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實(shí)際問題中導(dǎo)數(shù)的意義

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高二 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)
3.2.1 實(shí)際問題中導(dǎo)數(shù)的意義
過程:
一、主要知識(shí)點(diǎn):
1. 基本方法:
(1)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)與函數(shù)的單調(diào)性的關(guān)系:設(shè)函數(shù)y=f(x)在某個(gè)區(qū)間內(nèi)有導(dǎo)數(shù),如果在這個(gè)區(qū)間內(nèi) >0,那么函數(shù)y=f(x)為這個(gè)區(qū)間內(nèi)的增函數(shù);如果在這個(gè)區(qū)間內(nèi) <0,那么函數(shù)y=f(x)為這個(gè)區(qū)間內(nèi)的減函數(shù).
(2)用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)單調(diào)區(qū)間的步驟:①求函數(shù)f(x)的導(dǎo)數(shù)f′(x). ②令f′(x)>0解不等式,得x的范圍就是遞增區(qū)間. ③令f′(x)<0解不等式,得x的范圍,就是遞減區(qū)間.
(3)判別f(x0)是極大、極小值的方法:若 滿足 ,且在 的兩側(cè) 的導(dǎo)數(shù)異號(hào),則 是 的極值點(diǎn), 是極值,并且如果 在 兩側(cè)滿足“左正右負(fù)”,則 是 的極大值點(diǎn), 是極大值;如果 在 兩側(cè)滿足“左負(fù)右正”,則 是 的極小值點(diǎn), 是極小值.
(4)求函數(shù)f(x)的極值的步驟:①確定函數(shù)的定義區(qū)間,求導(dǎo)數(shù)f′(x). ②求方程f'(x)=0的根. ③用函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn),順次將函數(shù)的定義區(qū)間分成若干小開區(qū)間,并列成表格. 檢查f'(x)在方程根左右的值的符號(hào),如果左正右負(fù),那么f(x)在這個(gè)根處取得極大值;如果左負(fù)右正,那么f(x)在這個(gè)根處取得極小值;如果左右不改變符號(hào),即都為正或都為負(fù),則f(x)在這個(gè)根處無極值.
(5)利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的最值步驟:(1)求 在 內(nèi)的極值;(2)將 的各極值與 、 比較得出函數(shù) 在 上的最值.
2、基本思想:學(xué)習(xí)的目的,就是要會(huì)實(shí)際應(yīng)用,本講主要是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用導(dǎo)數(shù)知識(shí)解決實(shí)際問題的意識(shí),思想方法以及能力.
解決實(shí)際應(yīng)用問題關(guān)鍵在于建立數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù). 把“問題情景”譯為數(shù)學(xué)語言,找出問題的主要關(guān)系,并把問題的主要關(guān)系近似化,形式化,抽象成數(shù)學(xué)問題,再化為常規(guī)問題,選擇合適的數(shù)學(xué)方法求解.
根據(jù)題設(shè)條件作出圖形,分析各已知條件之間的關(guān)系,借助圖形的特征,合理選擇這些條件間的聯(lián)系方式,適當(dāng)選定變化區(qū)間,構(gòu)造相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,是這部分的主要技巧.

二、典型例題
例1、在邊長為60 cm的正方形鐵片的四角上切去相等的正方形,再把它的邊沿虛線折起,做成一個(gè)無蓋的方底箱子,箱底的邊長是多少時(shí),箱子的容積最大?最大容積是多少?
思路一:設(shè)箱底邊長為x cm,則箱高 cm,得箱子容積V是箱底邊長x的函數(shù): ,從求得的結(jié)果發(fā)現(xiàn),箱子的高恰好是原正方形邊長的 ,這個(gè)結(jié)論是否具有一般性?

變式:從一塊邊長為a的正方形鐵皮的各角截去相等的方塊,把各邊折起來,做成一個(gè)無蓋的箱子,箱子的高是這個(gè)正方形邊長的幾分之幾時(shí),箱子容積最大?

提示: 答案: .
評(píng)注:這是一道實(shí)際生活中的優(yōu)化問題,建立的目標(biāo)函數(shù)是三次函數(shù),用過去的知識(shí)求其最值往往沒有一般方法,即使能求出,也要涉及到較高的技能技巧. 而運(yùn)用導(dǎo)數(shù)知識(shí),求三次目標(biāo)函數(shù)的最值就變得非常簡單,對(duì)于實(shí)際生活中的優(yōu)化問題,如果其目標(biāo)函數(shù)為高次多項(xiàng)式函數(shù),簡單的分式函數(shù),簡單的無理函數(shù),簡單的指數(shù),對(duì)數(shù)函數(shù),或它們的復(fù)合函數(shù),均可用導(dǎo)數(shù)法求其最值. 可見,導(dǎo)數(shù)的引入,大大拓寬了中學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)在實(shí)際優(yōu)化問題中的應(yīng)用空間.

例2、(2006年福建卷)統(tǒng)計(jì)表明,某種型號(hào)的汽車在勻速行駛中每小時(shí)的耗油量為y(升),關(guān)于行駛速度 (千米/小時(shí))的函數(shù)解析式可以表示為:
已知甲、乙兩地相距100千米.
(I)當(dāng)汽車以40千米/小時(shí)的速度勻速行駛時(shí),從甲地到乙地要耗油多少升?
(II)當(dāng)汽車以多大的速度勻速行駛時(shí),從甲地到乙地耗油最少?最少為多少升?
解:(I)當(dāng) 時(shí),汽車從甲地到乙地行駛了 小時(shí),
要耗油 (升).
答:當(dāng)汽車以40千米/小時(shí)的速度勻速行駛時(shí),從甲地到乙地耗油17.5升.
(II)當(dāng)速度為 千米/小時(shí)時(shí),汽車從甲地到乙地行駛了 小時(shí),設(shè)耗油量為 升,
依題意得

令 得
當(dāng) 時(shí), 是減函數(shù);
當(dāng) 時(shí), 是增函數(shù).
當(dāng) 時(shí), 取到極小值
因?yàn)?在 上只有一個(gè)極值,所以它是最小值.
答:當(dāng)汽車以80千米/小時(shí)的速度勻速行駛時(shí),從甲地到乙地耗油最少,最少為11.25升.

例3、求拋物線 上與點(diǎn) 距離最近的點(diǎn).
解:設(shè) 為拋物線 上一點(diǎn),
則 .
與 同時(shí)取到極值.
令 .
由 得 是唯一的駐點(diǎn).
當(dāng) 或 時(shí), 是 的最小值點(diǎn),此時(shí) .
即拋物線 上與點(diǎn) 距離最近的點(diǎn)是(2,2).

例4、煙囪向其周圍地區(qū)散落煙塵而污染環(huán)境. 已知落在地面某處的煙塵濃度與該處至煙囪距離的平方成反比,而與該煙囪噴出的煙塵量成正比,現(xiàn)有兩座煙囪相距20 ,其中一座煙囪噴出的煙塵量是另一座的8倍,試求出兩座煙囪連線上的一點(diǎn),使該點(diǎn)的煙塵濃度最小.
解:不失一般性,設(shè)煙囪A的煙塵量為1,則煙囪B的煙塵量為8 并設(shè)AC= ,
于是點(diǎn)C的煙塵濃度為 ,
其中 為比例系數(shù).

令 ,有 ,
即 .
解得在(0,20)內(nèi)惟一駐點(diǎn) .
由于煙塵濃度的最小值客觀上存在,并在(0,20)內(nèi)取得,
在惟一駐點(diǎn) 處,濃度 最小,即在AB間距A處 處的煙塵濃度最小.

例5、已知拋物線y=-x2+2,過其上一點(diǎn)P引拋物線的切線l,使l與兩坐標(biāo)軸在第一象限圍成的三角形的面積最小,求l的方程.
解:設(shè)切點(diǎn)P(x0,-x02+2)(x0>0),由y=-x2+2得y′=-2x,
∴k1=-2x0.
∴l(xiāng)的方程為y-(-x02+2)=-2x0(x-x0),令y=0,得x= 令x=0,得y=x02+2,
∴三角形的面積為S= ? ?(x02+2)= .
∴S′= . 令S′=0,得x0= (∵x0>0).  
∴當(dāng)0<x0< 時(shí),S′<0; 當(dāng)x0> 時(shí),S′>0.
∴x0= 時(shí),S取極小值 ∵只有一個(gè)極值,
∴x= 時(shí)S最小,此時(shí)k1=- ,切點(diǎn)為( , ).
∴l(xiāng)的方程為y。 =- (x- ),即2 x+3y-8=0.

例6、在甲、乙兩個(gè)工廠,甲廠位于一直線河岸的岸邊A處,乙廠與甲廠在河的同側(cè),乙廠位于離河岸40 km的B處,乙廠到河岸的垂足D與A相距50 km,兩廠要在此岸邊合建一個(gè)供水站C,從供水站到甲廠和乙廠的水管費(fèi)用分別為每千米3a元和5a元,問供水站C建在岸邊何處才能使水管費(fèi)用最?
解:設(shè)∠BCD=Q,則BC= ,CD=40cotθ,(0<θ< =,
∴AC=50-40cotθ
設(shè)總的水管費(fèi)用為f(θ),依題意,有
f(θ)=3a(50-40?cotθ)+5a?
=150a+40a?
∴f′(θ)=40a?
令f′(θ)=0,得cosθ=
根據(jù)問題的實(shí)際意義,當(dāng)cosθ= 時(shí),函數(shù)取得最小值,
此時(shí)sinθ= ,∴cotθ= ,
∴AC=50-40cotθ=20(km),即供水站建在A、D之間距甲廠20 km處,可使水管費(fèi)用最省.

例7、(2006年江蘇卷)請(qǐng)您設(shè)計(jì)一個(gè)帳篷.它下部的形狀是高為1m的正六棱柱,上部的形狀是側(cè)棱長為3m的正六棱錐(如圖所示).試問當(dāng)帳篷的頂點(diǎn)O到底面中心O1的距離為多少時(shí),帳篷的體積最大?

解:設(shè)OO1為 ,則
由題設(shè)可得正六棱錐底面邊長為: ,
故底面正六邊形的面積為:
= ,(單位: )
帳篷的體積為:
(單位: )
求導(dǎo)得 .
令 ,解得 (不合題意,舍去), ,
當(dāng) 時(shí), , 為增函數(shù);
當(dāng) 時(shí), , 為減函數(shù).
∴當(dāng) 時(shí), 最大.
答:當(dāng)OO1為 時(shí),帳篷的體積最大,最大體積為 .
點(diǎn)評(píng):本題主要考查利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的最值的基礎(chǔ)知識(shí),以及運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.
三、小結(jié) :
⑴解有關(guān)函數(shù)最大值、最小值的實(shí)際問題,需要分析問題中各個(gè)變量之間的關(guān)系,找出適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系式,并確定函數(shù)的定義區(qū)間;所得結(jié)果要符合問題的實(shí)際意義.
⑵根據(jù)問題的實(shí)際意義來判斷函數(shù)最值時(shí),如果函數(shù)在此區(qū)間上只有一個(gè)極值點(diǎn),那么這個(gè)極值就是所求最值,不必再與端點(diǎn)值比較.
⑶相當(dāng)多有關(guān)最值的實(shí)際問題用導(dǎo)數(shù)方法解決較簡單
四、課后作業(yè):

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