明朗化
是关键,分类讨论结合导数的应用是基本功.
训练1 (2024·上海模拟)已知函数y=f(x),x∈D,如果存在常数M,对任意满足
x1<x2<…<xn-1<xn的实数x1,x2,…,xn-1,xn,其中x1,x2,…,xn-1,xn∈D,都
有不等式∑|f(xi)-f(xi-1)|≤M 恒成立,则称函数y=f(x),x∈D 是“绝对差有界函
数”.
(1)函数f(x)=,x≥是“绝对差有界函数”,求常数M 的取值范围;
(2)对于函数y=f(x),x∈[a,b],存在常数k,对任意的x1,x2∈[a,b],有|f(x1)
-f(x2)|≤k|x1-x2|恒成立,求证:函数y=f(x),x∈[a,b]为“绝对差有界函数”;
(3)判断函数f(x)=是不是“绝对差有界函数”?说明理由.
(1)解 ∵f(x)=,x≥,
∴f′(x)=,
∴f′(x)==0,∴x=e,
即当x∈,f(x)单调递增;
当x∈[e,+∞),f(x)单调递减.
所以∑|f(xi)-f(xi-1)|=|f(xn)-f(xn-1)|+|f(xn-1)-f(xn-2)|+…+|f(x2)-f(x1)|,
f(x)单调递增时,f(xn)-f(xn-1)>0,
f(x)单调递减时,f(xn)-f(xn-1)<0.
且当x 无限趋向于正无穷大时,f(x)无限趋向于0,
所以∑|f(xi)-f(xi-1)|=f(e)-f+f(e)=+e.
所以M≥+e.
(2)证明 ∑|f(xi)-f(xi-1)|≤k∑|xi-xi-1|=k(b-a)成立,则可取M=k(b-a),
所以函数y=f(x),x∈[a,b]为“绝对差有界函数”.
(3)解 0<<<…<<1,n∈N*,
则有∑=+
+…+
,
=1+++…++…,
所以对任意常数M>0,只要n 足够大,就有区间[0,1]的一个划分
0<<<…<<1 满足∑|f(xi)-f(xi-1)>M,
所以函数f(x)=不是[0,1]的“绝对差有界函数”.
题型二 定义函数的相关点、线或性质
例2 (2024·T8 二联)记A={l(x)|l(x)=kx+m,k,m∈R},若l0(x)∈A,满足:对
任意l(x)∈A,均有
|f(x)-l(x)|≥
|f(x)-l0(x)|,则称l0(x)为函数f(x)在
x∈[a,b]上“最接近”直线,已知函数g(x)=2ln x-x2+3,x∈[r,s].
(1)若g(r)=g(s)=0,证明:对任意l(x)∈A,max|g(x)-l(x)|≥1;
(2)若r=1,s=2,证明:g(x)在x∈[1,2]上的“最接近”直线为:l0(x)=(2ln 2
-3)+,其中x0∈(1,2)且为二次方程2x2+(2ln 2-3)x-2=0 的根.
证明 (1)由题意g′(x)=-2x=,
则当x∈(0,1)时,g′(x)>0,
g(x)在区间(0,1)上单调递增,
当x∈(1,+∞)时,g′(x)<0,g(x)在区间(1,+∞)上单调递减,
又g(r)=g(s)=0,∴0<r<1<s,
∴g(x)在区间[r,s]上的最大值为g(x)max=g(1)=2,
根据函数g(x)的图象特点,
可知对任意l(x)∈A,
均有
|g(x)-l(x)|≥
{|g(r)-l(r)|,|g(s)-l(s)|,|g(1)-l(1)|}
=
{|l(r)|,|l(s)|,|2-l(1)|},
下面讨论|l(r)|,|l(s)|的大小:
①若|l(r)|,|l(s)|至少有一个大于等于1,
则
|g(x)-l(x)|≥1,
②若|l(r)|,|l(s)|两个都小于1,则l(r)<1,l(s)<1,
因为l(x)是直线,故对任意x∈[r,s],均有l(x)<1,
∴l(1)<1,从而|2-l(1)|>1,
即
|g(x)-l(x)|≥
{|l(r)|,|l(s)|,|2-l(1)|}>1,
由①②可知,
{|g(r)-l(r)|,
|g(s)-l(s)|,|g(1)-l(1)|}≥1,当l(x)==1 时,
|g(x)-l(x)|=1,
{|g(r)-1|,
|g(s)-1|,|g(1)-1|}=1,此时等号成立,结论证毕.
(2)设h(x)=(2ln 2-3)(x-1)+2,
再令f(x)=g(x)-h(x),
∴f′(x)=g′(x)-h′(x)
=-2x-(2ln 2-3),
令m(x)=-2x-(2ln 2-3),
m′(x)=--2<0,
∴f′(x)在区间[1,2]上单调递减,
而f′(1)>0,f′(2)<0,
∴存在x0∈(1,2),使得f′(x0)=0,
即-2x0-(2ln 2-3)=0⇒
2x+(2ln 2-3)x0-2=0,
且x∈[1,x0]时,f′(x)>0,f(x)单调递增,x∈[x0,2]时,f′(x)<0,f(x)单调递减,
∴f(x)在区间[1,2]上的最大值为f(x0),
而f(1)=g(1)-h(1)=0,
f(2)=g(2)-h(2)=0,
则f(x)在区间[1,2]上大于等于0,
由(1)问分析知,对定义在[a,b]上的函数f(x)≥0,
若f(x)满足f(a)=f(b)=0,且x0∈[a,b]为f(x)唯一的最大值点,
则对任意的l(x)∈A,
|f(x)-l(x)|≥,l(x)=时取等号,
又
|f(x)-l(x)|=
|g(x)-h(x)-l(x)|,
故当l(x)=时,
|f(x)-l(x)|=
|g(x)-h(x)-l(x)|取得最小值,
∴g(x)在x∈[1,2]上的“最接近”直线为l0(x)=h(x)+,
即l0(x)=(2ln 2-3)(x-1)+2+,
化简可得l0(x)=(2ln 2-3)+,
其中x0∈(1,2),且x0是二次方程2x2+(2ln 2-3)x-2=0 的根,证毕.
反思感悟 本题高度符号化、抽象化,在真正理解新概念之后,要解决的两个问
题是新概念的具体应用.
训练2 (2024·上海卷)已知D 是R 的一个非空子集,y=f(x)是定义在D 上的函数,
对于点M(a,b),函数s(x)=(x-a)2+(f(x)-b)2.若对于P(x0,f(x0)),满足s(x)在x
=x0处取得最小值,则称P 是M 的“f 最近点”.
(1)若D=(0,+∞),f(x)=,M(0,0),求证:对于点M(0,0),存在点P,使得
P 是M 的“f 最近点”.
(2)若D=R,f(x)=ex,M(1,0),请判断是否存在一个点P,它是M 的“f 最近
点”,且直线MP 与曲线y=f(x)在点P 处的切线垂直.
(3)若D=R,已知y=f(x)是可导的,y=g(x)的定义域为R 且函数值恒为正,
t∈R,M1(t-1,f(t)-g(t)),M2(t+1,f(t)+g(t)).若对于任意t∈R,都存在曲线y
=f(x)上的一点P,使得P 既是M1的“f 最近点”,又是M2的“f 最近点”,试判
断y=f(x)的单调性.
(1)证明 因为函数f(x)=,x∈(0,+∞),
M(0,0),
所以s(x)=(x-0)2+=x2+≥2,
当且仅当x2=,x>0,即x=1 时,
s(x)取得最小值2,f(1)=1,所以P(1,1),
故对于点M(0,0),存在点P(1,1),使得P 是M 的“f 最近点”.
(2)解 因为函数f(x)=ex,M(1,0),
所以s(x)=(x-1)2+e2x,
则s′(x)=2(x-1)+2e2x.
记m(x)=s′(x)=2(x-1)+2e2x,
则m′(x)=2+4e2x>0,
所以m(x)在R 上严格单调递增.
因为m(0)=s′(0)=0,
所以当x<0 时,m(x)=s′(x)<0;
当x>0 时,m(x)=s′(x)>0.
所以s(x)在(-∞,0)上严格单调递减,
在(0,+∞)上严格单调递增,
因此当x=0 时,s(x)取到最小值,
又f(0)=e0=1,所以点M 的“f 最近点”为P(0,1).
为判断直线MP 与曲线y=f(x)在点P 处的切线是否垂直,
可另设P(k,ek),则由f′(x)=ex,知在P(k,ek)处的切线l 的斜率为ek,
由题意知MP⊥l,因此=-,
整理得k+e2k-1=0.
令h(k)=k+e2k-1,易知h(k)有R 上严格单调递增,
又h(0)=0,
所以方程k+e2k-1=0 有唯一解k=0,
所以点P(0,1).
综上,存在满足条件的一个点P(0,1).
(3)解 法一 设
由条件,对任意t∈R,存在P(x0,f(x0)),
使得x0同时是s1(x)和s2(x)的最小值点.
于是,对任意x∈R,
即
特别地,当x=t 时,
两式相加,得(x0-t)2+(f(x0)-f(t))2≤0.
所以x0=t.
另一方面,求导得
因为si(x)(i=1,2)的最小值点也是极小值点,
所以s1′(x0)=0,s2′(x0)=0,即
两式相减,得g(t)f′(x0)=-1.
代入x0=t,并由g(t)>0,得f′(t)=-<0,t∈R.
所以f(x)在R 上严格单调递减.
法二 先证明一个结论:对于M(a,b),
设P(x0,f(x0))为M 的“f 最近点”,
曲线y=f(x)在点P 处的切线为l,则MP⊥l.
证明:
因为s(x)=(x-a)2+(f(x)-b)2,
所以s′(x)=2x-2a+2f′(x)(f(x)-b),
所以当s(x)在x=x0处取得最小值时,
s′(x0)=0,即x0-a+f′(x0)(f(x0)-b)=0,
所以=-.
又直线MP 的斜率kMP=,
且切线l 的斜率为kl=f′(x0),
所以kMP·kl=·f′(x0)
=-·f′(x0)=-1,
所以MP⊥l.
因为∀t∈R,M1(t-1,f(t)-g(t)),M2(t+1,f(t)+g(t)),存在对应的点P 使得|
M1P|2为M1到曲线y=f(x)的距离平方的最小值,|M2P|2为M2到曲线y=f(x)的距离
平方的最小值,
连接M1M2,因为M1(t-1,f(t)-g(t)),M2(t+1,f(t)+g(t)),
所以设线段M1M2的中点为N,
则N(t,f(t)),则点N 在曲线y=f(x)上.
若M1,M2到曲线y=f(x)的距离最小时对应的点P 与点N 不重合,
则|M1P|<|M1N|,|M2P|<|M2N|,
所以|M1P|+|M2P|<|M1N|+|M2N|=|M1M2|,
这与三角形两边之和大于第三边矛盾,所以点P 与点N 必重合.
又直线M1M2的斜率为kM1M2==g(t)>0,kl=f′(t),
所以由kM1M2·kl=g(t)·f′(t)=kMP·kl=-1<0,知f′(t)<0,
所以当t∈R 时,有f′(t)<0,
所以函数f(x)在R 上严格单调递减.
题型三 与高等数学知识有关的新定义问题
例3 (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)证明 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.
反思感悟 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3 (2024·武汉模拟)我们知道,通过牛顿-莱布尼茨公式可以求曲线梯形(如
图1 所示的阴影部分)的面积A=其中f(x)dx=F(b)-F(a),F′(x)=f(x).如果平面
图形由两条曲线围成(如图2 所示的阴影部分),曲线C1可以表示为y=f1(x),曲
线C2可以表示为y=f2(x),那么阴影区域的面积
A=(f2(x)-f1(x))dx,其中(f2(x)-f1(x))dx=f2(x)dx-f1(x)dx.
(1)如图3,连续函数y=f(x)在区间[-3,-2]与[2,3]的图形分别为直径为1 的
上、下半圆,在区间[-2,0]与[0,2]的图形分别为直径为2 的下、上半圆,设
F(x)=f(t)dt,求F(2)-F(3)的值;
图3
(2)在曲线f(x)=x2(x≥0)上某一个点处作切线,使之与曲线和x 轴所围成的面积为,
求切线方程;
(3)正项数列{bn}是公差为d(d 为常数,d>0)的等差数列,b1=1,两条抛物线y=
bnx2+,y=bn+1x2+(n∈N*),记它们交点的横坐标的绝对值为an,两条抛物线围
成的封闭图形的面积为Sn,求证:++…+<.
(1)解 由题意可知F(2)=f(t)dt=×π×12=,F(3)=f(t)dt=f(t)dt+f(t)dt=-=π,
所以F(2)-F(3)=×-π=.
(2)解 如图1,设切点为A(x0,x),
图1
则切线的斜率为y′=2x0,
则切线方程为y-x=2x0(x-x0),
所以切线与x 轴的交点为B,
过点A 作x 轴的垂线,垂足为C,则C(x0,0),
所以由题意可知围成的面积S=x2dx-S△ABC=x-×x0·x=,得x0=1,
所以切点坐标为(1,1),切线方程为y=2x-1.
(3)证明 两条抛物线的大致图象及位置如图2.
图2
联立得
得an=,
由对称性可知,两条抛物线围成的封闭图形的面积为
Sn=2dx
=2dx,
令f(x)=-dx2+,F′(x)=f(x)⇒F(x)=-x3++C(C 为常数),
所以f(x)dx=F(an)-F(0)=-a+=,
所以Sn=,
所以=·=,
则++…+
=
=<.
【精准强化练】
1.(2024·金丽衢十二校二联)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 在[0,3]上不成立,
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∈,故结论成立.
2.(2024·济南调研)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:y=f(x)上的曲线段AB,其弧长为
Δs,当动点从A 沿曲线段AB运动到B 点时,A 点的切线lA也随着转动到B 点的
切线lB,记这两条切线之间的夹角为Δθ(它等于lB的倾斜角与lA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K=为曲线段AB的平均曲率;显然当B 越接
近A,即Δs 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K=
=(若极限存在)为曲线C 在点A 处的曲率.(其中y′,y″分别表示y=f(x)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+y2=1 在处的曲率;
(3)定义φ(y)=为曲线y=f(x)的“柯西曲率”.已知在曲线f(x)=xln x-2x 上存在
两点P(x1,f(x1))和Q(x2,f(x2)),且P,Q 处的“柯西曲率”相同,求+的取值范
围.
解 (1)K===1.
(2)y=,y′=--,
y″=----,
故y′|x==-,y″|x==-2,
(3)f′(x)=ln x-1,f″(x)=,
故φ(y)===,
其中s=,
令t1=,t2=,
则t1ln t1=t2ln t2,
则ln t1=-,其中t=>1(不妨t2>t1),
令p(x)=xln x,p′(x)=1+ln x⇒p(x)在上单调递减,
在上单调递增,故1>t2>>t1>0;
令h(t)=ln(t1+t2)=ln(t+1)-,
h′(t)=,
令m(t)=ln t-(t>1),
则m′(t)=,
当t>1 时,m′(t)>0 恒成立,
故m(t)在(1,+∞)上单调递增,
可得m(t)>m(1)=0,即ln t->0,
故有h′(t)=>0,
则h(t)在(1,+∞)上单调递增,
故ln(t1+t2)∈(ln 2-1,0),
故+=t1+t2∈.