导数在高中数学的应用论文

导数在高中数学的应用[摘要]导数是联系高等数学与初等数学的纽带，高中阶段引进导数的学习有利于学生更好地理解函数的性态，掌握函数思想，搞清曲线的切线问题，学好其他学科并发展学生的思维能力．因而在中学数学教学及解题过程中，可以利用导数思想解决诸如函数（解析式、值域、最（极）值、单调区间等）问题、切线问题、不等式问题、数列问题以及实际应用等问题．[关键词]导数新课程应用导数在现行的高中数学教材中处于一种特殊的地位，是联系高等数学与初等数学的纽带，是高中数学知识的一个重要交汇点，是联系多个章节内容以及解决相关问题的重要工具．本课题期望通过对导数在新课程中的地位以及在中学数学解题应用中的探讨，拓展学生的解题思路，提高学生分析问题和解决问题的能力．一、导数在高中数学新课程中的地位《普通高中数学课程标准(实验)》指出：高中数学课程是由必修课程和选修课程两部分构成的．必修课程是整个高中数学课程的基础，选修课程是在完成必修课程学习的基础上，希望进一步学习数学的学生根据自己的兴趣和需求选修．选修课程由系列1、系列2、系列3、系列4等组成．在系列1和系列2中都选择了导数及其应用．显然，导数的重要性不言而喻．（一）有利于学生更好地理解函数的性态在高中阶段学习函数时，为了理解函数的性态，学生主要学习函数的定义域、值域、单调性、奇偶性、周期性、有界性等．我们知道，函数的这些性质都可以通过函数的图像表示出来，因而，如果能准确地作出函数的图像，函数的性质就一目了然，函数的性态也容易掌握了．如果所涉及的函数是基本初等函数，用描点法就可以作出函数的图像．但是，如果所涉及的函数是非基本初等函数，比如1223xxxy，1xeyx等函数，仅用描点法就很难较为准确地作出图像．但是，掌握了导数的知识之后，学生就可以利用函数的一阶导数判定函数的单调区间、极值点、最值点；利用函数的二阶导数判定函数的凹凸区间、拐点；利用极限的思想找出其水平渐近线和垂直渐近线，然后再结合描点法，就能较为准确地作出函数的图像．这样就有利于学生更好地理解函数的性态，同时也拓宽了学生的知识面．（二）有利于学生更好地掌握函数思想数学上的许多问题，用初等数学方法是不能解决的，或者难以解决，而通过数学模型建立函数关系，利用函数思想，然后用导数来研究其性质，充分发挥导数的工具性和应用性的作用，可以轻松简捷地获得问题的解决，这也正体现和显示了新课程的优越性．其实我们不难发现，函数是建立在中学数学知识和导数之间的一座桥梁，不管是在证明不等式，解决数列求和的有关问题，以及解决一些实际应用问题，我们都可以构造函数模型，并且利用导数，来解决相关问题．（三）有利于学生弄清曲线的切线问题学生由于受“圆上某点的切线”的定义的影响，误认为曲线在某点处的切线，就是与曲线有一个公共点的直线．如果学习了导数的定义及其几何意义后，学生就知道)(xf在点0xx的切线斜率k，正是割线斜率在0xx时的极限，即00)()(lim0xxxfxfkxx．由导数的定义，)(xfk，所以曲线)(xfy在点),(00yx的切线方程是))((000xxxfyy．这就是说：函数f在点0x的导数)(0xf是曲线)(xfy在点),(00yx处的切线斜率[1]．从而，学生就掌握了切线的一般定义：设有曲线C及C上的一点P，在点P外另取曲线C上一点Q，作割线PQ，当点Q沿曲线C趋向点P时，如果割线PQ绕点P旋转而趋向极限位置PT，那么直线PT就称为曲线C在点P处的切线．（四）有利于学生学好其他学科高中的物理、化学等课程都与数学紧密相关，我们所学的导数是微分学的核心概念，它在物理、化学、生物、天文、工程以及地质学等中都有着广泛的应用．微积分所讨论的基本对象是函数，而且以函数的极限为基础．作为微积分的一个重要的分支——微分学，主要涉及变量的“变化率”问题，对于)(xfy，导数)(xf可以解释为y关于x的变化率．在学习并且掌握了导数及其应用以后，学生就可以很容易地根据做变速直线运动物体的运动方程：)(tSS，算出物体的瞬时速度：dtdstV)(、瞬时加速度：22)(dtsdtA；对化学中的反应速度、冷却速度等也都可以通过微积分的方法来解决了．（五）有利于发展学生的思维能力在以前的课程标准中，无论是导数的概念还是应用，更多的是作为一种规则来教、来学．这样造成的后果是：不仅使学生感受不到学习导数有什么好处，反而加重了他们的学习负担．而《普通高中数学课程标准(实验)》就对这一部分内容的教育价值、定位和处理做了一定的变化：即在高中阶段，应通过大量的实例，让学生理解从“平均变化到瞬时变化”、从“有限到无限”的思想，认识和理解这种特殊的极限，通过它了解这种认识世界的思维方式，提高学生的思维能力[2]．再者，还可以让学生体会研究导数所用的思想方法：先研究函数在某一点处的导数，再过渡到一个区间上；在应用导数解决实际问题时，利用函数在某个区间上的性质来研究曲线在某一点处的性质．这种从局部到整体，再由整体到局部的思想方法是很值得学生学习的[2]．总之，通过学习导数，使学生学会以动态的、变化的、无限的变量数学观点来研究问题，而不仅仅是停留在静态的、不变的、有限的常量数学观点上．在学习过程中逐步体会常量与变量、有限与无限、近似与准确、动与静、直与曲的对立与统一，发展学生的辩证思维能力．二、导数在解题中的应用导数作为高中新教材的新增内容之一，它给高中数学增添了新的活力，特别是导数广泛的应用性，为解决函数、切线、不等式、数列、实际等问题带来了新思路、新方法，为我们展现出了一道亮丽的风景线，也使它成为新教材高考试题的热点和命题新的增长点．这几年的高考命题趋势表明：导数已经由以往的“配角”地位上升到“主角”，成为分析问题和解决问题的重要工具．将导数与传统内容结合，不仅能加强能力的考查力度，而且也使试题具有更广泛的实践意义．下面举例探讨导数的应用．（一）利用导数解决函数问题⒈利用导数求函数的解析式用解析式表示函数关系，便于研究函数的性质，而利用导数求函数的解析式，函数的一些基本性质就会显得更加的明了．例1设函数dcxbxaxy23的图像与y轴交点为P点，且曲线在P点处的切线方程为0412yx，若函数在2x处取得极值0，试确定函数的解析式．解因为函数dcxbxaxy23的图像与y轴交点为P点，所以P点的坐标为d,0，又曲线在P点处的切线方程为412xy，P点坐标适合方程，从而4d，又切线斜率12k，故在0x处的导数120xy，而cbxaxy232，cyx0，从而12c，又函数在2x处取得极值0，所以．，02048012412baba解得2a，9b，所以所求函数解析式为4129223xxxy．⒉利用导数求函数的值域求函数的值域是中学数学中的重点，也是难点，方法因题而异，不易掌握．但是，如果采用导数来求解，则较为容易，且一般问题都可行．例2求函数212)(xxxf的值域．分析先确定函数的定义域，然后根据定义域判断)(xf的正负，进而求出函数)(xf的值域．解显然，)(xf定义域为，21，由于12221222221121)(xxxxxxxf，又1222721222xxxxx，可见当21x时，0)(xf．所以212)(xxxf在，21上是增函数．而26)21(f，所以函数212)(xxxf的值域是62，．⒊利用导数求函数的最（极）值求函数的最（极）值是高中数学的重点，也是难点，是高考经常要考查的内容之一，它涉及到了函数知识的很多方面，用导数解决这类问题可以使解题过程简化，步骤清晰，也容易掌握，从而进一步明确了函数的性态．一般地，函数)(xf在闭区间ba,上可导，则)(xf在ba,上的最值求法：(1)求函数)(xf在ba,上的极值点；(2)计算)(xf在极值点和端点的函数值；(3)比较)(xf在极值点和端点的函数值，最大的是最大值，最小的是最小值．例3求函数xxxf3)(3在233，上的最大值和最小值．分析先求出)(xf的极值点，然后比较极值点与区间端点的函数值，即可得该函数在区间233，上的最大值和最小值．解由于)1)(1(3)1(333)(22xxxxxf，则当1,3x或23,1x时，0)(xf，所以13，，231，为函数)(xf的单调增区间；当1,1x时，0)(xf，所以11，为函数)(xf的单调减区间．又因为18)3(f，2)1(f，2)1(f，89)23(f，所以，当3x时，)(xf取得最小值18；当1x时，)(xf取得最大值2．⒋利用导数求函数的单调区间函数的单调性是函数的一个重要性质，是研究函数时经常要注意的一个性质．函数的单调性与函数的导数密切相关，运用导数知识来讨论函数单调性时，结合导数的几何意义，只需考虑)(xf的正负即可，当0)(xf时，)(xf单调递增；当0)(xf时，)(xf单调递减．此方法简单快捷而且适用面广．例4求xxxf3)(3的单调区间．分析应先确定函数)(xf的定义域，再利用导数讨论其单调区间．解显然，)(xf定义域为,00,，又2222)1)(1)(1(333)(xxxxxxxf，由0)(xf，得1x或1x；又由0)(xf，得01x或10x，所以)(xf的增区间为1，和，1，减区间为01，和10，．（二）利用导数解决切线问题⒈求过某一点的切线方程此种题型分为点在曲线上和点在曲线外两种情况，)(0xf的几何意义就是曲线在点))(,(00xfxP处切线的斜率，过P点的切线方程为))(()(000xxxfxfy，但应注意点))(,(00xfxP在曲线)(xfy上，否则易错．例5求曲线xey在原点处的切线方程．分析此类题型为点不在曲线上求切线方程，应先设出切点坐标，表示出切线方程，把已知点代入方程，求出切点坐标后，再求切线方程．解显然点)0,0(不在曲线xey上，由于xey，则设切点坐标为),(00yxP，所以00xey，则过P点的切线方程为)(000xxeeyxx．因为点)0,0(在切线上，所以)(000xeexx，即10x，所以),1(eP，故切线方程为)1(xeey，即0yex．⒉求两曲线切线方程例6已知抛物线xxyC221：和axyC22：，如果直线l同时是1C和2C的切线，称l是1C和2C的公切线，求公切线l的方程．分析本题也可用常规方法求解，但运算量大，过程烦琐，而利用导数知识无疑为解决这类问题提供了新的，简捷的方法，即先分别求出两曲线的切线，利用它们是同一直线来建立关系求解．解由xxyC221：，得22xy，所以曲线1C在点)2,(1211xxxP的切线方程是))(22()2(11121xxxxxy，即211)22(xxxy．(1)由axy2，得xy2，所以曲线2C在点),(222axxQ的切线方程是)(2)(2222xxxaxy，即axxxy2222．(2)若l是过P与Q的公切线，则(1)(2)表示的是同一直线，所以．，axxxx222121222消去2x，得0122121axx，由题意知0)1(244a，所以21a，则2121xx，即点P与Q重合，此时曲线1C和2C有且仅有一条公切线，且公切线方程为014yx．（三）利用导数解决不等式问题纵观这几年的高考，凡涉及到不等式证明的问题，其综合性强、思维量大，因此历来是高考的难点．利用导数证明不等式，就是利用不等式与函数之间的联系，直接或间接等价变形后，结合不等式的结