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数学
题目

求函数U f(x)=2x^2- lnx的单调区间和极值.

求函数的单调区间和极值.

题目解答

答案


由题意得:定义域$(0,+\infty )$
$f'(x)=4x-\dfrac {1} {x}=\dfrac {4{x}^{2}-1} {x}=\dfrac {(2x+1)(2x-1)} {x}$
令$f'(x)=\dfrac {(2x+1)(2x-1)} {x}\gt 0$
解得$x\gt \dfrac {1} {2}$或$x\lt -\dfrac {1} {2}$(舍去)
$\therefore $单调递增区间为$(\dfrac {1} {2},+\infty )$,单调递减区间为$(0,\dfrac {1} {2})$
当$x=\dfrac {1} {2}$时,取极小值$f(\dfrac {1} {2})=2\times \dfrac {1} {4}-ln\dfrac {1} {2}=\dfrac {1} {2}+ln2$
综上所述,结论为:单调递增区间为$(\dfrac {1} {2},+\infty )$,单调递减区间为$(0,\dfrac {1} {2})$;极小值$f(\dfrac {1} {2})=\dfrac {1} {2}+ln2$

解析

本题考查利用导数求函数的单调区间和极值。解题思路如下:

  1. 首先确定函数的定义域,因为对数函数中真数须大于$0$,所以对于函数$f(x)=2x^{2}-\ln x$,其定义域为$(0, +\infty)$。
  2. 然后对函数$f(x)$求导,根据求导公式$(X^n)^\prime=nX^{n - 1}$,$(\ln x)^\prime=\frac{1}{x}$,可得:
    • $f^\prime(x)=(2x^{2}-\ln x)^\prime=(2x^{2})^\prime-(\ln x)^\prime$。
    • 对于$(2x^{2})^\prime$,根据求导公式$(X^n)^\prime=nX^{n - 1}$,这里$n = 2$,系数为$2$,则$(2x^{2})^\prime=2\times2x=4x$;$(\ln x)^\prime=\frac{1}{x}$,所以$f^\prime(x)=4x-\frac{1}{x}$。
    • 为了便于分析$f^\prime(x)$的正负性,对$f^\prime(x)$进行通分,$f^\prime(x)=\frac{4x^{2}}{x}-\frac{1}{x}=\frac{4x^{2}-1}{x}$。
    • 再根据平方差公式$a^2 - b^2=(a + b)(a - b)$,将$4x^{2}-1$因式分解,$4x^{2}-1=(2x)^{2}-1^{2}=(2x + 1)(2x - 1)$,所以$f^\prime(x)=\frac{(2x + 1)(2x - 1)}{x}$。
  3. 接着求函数的单调区间:
    • 令$f^\prime(x)\gt{}0$,即$\frac{(2x + 1)(2x - 1)}{x}\gt{}0$。因为$x\in(0, +\infty)$,所以$x\gt{}0$,要使分式大于$0$,则分子$(2x + 1)(2x - 1)\gt{}0$。
    • 令$(2x + 1)(2x - 1)=0$,则$2x + 1 = 0$或$2x - 1 = 0$,解得$x=-\frac{1}{2}$或$x=\frac{1}{2}$。
    • 结合二次函数$y=(2x + 1)(2x - 1)=4x^{2}-1$的图象性质(二次项系数$4\gt{}0$,图象开口向上),不等式$(2x + 1)(2x - 1)\gt{}0$的解为$x\gt{}\frac{1}{2}$或$x\lt{}-\frac{1}{2}$,又因为$x\in(0, +\infty)$,所以舍去$x\lt{}-\frac{1}{2}$,得到$x\gt{}\frac{1}{2}$,即函数$f(x)$的单调递增区间为$(\frac{1}{2}, +\infty)$。
    • 令$f^\prime(x)\lt{}0$,即$\frac{(2x + 1)(2x - 1)}{x}\lt{}0$,因为$x\in(0, +\infty)$,所以$x\gt{}0$,要使分式小于$0$,则分子$(2x + 1)(2x - 1)\lt{}0$。
    • 由前面分析可知不等式$(2x + 1)(2x - 1)\lt{}0$的解为$-\frac{1}{2}\lt{}x\lt{}\frac{1}{2}$,又因为$x\in(0, +\infty)$,所以$0\lt{}x\lt{}\frac{1}{2}$,即函数$f(x)$的单调递减区间为$(0,\frac{1}{2})$。
  4. 最后求函数的极值:
    • 根据函数单调性与极值的关系,当函数在某点左侧单调递减,右侧单调递增时,该点为极小值点。
    • 由前面求得函数$f(x)$在$(0,\frac{1}{2})$上单调递减,在$(\frac{1}{2}, +\infty)$上单调递增,所以$x = \frac{1}{2}$是函数$f(x)$的极小值点。
    • 将$x = \frac{1}{2}$代入函数$f(x)=2x^{2}-\ln x$中,可得$f(\frac{1}{2})=2\times(\frac{1}{2})^{2}-\ln\frac{1}{2}$。
    • 先计算$2\times(\frac{1}{2})^{2}=2\times\frac{1}{4}=\frac{1}{2}$,$\ln\frac{1}{2}=-\ln2$,所以$f(\frac{1}{2})=\frac{1}{2}-(-\ln2)=\frac{1}{2}+\ln2$,即函数$f(x)$的极小值为$\frac{1}{2}+\ln2$。

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