例1.已知函數(shù),.
(1)若恰為的極小值點.
(?。┳C明:;
(ⅱ)求在區(qū)間上的零點個數(shù);
(2)若,,
又由泰勒級數(shù)知:,.證明:.
【解析】解:(1)證明:(?。┯深}意得:,
因為為函數(shù)的極值點,所以,
令,則,在上單調(diào)遞增,
因為,
所以在上有唯一的零點,
所以;
(ⅱ)由(?。┲海?,,
①當(dāng)時,由,,,得:,
所以在上單調(diào)遞減,,
所以在區(qū)間上不存在零點;
②當(dāng)時,設(shè),則,
若,令,則,
所以在上單調(diào)遞減,因為;
所以存在,滿足,
當(dāng)時,,在上單調(diào)遞增;
當(dāng)時,,在上單調(diào)遞減;
若,令,則,
所以在區(qū)間上單調(diào)遞減,所以,
又因為,
所以,在上單調(diào)遞減;
若,則,在上單調(diào)遞減;
由得,在上單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減,
因為,,
所以存在使得,
所以當(dāng)時,,在上單調(diào)遞增,,
當(dāng)時,,在上單調(diào)遞減,
因為,,所以在區(qū)間上有且只有一個零點;
綜上,在區(qū)間上的零點個數(shù)為2個;
(2)因為①
對,
兩邊求導(dǎo)得:,
,
所以②
比較①②式中的系數(shù),得:
所以.
例2.已知函數(shù).
(1)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間;
(2)若,對,恒成立,求實數(shù)的取值范圍;
(3)當(dāng)時.若正實數(shù),滿足,,,,證明:.
【解析】解:(1),,△,
①時,恒成立,
故函數(shù)在遞增,無遞減區(qū)間,
②時,或,
故函數(shù)在,,遞增,在,遞減,
綜上,時,函數(shù)在遞增,無遞減區(qū)間,
時,函數(shù)在,,遞增,在,遞減,
(2),對,恒成立,
即,時,恒成立,
令,,則,
令,
則,在遞減且(1),
時,,,遞增,
當(dāng),,,遞減,
(1),
綜上,的范圍是,.
(3)證明:當(dāng)時,,
,不妨設(shè),
下先證:存在,,使得,
構(gòu)造函數(shù),
顯然,且,
則由導(dǎo)數(shù)的幾何意義可知,存在,,使得,
即存在,,使得,
又為增函數(shù),
,即,
設(shè),則,,
①,
②,
由①②得,,
即.
例3.英國數(shù)學(xué)家泰勒發(fā)現(xiàn)了如下公式:,其中,此公式有廣泛的用途,例如利用公式得到一些不等式:當(dāng)時,,,,.
(1)證明:當(dāng)時,;
(2)設(shè),若區(qū)間,滿足當(dāng)定義域為,時,值域也為,,則稱為的“和諧區(qū)間”,
(?。r,是否存在“和諧區(qū)間”?若存在,求出的所有“和諧區(qū)間”,若不存在,請說明理由;
(ⅱ)時,是否存在“和諧區(qū)間”?若存在,求出的所有“和諧區(qū)間”,若不存在,請說明理由.
【解析】(1)證明:由已知當(dāng)時,,
得,
所以當(dāng)時,.
(2)時,假設(shè)存在,則由知,注意到,
故,所以在,單調(diào)遞增,
于是,即,是方程的兩個不等實根,
易知不是方程的根,
由已知,當(dāng)時,,
令,則有時,,即,
故方程只有一個實根0,故不存在和諧區(qū)間.
時,假設(shè)存在,則由知,
若,,則由,,,知,與值域是,,矛盾,
故不存在和諧區(qū)間,
同理,,時,也不存在,
下面討論,
若,則,故最小值為,于是,
所以,
所以最大值為2,故,
此時的定義域為,,值域為,,符合題意.
若,當(dāng)時,同理可得,,舍去,
當(dāng)時,在,上單調(diào)遞減,
所以,于是,
若即,則,故,,
與矛盾;
若,同理,矛盾,
所以,即,
由(1)知當(dāng)時,,
因為,所以,從而,,從而,矛盾,
綜上所述,有唯一的和諧區(qū)間,.
例4.給出以下三個材料:
①若函數(shù)可導(dǎo),我們通常把導(dǎo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做的二階導(dǎo)數(shù),記作.類似地,二階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做三階導(dǎo)數(shù),記作,三階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做四階導(dǎo)數(shù)
一般地,階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做階導(dǎo)數(shù),記作,.
②若,定義.
③若函數(shù)在包含的某個開區(qū)間上具有階的導(dǎo)數(shù),那么對于任一有,
我們將稱為函數(shù)在點處的階泰勒展開式.例如,在點處的階泰勒展開式為.
根據(jù)以上三段材料,完成下面的題目:
(1)求出在點處的3階泰勒展開式,并直接寫出在點處的3階泰勒展開式;
(2)比較(1)中與的大?。?br>(3)已知不小于其在點處的3階泰勒展開式,證明:時,.
【解析】(1)解:因為,則,,,
所以,,,
故,即,
同理可得,;
(2)解:由(1)可知,,,
令,則,
則,,
所以在上單調(diào)遞增,又,
故當(dāng)時,,故單調(diào)遞減,
當(dāng)時,,故單調(diào)遞增,
所以的最小值為,所以,
故在上單調(diào)遞增,又,
所以當(dāng)時,,當(dāng)時,,
綜上所述,當(dāng)時,;當(dāng)時,;當(dāng)時,.
(3)證明:令,則,
所以.則在上單調(diào)遞增,又,
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以,即,
因為在點處的3階泰勒展開式為:,
所以,
又在處的3階泰勒展開式為:,
當(dāng)時,,
所以當(dāng)時,,
故.
例5.利用拉格朗日(法國數(shù)學(xué)家,插值公式,可以把二次函數(shù)表示成的形式.
(1)若,,,,,把的二次項系數(shù)表示成關(guān)于的函數(shù),并求的值域(此處視為給定的常數(shù),答案用表示);
(2)若,,,,求證:.
【解析】(1)解:由題意,
又,所以,
當(dāng)時,,則的值域是;
當(dāng)時,,所以的值域是,,.
(2)證明:因為,,,,
所以,
,
因為,,,,
所以,,
所以,
所以,

因為,,,,
所以,,
所以,
所以,
綜上,原不等式成立.
例6.用拉格朗日中值定理證明不等式:.
【解析】證明:設(shè),,
則符合拉格朗日中值定理的條件,即存在,
使,
因為,由,,
可知,,,
即,
可得,
即有,
令,可得,
即有.
例7.已知函數(shù)、,的圖象在,(2)處的切線與軸平行.
(1)求,的關(guān)系式并求的單調(diào)減區(qū)間;
(2)證明:對任意實數(shù),關(guān)于的方程:在,恒有實數(shù)解;
(3)結(jié)合(2)的結(jié)論,其實我們有拉格朗日中值定理:若函數(shù)是在閉區(qū)間,上連續(xù)不斷的函數(shù),且在區(qū)間內(nèi)導(dǎo)數(shù)都存在,則在內(nèi)至少存在一點,使得.如我們所學(xué)過的指、對數(shù)函數(shù),正、余弦函數(shù)等都符合拉格朗日中值定理條件.試用拉格朗日中值定理證明:
當(dāng)時,(可不用證明函數(shù)的連續(xù)性和可導(dǎo)性).
【解析】解:(1)因為,(1分)
由已知有(2),所以即(2分)
即,由知.
當(dāng)時得或,的減區(qū)間為;(3分)
當(dāng)時得:,的減區(qū)間為和;(4分)
綜上所述:當(dāng)時,的減區(qū)間為;
當(dāng)時,的減區(qū)間為和;(5分)
(2),(6分)
,
可化為,令(7分)
則,,
即又因為,所以,,即,(8分)
故在區(qū)間,內(nèi)必有解,
即關(guān)于的方程在,恒有實數(shù)解(9分)
(3)令,,(10分)
則符合拉格朗日中值定理的條件,即存在,
使(11分)
因為,由,可知,(12分)
即,
(14分)
例8.已知,,
(1)若在處取得極值,試求的值和的單調(diào)增區(qū)間;
(2)如圖所示,若函數(shù)的圖象在,連續(xù)光滑,試猜想拉格朗日中值定理:即一定存在,使得,利用這條性質(zhì)證明:函數(shù)圖象上任意兩點的連線斜率不小于.
【解析】解:(1),(1分)
依題意,有,即.(2分)
,.
令,得或,(5分)
從而的單調(diào)增區(qū)間為:及;(6分)
(2);,(7分)
(9分).(12分)
由(2)知,對于函數(shù)圖象上任意兩點、,在、之間一定存在一點,(c),使得(c),又,故有(c),證畢.(14分)
【同步練習(xí)】
一、單選題
1.十八世紀早期,英國數(shù)學(xué)家泰勒發(fā)現(xiàn)了公式,(其中,,,),現(xiàn)用上述公式求的值,下列選項中與該值最接近的是( )
A.B.
C.D.
【答案】C
【解析】因為,
則,
當(dāng)時,則有,
又 ,

,
故選∶C.
2.公元1715年英國數(shù)學(xué)家布魯克·泰在他的著作中陳述了“泰勒公式”,如果滿足一定的條件,泰勒公式可以用函數(shù)在某一點的各階導(dǎo)數(shù)值構(gòu)建一個多項式來近似表達這個函數(shù).泰勒公式將一些復(fù)雜函數(shù)近似地表示為簡單的多項式函數(shù),使得它成為分析和研究許多數(shù)學(xué)問題的有力工具,例如:,其中,,試用上述公式估計的近似值為(精確到0.001)( )
A.1.647B.C.D.1.646
【答案】B
【解析】由題意可知,結(jié)果只需精確到0.001即可,
令,取前6項可得:
所以的近似值為,
故選:B.
3.計算器是如何計算,,,,等函數(shù)值的呢?計算器使用的是數(shù)值計算法,其中一種方法是用容易計算的多項式近似地表示這些函數(shù),通過計算多項式的值求出原函數(shù)的值,如,,其中,英國數(shù)學(xué)家泰勒發(fā)現(xiàn)了這些公式,可以看出,右邊的項用得越多,計算得出的和的值也就越精確.運用上述思想,可得到的近似值為( )
A.0.50B.0.52C.0.54D.0.56
【答案】C
【解析】由題意可得,,
故.
故選:.
二、填空題
4.英國數(shù)學(xué)家泰勒(1685-1731)以發(fā)現(xiàn)泰勒公式和泰勒級數(shù)聞名于世,由泰勒公式,我們得到(其中e為自然對數(shù)的底數(shù),),其拉格朗日余項是可以看出,右邊的項用得越多,計算得到的e的近似值也就越精確.若近似地表示e的泰勒公式的拉格朗日余項不超過時,正整數(shù)n的最小值是_____
【答案】6
【解析】依題意得,即,,,所以的最小值是6.
故答案為:6
三、解答題
5.給出以下三個材料:①若函數(shù)可導(dǎo),我們通常把導(dǎo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做的二階導(dǎo)數(shù),記作.類似地,二階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做三階導(dǎo)數(shù),記作,三階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做四階導(dǎo)數(shù)……一般地,階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做階導(dǎo)數(shù),記作.②若,定義.③若函數(shù)在包含的某個開區(qū)間上具有階的導(dǎo)數(shù),那么對于任一有,我們將稱為函數(shù)在點處的階泰勒展開式.例如,在點處的階泰勒展開式為.根據(jù)以上三段材料,完成下面的題目:
(1)求出在點處的階泰勒展開式,并直接寫出在點處的階泰勒展開式;
(2)比較(1)中與的大小.
(3)證明:.
【解析】(1),,,
,,,
,即;
同理可得:;
(2)由(1)知:,,
令,則,
,,
在上單調(diào)遞增,又,
當(dāng)時,,單調(diào)遞減;當(dāng)時,,單調(diào)遞增;
,,
在上單調(diào)遞增,又,
當(dāng)時,;當(dāng)時,;
綜上所述:當(dāng)時,;當(dāng)時,;當(dāng)時,;
(3)令,則,
,在上單調(diào)遞增,
又,在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
,即;
在點處的階泰勒展開式為:,
,當(dāng)且僅當(dāng)時取等號,
①當(dāng)時,由(2)可知,,當(dāng)且僅當(dāng)時取等號,所以;
②當(dāng)時,設(shè),,
,,
當(dāng),由(2)可知,所以,
,即有;
當(dāng)時,,
所以,時,單調(diào)遞減,從而,即.
綜上所述:.
6.在高等數(shù)學(xué)中,我們將在處可以用一個多項式函數(shù)近似表示,具體形式為:(其中表示的n次導(dǎo)數(shù)),以上公式我們稱為函數(shù)在處的泰勒展開式.
(1)分別求,,在處的泰勒展開式;
(2)若上述泰勒展開式中的x可以推廣至復(fù)數(shù)域,試證明:.(其中為虛數(shù)單位);
(3)若,恒成立,求a的范圍.(參考數(shù)據(jù))
【解析】(1)因為函數(shù)在處的泰勒展開式為(其中表示的n次導(dǎo)數(shù)),
所以,,在處的泰勒展開式分別為:
,
,
;
(2)證明:把在處的泰勒展開式中的替換為,可得
,
所以,即;
(3)由在處的泰勒展開式,先證,
令,
,易知,所以在上單調(diào)遞增,
所以,所以在上單調(diào)遞增,所以,
所以在上單調(diào)遞增,所以,
再令,,易得,
所以在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,
而,
所以 恒成立,
當(dāng)時, ,所以成立,
當(dāng)時,令,,易求得,
所以必存在一個區(qū)間,使得在上單調(diào)遞減,
所以時,,不符合題意.
綜上所述,.
7.英國數(shù)學(xué)家泰勒發(fā)現(xiàn)了如下公式:,其中,此公式有廣泛的用途,例如利用公式得到一些不等式:當(dāng)時,,.
(1)證明:當(dāng)時,;
(2)設(shè),若區(qū)間滿足當(dāng)定義域為時,值域也為,則稱為的“和諧區(qū)間”.
(i)時,是否存在“和諧區(qū)間”?若存在,求出的所有“和諧區(qū)間”,若不存在,請說明理由;
(ii)時,是否存在“和諧區(qū)間”?若存在,求出的所有“和諧區(qū)間”,若不存在,請說明理由.
【解析】(1)由已知當(dāng)時,,
得,
所以當(dāng)時,.
(2)(i)時,假設(shè)存在,則由知,注意到,
故,所以在單調(diào)遞增,
于是,即是方程的兩個不等實根,
易知不是方程的根,
由已知,當(dāng)時,,令,則有時,,即,
故方程只有一個實根0,故不存在“和諧區(qū)間”.
(ii)時,假設(shè)存在,則由知
若,則由,知,與值域是矛盾,
故不存在“和諧區(qū)間”,
同理,時,也不存在,
下面討論,
若,則,故最小值為,于是,
所以,
所以最大值為2,故,此時的定義域為,值域為,符合題意.
若,當(dāng)時,同理可得,舍去,
當(dāng)時,在上單調(diào)遞減,所以
,于是,
若即,則,故,
與矛盾;
若,同理,矛盾,
所以,即,
由(1)知當(dāng)時,,
因為,所以,從而,,從而,矛盾,
綜上所述,有唯一的“和諧區(qū)間”.
8.計算器是如何計算,,,,等函數(shù)值的?計算器使用的是數(shù)值計算法,其中一種方法是用容易計算的多項式近似地表示這些函數(shù),通過計算多項式的值求出原函數(shù)的值,如
,
,
其中.
英國數(shù)學(xué)家泰勒(B.Taylr,1685―1731)發(fā)現(xiàn)了這些公式,可以看出,右邊的項用得越多,計算得到的和的值也就越精確.例如,我們用前三項計算,就得到.
像這些公式已被編入計算器內(nèi),計算器利用足夠多的項就可確保其顯示值是精確的.
試用你的計算器計算,并與上述結(jié)果進行比較.
【解析】用計算器計算得,
和數(shù)值比較發(fā)現(xiàn),
通過計算的答案只能精確到小數(shù)點后第3位.
9.給出以下三個材料:①若函數(shù)可導(dǎo),我們通常把導(dǎo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做的二階導(dǎo)數(shù),記作.類似地,二階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做三階導(dǎo)數(shù),記作,三階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做四階導(dǎo)數(shù)……一般地,階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)叫做階導(dǎo)數(shù),記作.②若,定義.③若函數(shù)在包含的某個開區(qū)間上具有階的導(dǎo)數(shù),那么對于任一有,我們將稱為函數(shù)在點處的階泰勒展開式.例如,在點處的階泰勒展開式為.
根據(jù)以上三段材料,完成下面的題目:
(1)求出在點處的階泰勒展開式,并直接寫出在點處的階泰勒展開式;
(2)比較(1)中與的大?。?br>(3)已知不小于其在點處的階泰勒展開式,證明:.
【解析】(1),,,
,,,
,即;
同理可得:;
(2)由(1)知:,,
令,則,
,,
在上單調(diào)遞增,又,
當(dāng)時,,單調(diào)遞減;當(dāng)時,,單調(diào)遞增;
,,
在上單調(diào)遞增,又,
當(dāng)時,;當(dāng)時,;
綜上所述:當(dāng)時,;當(dāng)時,;當(dāng)時,.
(3)令,則,
,在上單調(diào)遞增,又,
在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
,即;
在點處的階泰勒展開式為:,

①由(2)知:當(dāng)時,,
當(dāng)時,;
②由(2)知:當(dāng)時,,
,
令,則,
在上單調(diào)遞減,,即當(dāng)時,,
,;
綜上所述:.
10.已知函數(shù),.
(1)若恰為的極小值點.
①證明:;
②求在區(qū)間上的零點個數(shù);
(2)若,,又由泰勒級數(shù)知:,證明:
【解析】(1)①由題意得:,
因為為函數(shù)的極值點,所以,,
令,則,在上單調(diào)遞增.
因為,,
所以在上有唯一的零點,所以;
②由①知:,,,
(i)當(dāng)時,由,,,,得,
所以在上單調(diào)遞減,,
所以在區(qū)間上不存在零點;
(ii)當(dāng)時,設(shè),則.
(a)若,令,則,
所以在上單調(diào)遞減,
因為,,
所以存在,滿足,
當(dāng)時,,在上單調(diào)遞增;
當(dāng)時,,在上單調(diào)遞減;
(b)若,令,,
則,所以在區(qū)間上單調(diào)遞減,
所以,
又因為,
所以,在上單調(diào)遞減;
(c)若,則,在上單調(diào)遞減.
由(a)(b)(c)得,在上單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減,
因為,,
所以存在使得,
所以,當(dāng)時,,在上單調(diào)遞增,,
當(dāng)時,,在上單調(diào)遞減,
因為,,
所以在區(qū)間上有且只有一個零點.
綜上,在區(qū)間上的零點個數(shù)為個;
(2)因為,(*)
對,
兩邊求導(dǎo)得:,
,
所以,(**)
比較(*)(**)式中的系數(shù),得
所以.
11.英國數(shù)學(xué)家泰勒發(fā)現(xiàn)了如下公式:,其中.這些公式被編入計算工具,計算工具計算足夠多的項就可以確保顯示值的精確性.比如,用前三項計算,就得到.試用你的計算工具計算,并與上述結(jié)果比較.
【解析】依題意,用前5項計算,即

與用前三項計算的結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn),用前5項計算的結(jié)果精確度更高,同時可知,當(dāng)取的項數(shù)足夠多時,可以達到更高的精確度,甚至達到任意精確度的要求.
四、雙空題
12.記為函數(shù)的階導(dǎo)數(shù)且,若存在,則稱階可導(dǎo).英國數(shù)學(xué)家泰勒發(fā)現(xiàn):若在附近階可導(dǎo),則可構(gòu)造(稱為次泰勒多項式)來逼近在附近的函數(shù)值.據(jù)此計算在處的3次泰勒多項式為=_________;在處的10次泰勒多項式中的系數(shù)為_________
【答案】 330
【解析】∵,∴,,
∴,∴;
∵,∴,,,…,,,
∴,,,…,,,
∴.
故的系數(shù)為.
故答案為:;330.

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新高考數(shù)學(xué)二輪復(fù)習(xí)《導(dǎo)數(shù)》壓軸題突破練第16講 同構(gòu)法巧證不等式(2份,原卷版+解析版):

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新高考數(shù)學(xué)二輪復(fù)習(xí)《導(dǎo)數(shù)》壓軸題突破練第15講 證明不等式之虛設(shè)零點(2份,原卷版+解析版):

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