函数单调性的判定方法

1函数单调性的判定方法1.判断具体函数单调性的方法对于给出具体解析式的函数，由函数单调性的定义出发，本文列举的判断函数单调性的方法有如下几种：1.1定义法首先我们给出单调函数的定义。一般地，设f为定义在D上的函数。若对任何1x、Dx2，当21xx时，总有(1))()(21xfxf，则称f为D上的增函数，特别当成立严格不等)()(21xfxf时，称f为D上的严格增函数；(2))()(21xfxf,则称f为D上的减函数，特别当成立严格不等式)()(21xfxf时，称f为D上的严格减函数。给出函数单调性的定义，我们就可以利用函数单调性的定义来判定及证明函数的单调性。用单调性的定义判断函数单调性的方法叫定义法。利用定义来证明函数)(xfy在给定区间D上的单调性的一般步骤：（1）设元，任取1x,Dx2且21xx；（2）作差)()(21xfxf；（3）变形（普遍是因式分解和配方）；（4）断号（即判断)()(21xfxf差与0的大小）；（5）定论（即指出函数)(xf在给定的区间D上的单调性）。例1.用定义证明)()(3Raaxxf在),(上是减函数。证明：设1x,),(2x，且21xx，则).)(()()()(212221123132323121xxxxxxxxaxaxxfxf2由于043)2(22221212221xxxxxxx，012xx则0))(()()(2122211221xxxxxxxfxf，即)()(21xfxf，所以)(xf在,上是减函数。例2.用定义证明函数xkxxf)()0(k在),0(上的单调性。证明：设1x、),0(2x，且21xx，则)()()()(221121xkxxkxxfxf)()(2121xkxkxx)()(211221xxxxkxx)()(212121xxxxkxx))((212121xxkxxxx，又210xx所以021xx，021xx，当1x、],0(2kx时021kxx0)()(21xfxf，此时函数)(xf为减函数；当1x、),(2kx时021kxx0)()(21xfxf，此时函数)(xf为增函数。综上函数xkxxf)()0(k在区间],0(k内为减函数；在区间),(k内为增函数。此题函数)(xf是一种特殊函数（对号函数），用定义法证明时通常需要进行因式分解，由于kxx21与0的大小关系)0(k不是明确的，因此要分段讨论。用定义法判定函数单调性比较适用于那种对于定义域内任意两个数21,xx当21xx时，容易得出)(1xf与)(2xf大小关系的函数。在解决问题时，定义法是最直接的方法，也是我们首先考虑的方法，虽说这种方法思路比较清晰，但通常过程比较繁琐。1.2函数性质法函数性质法是用单调函数的性质来判断函数单调性的方法。函数性质法通常与我们常见的简单函数的单调性结合起来使用。对于一些常见的简单函数的单调性如下表：3函数函数表达式单调区间特殊函数图像一次函数)0(kbkxy当0k时，y在R上是增函数；当0k时，y在R上是减函数。二次函数cbxaxy2),,,0(Rcbaa当0a时，abx2时y单调减,abx2时y单调增；当0a时，abx2时y单调增，abx2时y单调减。反比例函数xkyRk(且0k)当0k时,y在0x时单调减，在0x时单调减；当0k时,y在0x时单调增，在0x时单调增。指数函数xay)1,0(aa当1a时，y在R上是增函数；当10a，时y在R上是减函数。4对数函数xyalog)1,0(aa当1a时，y在),0(上是增函数；当10a时，y在),0(上是减函数。对于一些常用的关于函数单调的性质可总结如下几个结论：⑴．)(xf与)(xf+C单调性相同。（C为常数）⑵．当0k时，)(xf与)(xkf具有相同的单调性；当0k时，)(xf与)(xkf具有相反的单调性。⑶．当)(xf恒不等于零时，)(xf与)(1xf具有相反的单调性。⑷．当)(xf、)(xg在D上都是增（减）函数时，则)(xf＋)(xg在D上是增（减）函数。⑸．当)(xf、)(xg在D上都是增（减）函数且两者都恒大于0时，)(xf)(xg在D上是增（减）函数；当)(xf、)(xg在D上都是增（减）函数且两者都恒小于0时，)(xf)(xg在D上是减（增）函数。⑹．设)(xfy,Dx为严格增（减）函数，则f必有反函数1f，且1f在其定义域)(Df上也是严格增（减）函数。我们可以借助以上简单函数的单调性来判断函数的单调性，下面我们来看以下几个例子：例3.判断5)1(2log)(21323xxxxxfx的单调性。解:函数)(xf的定义域为),0(，由简单函数的单调性知在此定义域内323log,,xxx均为增函数，因为021x,012x由性质⑸可得)1(221xx也是增函数；由单调函数的性质⑷知xxx23log为增函数，再由性质⑴知函数)1(2log)(21323xxxxxfx+5在),0(为单调递增函数。5例4.设函数)0()(babxaxxf，判断)(xf在其定义域上的单调性。解:函数bxaxxf)(的定义域为),(),(bb.先判断)(xf在),(b内的单调性，由题可把bxaxxf)(转化为bxbaxf1)(，又0ba故0ba由性质⑶可得bx1为减函数；由性质⑵可得bxba为减函数；再由性质⑴可得bxbaxf1)(在),(b内是减函数。同理可判断)(xf在),(b内也是减函数。故函数bxaxxf)(在),(),(bb内是减函数。函数性质法只能借助于我们熟悉的单调函数去判断一些函数的单调性，因此首先把函数等价地转化成我们熟悉的单调函数的四则混合运算的形式，然后利用函数单调性的性质去判断，但有些函数不能化成简单单调函数四则混合运算形式就不能采用这种方法。1.3图像法用函数图像来判断函数单调性的方法叫图像法。根据单调函数的图像特征，若函数)(xf的图像在区间I上从左往右逐渐上升则函数)(xf在区间I上是增函数；若函数)(xf图像在区间I上从左往右逐渐下降则函数)(xf在区间I上是减函数。、例5.如图1-1是定义在闭区间[-5,5]上的函数)(xfy的图像，试判断其单调性。解：由图像可知：函数)(xfy的单调区间有[-5,-2），[-2,1），[1,3），[3,5）.其中函数)(xfy在区间[-5,-2），[1,3）上的图像是从左往右逐渐下降的，则函数)(xfy在区间[-5,-2），[1,3）为减函数；函数)(xfy在区间[-2,1），[3,5]上的图像是从往右逐渐上升的，则函数)(xfy在区间[-2,1），[3,5]上是增函数。例6.利用函数图像判断函数1)(xxf；xxg2)(；12)(xxhx在[-3,3]６上的单调性。分析：观察三个函数，易见)()()(xgxfxh，作图一般步骤为列表、描点、作图。首先作出1)(xxf和xxg2)(的图像，再利用物理学上波的叠加就可以大致作出12)(xxhx的图像，最后利用图像判断函数12)(xxhx的单调性。解:作图像1-2如下所示：由以上函数图像得知函数1)(xxf在闭区间[-3,3]上是单调增函数；xxg2)(在闭区间[-3,3]上是单调增函数；利用物理上波的叠加可以直接大致作出12)(xxhx在闭区间[-3,3]上图像，即12)(xxhx在闭区间[-3,3]上是单调增函数。事实上本题中的三个函数也可以直接用函数性质法判断其单调性。用函数图像法判断函数单调性比较直观，函数图像能够形象的表示出随着自变量的增加，相应的函数值的变化趋势，但作图通常较烦。对于较容易作出图像的函数用图像法比较简单直观，可以类似物理上波的叠加来大致画出图像。而对于不易作图的函数就不太适用了。但如果我们借助于相关的数学软件去作函数的图像，那么用图像法判断函数单调性是非常简单方便的。1.4复合函数单调性判断法定理1：若函数)(ufy在U内单调，)g(xu在X内单调，且集合{u︳)g(xu，Xx}U（1）若)(ufy是增函数，)g(xu是增（减）函数，则)]([xgfy是增（减）函数。（2）若)(ufy是减函数，)g(xu是增（减）函数，则)]([xgfy是减（增）函数。7归纳此定理，可得口诀：同则增，异则减（同增异减）复合函数单调性的四种情形可列表如下：情形函数单调性第①种情形第②种情形第③种情形第④种情形内层函数)(xgu外层函数)(ufy复合函数)]([xgfy显然对于大于2次的复合函数此法也成立。推论：若函数)(xfy是K(K≥2),NK)个单调函数复合而成其中有Km个减函数：①是减函数时，则当)(12xfykm；②是增函数时，则当)(2xfykm。判断复合函数)]([xgfy的单调性的一般步骤：⑴合理地分解成两个基本初等函数)(),(xguufy；⑵分别解出两个基本初等函数的定义域；⑶分别确定单调区间；⑷若两个基本初等函数在对应区间上的单调性是同时单调递增或同单调递减，则)]([xgfy为增函数，若为一增一减，则)]([xgfy为减函数（同增异减）；⑸求出相应区间的交集，既是复合函数)]([xgfy的单调区间。以上步骤可以用八个字简记“一分”，“二求”，“三定”，“四交”。利用“八字”求法可以解决一些复合函数的单调性问题。下面我们就用“八字”求法来判断函数的单调性。例7.求)253(log)(2xxxfa（0a且1a）的单调区间。解：由题可得函数)253(log)(2xxxfa是由外函数uyalog和内函数2532xxu符合而成。由题知函数)(xf的定义域是),31()2,(。内函数82532xxu在),31(内为增函数，在)2,(内为减函数。①若1a，外函数uyalog为增函数，由同增异减法则，故函数)(xf在),31(上是增函数；函数)(xf在2,上是减函数。②若10a，外函数uyalog为减函数，由同增异减法则，故函数)(xf在),31(上是减函数；函数)(xf在2,上是增函数。1.5导数法我们在前面也曾利用函数图像的特点判断函数的增减性，图像上升则递增，图像下降则递减．用定义法、图像法等这些初等方法来判断函数的单调性，一般比较繁杂，下面我们将以导数为工具来判断函数的单调性。函数)(xf的导数)('xf反映了函数增加或减小的快慢，即变化率．因此我们可以利用导数判断函数的单调性．这种用导数的符号来判断函数单调性的方法叫导数法。在给定区间内只要能求出其导数我们就可以用导数法来判断函数单调性。为此先看如下定理：定理2：设)(xf在区间I上可导，则)(xf在I上递增（减）的充要条件是：)0(0)(xf.即)(xf在区间I上可导，且)(xf在I上递增（减）)0(0)(xf。导数法判断函数)(xfy单调性的一般步骤：(1)首先确定函数)(xf的定义域(判断函数的单调性，必须首先考虑其定义域)；(2)求导数)(xf；(3)在)(xf的定义域内)('xf与0的大小关系；(4)写出)(xf的单调区间．下面我们来看下面几个例题：例8.确定函数32)(2xxxf的单调区间．解：32)(2xxxf的定义域为R，22)('xxf，解不等式022x得1x所以32)(2xxxf在(1，＋∞)内是增函数；解不等式022x得1x所以932)(2xxxf在(－