一元函数微分学的应用
切线与法线
设函数f(x)可导,则曲线y=f(x)在任意一点的切线斜率等于该点的导数值,也就是说,曲线y=f(x)在x=x0处的切线方程可表示为y=f′(x0)(x−x0)+f(x0).当f′(x0)≠0时,该点的法线方程可表示为y=−1f′(x0)(x−x0)+f(x0);当f′(x0)=0时,该点的法线方程为x=x0. \begin{aligned} &\text{设函数}f(x)\text{可导,则曲线}y = f(x)\text{在任意一点的切线斜率等于该点的导数值,}\\&也就是说,曲线y = f(x)\text{在}x = x_0\text{处的切线方程可表示为} \\ &y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0). \\ &\text{当}f'(x_0) \neq 0\text{时,该点的法线方程可表示为} \\ &y = \frac{-1}{f'(x_0)}(x - x_0) + f(x_0); \\ &\text{当}f'(x_0) = 0\text{时,该点的法线方程为} \\ &x = x_0. \end{aligned} 设函数f(x)可导,则曲线y=f(x)在任意一点的切线斜率等于该点的导数值,也就是说,曲线y=f(x)在x=x0处的切线方程可表示为y=f′(x0)(x−x0)+f(x0).当f′(x0)=0时,该点的法线方程可表示为y=f′(x0)−1(x−x0)+f(x0);当f′(x0)=0时,该点的法线方程为x=x0.
单调性与凹凸性
- 单调性的判定
设函数f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导.(i) 如果在(a,b)内有f′(x)≥0, 且f′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上单调递增;(ii) 如果在(a,b)内有f′(x)≤0, 且f′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上单调递减. \begin{aligned} &\text{设函数}f(x)\text{在}[a,b]\text{上连续,在}(a,b)\text{内可导.} \\ & \\ &(\text{i})\ \text{如果在}(a,b)\text{内有}f'(x) \geq 0,\ \text{且}f'(x)\text{不在}(a,b)\text{的任一子区间上恒为零,那么} \\ &\text{函数}f(x)\text{在}[a,b]\text{上单调递增;} \\ & \\ &(\text{ii})\ \text{如果在}(a,b)\text{内有}f'(x) \leq 0,\ \text{且}f'(x)\text{不在}(a,b)\text{的任一子区间上恒为零,那么} \\ &\text{函数}f(x)\text{在}[a,b]\text{上单调递减.} \end{aligned} 设函数f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导.(i) 如果在(a,b)内有f′(x)≥0, 且f′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上单调递增;(ii) 如果在(a,b)内有f′(x)≤0, 且f′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上单调递减. - 凹函数与凸函数的定义
设函数f(x)在区间I上连续,如果对I上任意两点x1,x2恒有f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2, 则称f(x)是I上的凹函数;如果对I上任意两点x1,x2恒有f(x1+x22)>f(x1)+f(x2)2, 则称f(x)是I上的凸函数.【注】①凹凸函数定义等价的描述方式:设函数f(x)在区间I上连续,若对I上任意不同的两点x1,x2及λ∈(0,1),恒有f(λx1+(1−λ)x2)<λf(x1)+(1−λ)f(x2),则称函数在区间I上为凹函数;若对I上任意不同的两点x1,x2及λ∈(0,1),恒有f(λx1+(1−λ)x2)>λf(x1)+(1−λ)f(x2),则称函数在区间I上为凸函数.②几何意义:对于凹函数来说,曲线上任意两点的连线都在该曲线的上方,任意一点的切线都在该曲线的下方;对于凸函数来说,曲线上任意两点的连线都在该曲线的下方,任意一点的切线都在该曲线的上方.③可导函数的情况下,凹函数的导函数是单调递增的,凸函数的导函数是单调递减的. \begin{aligned} &\text{设函数}f(x)\text{在区间}I\text{上连续,如果对}I\text{上任意两点}x_1,x_2\text{恒有} \\ & \\ &f\left( \frac{x_1+x_2}{2} \right) < \frac{f(x_1)+f(x_2)}{2},\ \text{则称}f(x)\text{是}I\text{上的凹函数;如果对}I\text{上任意两点}x_1,x_2 \\ &\text{恒有}f\left( \frac{x_1+x_2}{2} \right) > \frac{f(x_1)+f(x_2)}{2},\ \text{则称}f(x)\text{是}I\text{上的凸函数.} \\ & \\ &\boxed{【注】}①\text{凹凸函数定义等价的描述方式:设函数}f(x)\text{在区间}I\text{上连续,若对}I\text{上任意不} \\ &\text{同的两点}x_1,x_2\text{及}\lambda \in (0,1),\text{恒有}f(\lambda x_1+(1-\lambda)x_2) < \lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2),\text{则称函} \\ &\text{数在区间}I\text{上为凹函数;若对}I\text{上任意不同的两点}x_1,x_2\text{及}\lambda \in (0,1),\text{恒有} \\ &f(\lambda x_1+(1-\lambda)x_2) > \lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2),\text{则称函数在区间}I\text{上为凸函数.} \\ & \\ &②\text{几何意义:对于凹函数来说,曲线上任意两点的连线都在该曲线的上方,任意一点的} \\ &\text{切线都在该曲线的下方;对于凸函数来说,曲线上任意两点的连线都在该曲线的下方,} \\ &\text{任意一点的切线都在该曲线的上方.} \\ & \\ &③\text{可导函数的情况下,凹函数的导函数是单调递增的,凸函数的导函数是单调递减的.} \end{aligned} 设函数f(x)在区间I上连续,如果对I上任意两点x1,x2恒有f(2x1+x2)<2f(x1)+f(x2), 则称f(x)是I上的凹函数;如果对I上任意两点x1,x2恒有f(2x1+x2)>2f(x1)+f(x2), 则称f(x)是I上的凸函数.【注】①凹凸函数定义等价的描述方式:设函数f(x)在区间I上连续,若对I上任意不同的两点x1,x2及λ∈(0,1),恒有f(λx1+(1−λ)x2)<λf(x1)+(1−λ)f(x2),则称函数在区间I上为凹函数;若对I上任意不同的两点x1,x2及λ∈(0,1),恒有f(λx1+(1−λ)x2)>λf(x1)+(1−λ)f(x2),则称函数在区间I上为凸函数.②几何意义:对于凹函数来说,曲线上任意两点的连线都在该曲线的上方,任意一点的切线都在该曲线的下方;对于凸函数来说,曲线上任意两点的连线都在该曲线的下方,任意一点的切线都在该曲线的上方.③可导函数的情况下,凹函数的导函数是单调递增的,凸函数的导函数是单调递减的. - 凹凸性的判定
设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,在开区间(a,b)内具有一阶和二阶导数,那么:(i) 如果在(a,b)内有f′′(x)≥0, 且f′′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上是凹函数;(ii) 如果在(a,b)内有f′′(x)≤0, 且f′′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上是凸函数. \begin{aligned} &\text{设函数}f(x)\text{在闭区间}[a,b]\text{上连续,在开区间}(a,b)\text{内具有一阶和二阶导数,那么:} \\ & \\ &(\text{i})\ \text{如果在}(a,b)\text{内有}f''(x) \geq 0,\ \text{且}f''(x)\text{不在}(a,b)\text{的任一子区间上恒为零,那么} \\ &\text{函数}f(x)\text{在}[a,b]\text{上是凹函数;} \\ & \\ &(\text{ii})\ \text{如果在}(a,b)\text{内有}f''(x) \leq 0,\ \text{且}f''(x)\text{不在}(a,b)\text{的任一子区间上恒为零,那么} \\ &\text{函数}f(x)\text{在}[a,b]\text{上是凸函数.} \end{aligned} 设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,在开区间(a,b)内具有一阶和二阶导数,那么:(i) 如果在(a,b)内有f′′(x)≥0, 且f′′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上是凹函数;(ii) 如果在(a,b)内有f′′(x)≤0, 且f′′(x)不在(a,b)的任一子区间上恒为零,那么函数f(x)在[a,b]上是凸函数.
极值点与拐点
- 极值点的定义
设函数f(x)在点x0的某邻域U(x0)内有定义,如果对任意的x∈U˚(x0),有f(x0)<f(x) (或f(x0)>f(x)),则称f(x0)是函数f(x)的一个极小值(或极大值). \begin{aligned} &\text{设函数}f(x)\text{在点}x_0\text{的某邻域}U(x_0)\text{内有定义,如果对任意的}x \in \mathring{U}(x_0),\text{有} \\ & \\ &f(x_0) < f(x)\ (\text{或}f(x_0) > f(x)),\text{则称}f(x_0)\text{是函数}f(x)\text{的一个极小值(或极大值)}. \end{aligned} 设函数f(x)在点x0的某邻域U(x0)内有定义,如果对任意的x∈U˚(x0),有f(x0)<f(x) (或f(x0)>f(x)),则称f(x0)是函数f(x)的一个极小值(或极大值). - 极值点的判定
a.必要条件:设函数f(x)在x0处可导,并在x0处取得极值,那么f′(x0)=0.b.第一充分条件:设函数f(x)在x0处连续,并在x0的某去心邻域U˚(x0,δ)内可导:(i) 若x∈(x0−δ,x0)时,f′(x)>0, 而x∈(x0,x0+δ)时,f′(x)<0, 则f(x)在x0处取得极大值;(ii) 若x∈(x0−δ,x0)时,f′(x)<0, 而x∈(x0,x0+δ)时,f′(x)>0, 则f(x)在x0处取得极小值;(iii) 若x∈U˚(x0,δ)时,f′(x)符号保持不变,则f(x)在x0处没有极值.c.第二充分条件:设函数f(x)在x0处存在二阶导数且f′(x0)=0, 那么:(i) 若f′′(x0)>0, 则f(x)在x0处取得极小值;(ii) 若f′′(x0)<0, 则f(x)在x0处取得极大值. \begin{aligned} &\text{a.必要条件:设函数}f(x)\text{在}x_0\text{处可导,并在}x_0\text{处取得极值,那么}f'(x_0) = 0. \\ & \\ &\text{b.第一充分条件:设函数}f(x)\text{在}x_0\text{处连续,并在}x_0\text{的某去心邻域}\mathring{U}(x_0,\delta)\text{内可导:} \\ &\quad (\text{i})\ \text{若}x \in (x_0-\delta,x_0)\text{时,}f'(x) > 0,\ \text{而}x \in (x_0,x_0+\delta)\text{时,}f'(x) < 0,\ \text{则}f(x)\text{在}x_0 \\ &\quad \text{处取得极大值;} \\ &\quad (\text{ii})\ \text{若}x \in (x_0-\delta,x_0)\text{时,}f'(x) < 0,\ \text{而}x \in (x_0,x_0+\delta)\text{时,}f'(x) > 0,\ \text{则}f(x)\text{在} \\ &\quad x_0\text{处取得极小值;} \\ &\quad (\text{iii})\ \text{若}x \in \mathring{U}(x_0,\delta)\text{时,}f'(x)\text{符号保持不变,则}f(x)\text{在}x_0\text{处没有极值.} \\ & \\ &\text{c.第二充分条件:设函数}f(x)\text{在}x_0\text{处存在二阶导数且}f'(x_0) = 0,\ \text{那么:} \\ &\quad (\text{i})\ \text{若}f''(x_0) > 0,\ \text{则}f(x)\text{在}x_0\text{处取得极小值;} \\ &\quad (\text{ii})\ \text{若}f''(x_0) < 0,\ \text{则}f(x)\text{在}x_0\text{处取得极大值.} \end{aligned} a.必要条件:设函数f(x)在x0处可导,并在x0处取得极值,那么f′(x0)=0.b.第一充分条件:设函数f(x)在x0处连续,并在x0的某去心邻域U˚(x0,δ)内可导:(i) 若x∈(x0−δ,x0)时,f′(x)>0, 而x∈(x0,x0+δ)时,f′(x)<0, 则f(x)在x0处取得极大值;(ii) 若x∈(x0−δ,x0)时,f′(x)<0, 而x∈(x0,x0+δ)时,f′(x)>0, 则f(x)在x0处取得极小值;(iii) 若x∈U˚(x0,δ)时,f′(x)符号保持不变,则f(x)在x0处没有极值.c.第二充分条件:设函数f(x)在x0处存在二阶导数且f′(x0)=0, 那么:(i) 若f′′(x0)>0, 则f(x)在x0处取得极小值;(ii) 若f′′(x0)<0, 则f(x)在x0处取得极大值. - 拐点的定义
连续函数凹凸性的分界点称为拐点. 连续函数凹凸性的分界点称为拐点. 连续函数凹凸性的分界点称为拐点. - 拐点的判定
a.必要条件:设函数f(x)在x0处二阶可导,并且(x0,f(x0))是它的拐点,那么f′′(x0)=0.b.第一充分条件:设函数f(x)在x0处连续,并在x0的某去心邻域U˚(x0,δ)内二阶可导,若在点x0两侧函数的二阶导数异号,则点(x0,f(x0))为函数f(x)的拐点;若在点x0两侧函数的二阶导数同号,则点(x0,f(x0))不是函数f(x)的拐点.c.第二充分条件:设函数f(x)在x0处三阶可导,若在点x0处f′′(x0)=0, 且有f′′′(x0)≠0, 则点(x0,f(x0))为函数f(x)的拐点. \begin{aligned} &\text{a.必要条件:设函数}f(x)\text{在}x_0\text{处二阶可导,并且}(x_0,f(x_0))\text{是它的拐点,那么} \\ &f''(x_0) = 0. \\ & \\ &\text{b.第一充分条件:设函数}f(x)\text{在}x_0\text{处连续,并在}x_0\text{的某去心邻域}\mathring{U}(x_0,\delta)\text{内二阶可导,} \\ &\text{若在点}x_0\text{两侧函数的二阶导数异号,则点}(x_0,f(x_0))\text{为函数}f(x)\text{的拐点;若在点}x_0\text{两} \\ &\text{侧函数的二阶导数同号,则点}(x_0,f(x_0))\text{不是函数}f(x)\text{的拐点.} \\ & \\ &\text{c.第二充分条件:设函数}f(x)\text{在}x_0\text{处三阶可导,若在点}x_0\text{处}f''(x_0) = 0,\ \text{且有} \\ &f'''(x_0) \neq 0,\ \text{则点}(x_0,f(x_0))\text{为函数}f(x)\text{的拐点.} \end{aligned} a.必要条件:设函数f(x)在x0处二阶可导,并且(x0,f(x0))是它的拐点,那么f′′(x0)=0.b.第一充分条件:设函数f(x)在x0处连续,并在x0的某去心邻域U˚(x0,δ)内二阶可导,若在点x0两侧函数的二阶导数异号,则点(x0,f(x0))为函数f(x)的拐点;若在点x0两侧函数的二阶导数同号,则点(x0,f(x0))不是函数f(x)的拐点.c.第二充分条件:设函数f(x)在x0处三阶可导,若在点x0处f′′(x0)=0, 且有f′′′(x0)=0, 则点(x0,f(x0))为函数f(x)的拐点.
曲率
- 曲率
曲线y=f(x)在点(x,y)处的曲率为K=∣y′′∣(1+(y′)2)32. \text{曲线}y = f(x)\text{在点}(x,y)\text{处的曲率为}K = \frac{|y''|}{\left(1+(y')^2\right)^{\frac{3}{2}}}. 曲线y=f(x)在点(x,y)处的曲率为K=(1+(y′)2)23∣y′′∣. - 曲率半径
ρ=1K \rho = \frac{1}{K} ρ=K1 - 曲率圆
在M(x0,y0)点的法线上取曲线凹向一侧的一点D,使得DM=ρ,则以点D为圆心,ρ为半径的圆称之为曲线在点M处的曲率圆.经计算可得,曲率圆的方程为(x−α)2+(y−β)2=ρ2,其中α=x0−y′[1+(y′)2]y′′,β=y0+1+(y′)2y′′. \begin{aligned} &\text{在}M(x_0,y_0)\text{点的法线上取曲线凹向一侧的一点}D,\text{使得}DM = \rho,\text{则以点}D\text{为圆心,} \\ &\rho\text{为半径的圆称之为曲线在点}M\text{处的曲率圆.} \\ & \\ &\text{经计算可得,曲率圆的方程为}(x-\alpha)^2 + (y-\beta)^2 = \rho^2,\text{其中} \\ &\alpha = x_0 - \frac{y'\left[1+(y')^2\right]}{y''}, \\ &\beta = y_0 + \frac{1+(y')^2}{y''}. \end{aligned} 在M(x0,y0)点的法线上取曲线凹向一侧的一点D,使得DM=ρ,则以点D为圆心,ρ为半径的圆称之为曲线在点M处的曲率圆.经计算可得,曲率圆的方程为(x−α)2+(y−β)2=ρ2,其中α=x0−y′′y′[1+(y′)2],β=y0+y′′1+(y′)2.
多元函数微分学的应用
无条件极值
- 多元函数极值的定义
设点P0是函数z=f(x,y)的定义域D的内点,若存在P0的邻域U(P0),使得对任意异于P0的点P∈U(P0),都有f(P)<f(P0),则称函数z=f(x,y)在点P0有极大值,点P0称为函数z=f(x,y)的极大值点.类似地,可以定义极小值与极小值点.极大值与极小值统称为极值,极大值点与极小值点统称为极值点. \begin{aligned} &\text{设点}P_0\text{是函数}z = f(x,y)\text{的定义域}D\text{的内点,若存在}P_0\text{的邻域}U(P_0),\text{使得对任意异} \\ &\text{于}P_0\text{的点}P \in U(P_0),\text{都有}f(P) < f(P_0),\text{则称函数}z = f(x,y)\text{在点}P_0\text{有极大值,} \\ &\text{点}P_0\text{称为函数}z = f(x,y)\text{的极大值点.类似地,可以定义极小值与极小值点.极大值与极} \\ &\text{小值统称为极值,极大值点与极小值点统称为极值点.} \end{aligned} 设点P0是函数z=f(x,y)的定义域D的内点,若存在P0的邻域U(P0),使得对任意异于P0的点P∈U(P0),都有f(P)<f(P0),则称函数z=f(x,y)在点P0有极大值,点P0称为函数z=f(x,y)的极大值点.类似地,可以定义极小值与极小值点.极大值与极小值统称为极值,极大值点与极小值点统称为极值点. - 多元函数极值的判定
a.必要条件:设函数z=f(x,y)在(x0,y0)点具有偏导数,且在该点取得极值,则有fx′(x0,y0)=0, fy′(x0,y0)=0.b.充分条件:设函数z=f(x,y)在(x0,y0)点的某邻域内具有连续的一阶及二阶偏导数,又设fx′(x0,y0)=0, fy′(x0,y0)=0. 令fxx′′(x0,y0)=A, fxy′′(x0,y0)=B,fyy′′(x0,y0)=C.(i) 若AC−B2>0, 则函数z=f(x,y)在(x0,y0)点具有极值.且当A>0时取得极小值;当A<0时取得极大值.(ii) 若AC−B2<0, 则函数z=f(x,y)在(x0,y0)点不取极值.(iii) 若AC−B2=0, 则函数z=f(x,y)在(x0,y0)点可能取极值,也可能不取极值. \begin{aligned} &\text{a.必要条件:设函数}z = f(x,y)\text{在}(x_0,y_0)\text{点具有偏导数,且在该点取得极值,则有} \\ &f_x'(x_0,y_0) = 0,\ f_y'(x_0,y_0) = 0. \\ & \\ &\text{b.充分条件:设函数}z = f(x,y)\text{在}(x_0,y_0)\text{点的某邻域内具有连续的一阶及二阶偏导数,} \\ &\text{又设}f_x'(x_0,y_0) = 0,\ f_y'(x_0,y_0) = 0.\ \text{令}f_{xx}''(x_0,y_0) = A,\ f_{xy}''(x_0,y_0) = B, \\ &f_{yy}''(x_0,y_0) = C. \\ & \\ &\quad (\text{i})\ \text{若}AC - B^2 > 0,\ \text{则函数}z = f(x,y)\text{在}(x_0,y_0)\text{点具有极值.且当}A > 0\text{时取得极} \\ &\quad \text{小值;当}A < 0\text{时取得极大值.} \\ &\quad (\text{ii})\ \text{若}AC - B^2 < 0,\ \text{则函数}z = f(x,y)\text{在}(x_0,y_0)\text{点不取极值.} \\ &\quad (\text{iii})\ \text{若}AC - B^2 = 0,\ \text{则函数}z = f(x,y)\text{在}(x_0,y_0)\text{点可能取极值,也可能不取极值.} \end{aligned} a.必要条件:设函数z=f(x,y)在(x0,y0)点具有偏导数,且在该点取得极值,则有fx′(x0,y0)=0, fy′(x0,y0)=0.b.充分条件:设函数z=f(x,y)在(x0,y0)点的某邻域内具有连续的一阶及二阶偏导数,又设fx′(x0,y0)=0, fy′(x0,y0)=0. 令fxx′′(x0,y0)=A, fxy′′(x0,y0)=B,fyy′′(x0,y0)=C.(i) 若AC−B2>0, 则函数z=f(x,y)在(x0,y0)点具有极值.且当A>0时取得极小值;当A<0时取得极大值.(ii) 若AC−B2<0, 则函数z=f(x,y)在(x0,y0)点不取极值.(iii) 若AC−B2=0, 则函数z=f(x,y)在(x0,y0)点可能取极值,也可能不取极值.
条件极值和拉格朗日乘数法
模型:求函数z=f(x,y)在约束条件φ(x,y)=0下的极值点.方法:(i) 作拉格朗日函数L(x,y,λ)=f(x,y)+λφ(x,y);(ii) 求拉格朗日函数的驻点,即解方程组{fx′(x,y)+λφx′(x,y)=0fy′(x,y)+λφy′(x,y)=0φ(x,y)=0;(iii) 根据实际条件判断所求出的点是极大值点还是极小值点.此方法还可以推广到变量多于两个,约束条件多于一个的情形.如求函数u=f(x,y,z)在约束条件φ(x,y,z)=0, ψ(x,y,z)=0下的极值点,只需要把拉格朗日函数改为L(x,y,z,λ,μ)=f(x,y,z)+λφ(x,y,z)+μψ(x,y,z)即可. \begin{aligned} &\text{模型:求函数}z = f(x,y)\text{在约束条件}\varphi(x,y) = 0\text{下的极值点.} \\ &\text{方法:} \\ &\quad (\text{i})\ \text{作拉格朗日函数}L(x,y,\lambda) = f(x,y) + \lambda\varphi(x,y); \\ &\quad (\text{ii})\ \text{求拉格朗日函数的驻点,即解方程组}\begin{cases} f_x'(x,y) + \lambda\varphi_x'(x,y) = 0 \\ f_y'(x,y) + \lambda\varphi_y'(x,y) = 0 \\ \varphi(x,y) = 0 \end{cases}; \\ &\quad (\text{iii})\ \text{根据实际条件判断所求出的点是极大值点还是极小值点.} \\ &\text{此方法还可以推广到变量多于两个,约束条件多于一个的情形.} \\ &\text{如求函数}u = f(x,y,z)\text{在约束条件}\varphi(x,y,z) = 0,\ \psi(x,y,z) = 0\text{下的极值点,只需要} \\ &\text{把拉格朗日函数改为}L(x,y,z,\lambda,\mu) = f(x,y,z) + \lambda\varphi(x,y,z) + \mu\psi(x,y,z)\text{即可.} \end{aligned} 模型:求函数z=f(x,y)在约束条件φ(x,y)=0下的极值点.方法:(i) 作拉格朗日函数L(x,y,λ)=f(x,y)+λφ(x,y);(ii) 求拉格朗日函数的驻点,即解方程组⎩⎨⎧fx′(x,y)+λφx′(x,y)=0fy′(x,y)+λφy′(x,y)=0φ(x,y)=0;(iii) 根据实际条件判断所求出的点是极大值点还是极小值点.此方法还可以推广到变量多于两个,约束条件多于一个的情形.如求函数u=f(x,y,z)在约束条件φ(x,y,z)=0, ψ(x,y,z)=0下的极值点,只需要把拉格朗日函数改为L(x,y,z,λ,μ)=f(x,y,z)+λφ(x,y,z)+μψ(x,y,z)即可.
导数的几何意义和物理意义
切线与法线
{求方程(导数){直角坐标(导数计算6种题型)极坐标(转化为参数方程求导)相切的充要条件:{f(x0)=g(x0)f′(x0)=g′(x0) \begin{aligned} &\begin{cases} \text{求方程(导数)}\begin{cases} \text{直角坐标(导数计算6种题型)} \\ \text{极坐标(转化为参数方程求导)} \end{cases} \\ \text{相切的充要条件:}\begin{cases} f(x_0) = g(x_0) \\ f'(x_0) = g'(x_0) \end{cases} \end{cases} \end{aligned} ⎩⎨⎧求方程(导数){直角坐标(导数计算6种题型)极坐标(转化为参数方程求导)相切的充要条件:{f(x0)=g(x0)f′(x0)=g′(x0)
![![[Pasted image 20251205091320.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/34a5ab57ef1945d6a373543614c6fe5b.png)
解:对数螺线ρ=eθ的直角坐标方程为{x=ρcosθ=eθcosθy=ρsinθ=eθsinθ则dydx=y′(θ)x′(θ)=eθsinθ+eθcosθeθcosθ−eθsinθdydx∣θ=π2=−1, (eπ2,π2)对应的直角坐标点为(0,eπ2)直角坐标条件为y=−x+eπ2 \begin{aligned} &\text{解:对数螺线}\rho = e^\theta\text{的直角坐标方程为} \\ &\begin{cases} x = \rho\cos\theta = e^\theta\cos\theta \\ y = \rho\sin\theta = e^\theta\sin\theta \end{cases} \\ &\text{则}\frac{dy}{dx} = \frac{y'(\theta)}{x'(\theta)} = \frac{e^\theta\sin\theta + e^\theta\cos\theta}{e^\theta\cos\theta - e^\theta\sin\theta} \\ & \\ &\left. \frac{dy}{dx} \right|_{\theta = \frac{\pi}{2}} = -1,\ \left(e^{\frac{\pi}{2}},\frac{\pi}{2}\right)\text{对应的直角坐标点为}\left(0,e^{\frac{\pi}{2}}\right) \\ &\text{直角坐标条件为}y = -x + e^{\frac{\pi}{2}} \end{aligned} 解:对数螺线ρ=eθ的直角坐标方程为{x=ρcosθ=eθcosθy=ρsinθ=eθsinθ则dxdy=x′(θ)y′(θ)=eθcosθ−eθsinθeθsinθ+eθcosθdxdyθ=2π=−1, (e2π,2π)对应的直角坐标点为(0,e2π)直角坐标条件为y=−x+e2π
【小结】1.本题的难点在于对极坐标方程求导数,核心是要知道ρ是关于θ的函数,只要遇到极坐标表示的方程,一律利用{x=ρ(θ)cosθ,y=ρ(θ)sinθ,转化为参数方程. \begin{aligned} &\boxed{【小结】}1.\text{本题的难点在于对极坐标方程求导数,核心是要知道}\rho\text{是关于}\theta\text{的函数,只} \\ &\text{要遇到极坐标表示的方程,一律利用}\begin{cases} x = \rho(\theta)\cos\theta, \\ y = \rho(\theta)\sin\theta, \end{cases}\text{转化为参数方程.} \end{aligned} 【小结】1.本题的难点在于对极坐标方程求导数,核心是要知道ρ是关于θ的函数,只要遇到极坐标表示的方程,一律利用{x=ρ(θ)cosθ,y=ρ(θ)sinθ,转化为参数方程.
![![[Pasted image 20251205094221.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/6eb4c16e96564aabbf6f8923b21ccbab.png)
{f(1)=12−1=0f′(1)=(2x−1)∣x=1=1①因为f(x)在x=1可导,故f−′(1)=f′(1)解:limn→∞nf(nn+2)=limn→∞f(nn+2)−f(1)nn+2−1⋅(nn+2−1)⋅n=−2f−′(1)=①−2f′(1)=−2⋅1=−2n→∞时,nn+2→1− \begin{aligned} &\begin{cases} f(1) = 1^2 - 1 = 0 \\ f'(1) = (2x - 1)\big|_{x=1} = 1 \end{cases} \quad ①\text{因为}f(x)\text{在}x=1\text{可导,故}f'_{-}(1)=f'(1) \\ & \\ &\text{解:}\lim\limits_{n \to \infty} nf\left(\frac{n}{n+2}\right) = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{f\left(\frac{n}{n+2}\right)-f(1)}{\frac{n}{n+2}-1} \cdot \left(\frac{n}{n+2}-1\right) \cdot n = -2f'_{-}(1) \\ &\xlongequal{\text{①}} -2f'(1) = -2 \cdot 1 = -2 \\ & \\ &n \to \infty\text{时,}\frac{n}{n+2} \to 1^- \end{aligned} {f(1)=12−1=0f′(1)=(2x−1)x=1=1①因为f(x)在x=1可导,故f−′(1)=f′(1)解:n→∞limnf(n+2n)=n→∞limn+2n−1f(n+2n)−f(1)⋅(n+2n−1)⋅n=−2f−′(1)①−2f′(1)=−2⋅1=−2n→∞时,n+2n→1−
改题设曲线f(x)={1−xx≥1f+′(1)=−1x−1x<1f−′(1)=1则,limn→∞nf(nn+2)= ‾limn→∞nf(nn+2)=−2f−′(1)=−2.②求limn→∞n⋅f(n+2n)=−2f+′(1)=−2⋅(−1)=2. \begin{aligned} &\text{改题} \\ &\text{设曲线}f(x) = \begin{cases} 1 - x & x \geq 1 \qquad f'_+(1) = -1\\ x - 1 & x < 1 \qquad f'_-(1) = 1\end{cases}\text{则,}\\ & \lim\limits_{n \to \infty} nf\left( \frac{n}{n+2} \right) = \underline{\ \ \ \ \ }\\ &\\ &\lim\limits_{n \to \infty} nf\left( \frac{n}{n+2} \right) =-2f'_-(1) = -2. \\ & \\ &\text{②求}\lim\limits_{n \to \infty} n \cdot f\left( \frac{n+2}{n} \right) = -2f'_+(1) = -2 \cdot (-1) = 2. \end{aligned} 改题设曲线f(x)={1−xx−1x≥1f+′(1)=−1x<1f−′(1)=1则,n→∞limnf(n+2n)= n→∞limnf(n+2n)=−2f−′(1)=−2.②求n→∞limn⋅f(nn+2)=−2f+′(1)=−2⋅(−1)=2.
【小结】本题的关键是记住两条曲线y=f(x)与y=g(x)在点x=x0处相切的充要条件为f(x0)=g(x0)且f′(x0)=g′(x0). \begin{aligned} &\boxed{【小结】}\text{本题的关键是记住两条曲线}y = f(x)\text{与}y = g(x)\text{在点}x = x_0\text{处相切的充要条} \\ &\text{件为}f(x_0) = g(x_0)\text{且}f'(x_0) = g'(x_0). \end{aligned} 【小结】本题的关键是记住两条曲线y=f(x)与y=g(x)在点x=x0处相切的充要条件为f(x0)=g(x0)且f′(x0)=g′(x0).
关于单侧极限的总结:若limx→1+f(x)=1, limx→1−f(x)=−1, 则① limx→(−1)+f(−x)=−1② limx→1−f(1x)=1③ limx→0f(cosx)=−1(cosx≤1, cosx→1−)④ limn→∞f(n+1n)=−1(n+1n<1, n+1n→1−)⑤ limx→0+f(sinxx)=−1(x→0+, sinx<x, sinxx<1, sinxx→1−)⑥ limx→0−f(sinxx)=−1(x→0−, sinx>x, sinxx<1, sinxx→1−)limx→0f(sinxx)=−1⑦ limx→1f(x2−2x+2)=1(x→1, x2−2x+2=(x−1)2+1≥1, x2−2x+2→1+) \begin{aligned} &\text{关于单侧极限的总结:} \\ &\text{若}\lim\limits_{x \to 1^+} f(x) = 1,\ \lim\limits_{x \to 1^-} f(x) = -1,\ \text{则} \\ &①\ \lim\limits_{x \to (-1)^+} f(-x) = -1 \\ &②\ \lim\limits_{x \to 1^-} f\left(\frac{1}{x}\right) = 1 \\ &③\ \lim\limits_{x \to 0} f(\cos x) = -1\quad (\cos x \leq 1,\ \cos x \to 1^-) \\ &④\ \lim\limits_{n \to \infty} f\left(\frac{n+1}{n}\right) = -1\quad \left(\frac{n+1}{n} < 1,\ \frac{n+1}{n} \to 1^-\right) \\ &⑤\ \lim\limits_{x \to 0^+} f\left(\frac{\sin x}{x}\right) = -1\quad \left(x \to 0^+,\ \sin x < x,\ \frac{\sin x}{x} < 1,\ \frac{\sin x}{x} \to 1^-\right) \\ &⑥\ \lim\limits_{x \to 0^-} f\left(\frac{\sin x}{x}\right) = -1\quad \left(x \to 0^-,\ \sin x > x,\ \frac{\sin x}{x} < 1,\ \frac{\sin x}{x} \to 1^-\right) \\ &\quad \lim\limits_{x \to 0} f\left(\frac{\sin x}{x}\right) = -1 \\ &⑦\ \lim\limits_{x \to 1} f(x^2 - 2x + 2) = 1\quad \left(x \to 1,\ x^2 - 2x + 2 = (x-1)^2 + 1 \geq 1,\ x^2 - 2x + 2 \to 1^+\right) \end{aligned} 关于单侧极限的总结:若x→1+limf(x)=1, x→1−limf(x)=−1, 则① x→(−1)+limf(−x)=−1② x→1−limf(x1)=1③ x→0limf(cosx)=−1(cosx≤1, cosx→1−)④ n→∞limf(nn+1)=−1(nn+1<1, nn+1→1−)⑤ x→0+limf(xsinx)=−1(x→0+, sinx<x, xsinx<1, xsinx→1−)⑥ x→0−limf(xsinx)=−1(x→0−, sinx>x, xsinx<1, xsinx→1−)x→0limf(xsinx)=−1⑦ x→1limf(x2−2x+2)=1(x→1, x2−2x+2=(x−1)2+1≥1, x2−2x+2→1+)
导数的物理意义
![![[Pasted image 20251205094456.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/29fd089714164019b6f52cbbdd5068df.png)
解:设在t时刻,P点的坐标为(x0,49x02)S=12(1+49x02)⋅x0−∫0x049u2du=12x0+29x03−∫0x049u2dudSdt=dSdx0⋅dx0dt=(12+23x02−49x02)⋅dx0dtdSdt∣x0=3=(12+29x02)∣x0=3⋅dx0dt∣x0=3=52⋅4=10 \begin{aligned} &\text{解:设在}t\text{时刻,}P\text{点的坐标为}\left(x_0,\frac{4}{9}x_0^2\right) \\ &S = \frac{1}{2}\left(1 + \frac{4}{9}x_0^2\right) \cdot x_0 - \int_{0}^{x_0} \frac{4}{9}u^2 du \\ &= \frac{1}{2}x_0 + \frac{2}{9}x_0^3 - \int_{0}^{x_0} \frac{4}{9}u^2 du \\ & \\ &\frac{dS}{dt} = \frac{dS}{dx_0} \cdot \frac{dx_0}{dt} = \left( \frac{1}{2} + \frac{2}{3}x_0^2 - \frac{4}{9}x_0^2 \right) \cdot \frac{dx_0}{dt} \\ & \\ &\left. \frac{dS}{dt} \right|_{x_0=3} = \left. \left( \frac{1}{2} + \frac{2}{9}x_0^2 \right) \right|_{x_0=3} \cdot \left. \frac{dx_0}{dt} \right|_{x_0=3} \\ &= \frac{5}{2} \cdot 4 = 10 \end{aligned} 解:设在t时刻,P点的坐标为(x0,94x02)S=21(1+94x02)⋅x0−∫0x094u2du=21x0+92x03−∫0x094u2dudtdS=dx0dS⋅dtdx0=(21+32x02−94x02)⋅dtdx0dtdSx0=3=(21+92x02)x0=3⋅dtdx0x0=3=25⋅4=10
改题已知曲线L:x=32y,若P运动到点(3,4)时沿y轴正方向的速度是4,求此时S关于时间t的变化率.解:设在t时刻,P点坐标为(32y, y)S=12(1−y)⋅32y+∫0y32udu=34y−34y2+∫0y32ududSdt=dSdy⋅dydt=(34−32y+32)⋅dydtdSdt∣y=4=34dydt∣y=4=3 \begin{aligned} & 改题\\ &\text{已知曲线}L: x = \frac{3}{2}\sqrt{y},\text{若}P\text{运动到点}(3,4)\text{时} \\ &\text{沿}y\text{轴正方向的速度是}4,\text{求此时}S\text{关于时间}t\text{的变化率.} \\ & \\ &\text{解:设在}t\text{时刻,}P\text{点坐标为}\left( \frac{3}{2}\sqrt{y},\ y \right) \\ &S = \frac{1}{2}(1 - y) \cdot \frac{\sqrt{3}}{2}y + \int_{0}^{y} \frac{\sqrt{3}}{2}u du \\ &= \frac{\sqrt{3}}{4}y - \frac{\sqrt{3}}{4}y^2 + \int_{0}^{y} \frac{\sqrt{3}}{2}u du \\ & \\ &\frac{dS}{dt} = \frac{dS}{dy} \cdot \frac{dy}{dt} = \left( \frac{\sqrt{3}}{4} - \frac{\sqrt{3}}{2}y + \frac{\sqrt{3}}{2} \right) \cdot \frac{dy}{dt} \\ & \\ &\left. \frac{dS}{dt} \right|_{y=4} = \frac{\sqrt{3}}{4} \left. \frac{dy}{dt} \right|_{y=4} = \sqrt{3} \end{aligned} 改题已知曲线L:x=23y,若P运动到点(3,4)时沿y轴正方向的速度是4,求此时S关于时间t的变化率.解:设在t时刻,P点坐标为(23y, y)S=21(1−y)⋅23y+∫0y23udu=43y−43y2+∫0y23ududtdS=dydS⋅dtdy=(43−23y+23)⋅dtdydtdSy=4=43dtdyy=4=3
【小结】1.本题求的是面积关于时间的变化率,求解的关键是利用题目所给条件列出面积S和时间t关系式,然后直接求导即可得到变化率.2.本题的难点有两个,第一个是正确理解“P点沿x轴正方向的速度是4”实质上是dxdt=4; 第二个是对函数关系的梳理. \begin{aligned} &\boxed{【小结】}1.\text{本题求的是面积关于时间的变化率,求解的关键是利用题目所给条件列出面} \\ &\text{积}S\text{和时间}t\text{关系式,然后直接求导即可得到变化率.} \\ &2.\text{本题的难点有两个,第一个是正确理解“}P\text{点沿}x\text{轴正方向的速度是}4\text{”实质上是} \\ &\frac{dx}{dt} = 4;\ \text{第二个是对函数关系的梳理.} \end{aligned} 【小结】1.本题求的是面积关于时间的变化率,求解的关键是利用题目所给条件列出面积S和时间t关系式,然后直接求导即可得到变化率.2.本题的难点有两个,第一个是正确理解“P点沿x轴正方向的速度是4”实质上是dtdx=4; 第二个是对函数关系的梳理.
曲率
{公式: 曲率K=∣y′′∣(1+(y′)2)32, ρ=1K,几何意义{①曲率: 弯曲程度越大, 曲率就越大②曲线抱着曲率圆. \begin{aligned} &\begin{cases} \text{公式: 曲率}K = \frac{|y''|}{\left(1+(y')^2\right)^{\frac{3}{2}}},\ \rho = \frac{1}{K}, \\ \text{几何意义}\begin{cases} ①\text{曲率: 弯曲程度越大, 曲率就越大} \\ ②\text{曲线抱着曲率圆.} \end{cases} \end{cases} \end{aligned} ⎩⎨⎧公式: 曲率K=(1+(y′)2)23∣y′′∣, ρ=K1,几何意义{①曲率: 弯曲程度越大, 曲率就越大②曲线抱着曲率圆.
![![[Pasted image 20251205094743.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/cc0a04cb0ae1442bb91799510b2e0a77.png)
解: dydx=y′(t)x′(t)=2t+42t=1+2t,dydx∣t=1=3d2ydx2=d(1+2t)dt⋅1dxdt=(−2t2)⋅12t=−1t3,d2ydx2∣t=1=−1K=∣−1∣(1+32)32=11010,R=1K=1010, 选(C) \begin{aligned} &\text{解: } \frac{dy}{dx} = \frac{y'(t)}{x'(t)} = \frac{2t + 4}{2t} = 1 + \frac{2}{t}, \quad \left. \frac{dy}{dx} \right|_{t=1} = 3 \\ & \\ &\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d\left(1 + \frac{2}{t}\right)}{dt} \cdot \frac{1}{\frac{dx}{dt}} = \left(-\frac{2}{t^2}\right) \cdot \frac{1}{2t} = -\frac{1}{t^3}, \quad \left. \frac{d^2y}{dx^2} \right|_{t=1} = -1 \\ & \\ &K = \frac{|-1|}{\left(1 + 3^2\right)^{\frac{3}{2}}} = \frac{1}{10\sqrt{10}}, \quad R = \frac{1}{K} = 10\sqrt{10},\ \text{选}(C) \end{aligned} 解: dxdy=x′(t)y′(t)=2t2t+4=1+t2,dxdyt=1=3dx2d2y=dtd(1+t2)⋅dtdx1=(−t22)⋅2t1=−t31,dx2d2yt=1=−1K=(1+32)23∣−1∣=10101,R=K1=1010, 选(C)
【小结】本题只要写出曲率公式,以及曲率半径R=1K,再根据参数方程求出一阶导数和二阶导数,代入到公式中求解即可. \begin{aligned} &\boxed{【小结】}\text{本题只要写出曲率公式,以及曲率半径}R = \frac{1}{K},\text{再根据参数方程求出一阶导} \\ &\text{数和二阶导数,代入到公式中求解即可.} \end{aligned} 【小结】本题只要写出曲率公式,以及曲率半径R=K1,再根据参数方程求出一阶导数和二阶导数,代入到公式中求解即可.
![![[Pasted image 20251205095037.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/4d3fd4916f22412b98c398e77afe3d2c.png)
解: 因为fi(x) (i=1,2)且有二阶连续导数,fi′′(x0)>0, (i=1,2)则由保号性可知,在x0的附近,fi′′(x)<0, i=1,2,曲线fi(x) (i=1,2)是凸的,弯曲程度越大,曲率越大.故可得g(x)≥f2(x)≥f1(x), 选(A) \begin{aligned} &\text{解: 因为}f_i(x)\ (i=1,2)\text{且有二阶连续导数,}f_i''(x_0)>0,\ (i=1,2) \\ &\text{则由保号性可知,在}x_0\text{的附近,}f_i''(x)<0,\ i=1,2, \\ &\text{曲线}f_i(x)\ (i=1,2)\text{是凸的,弯曲程度越大,曲率越大.} \\ &\text{故可得}g(x)\geq f_2(x)\geq f_1(x),\ \text{选}(A) \end{aligned} 解: 因为fi(x) (i=1,2)且有二阶连续导数,fi′′(x0)>0, (i=1,2)则由保号性可知,在x0的附近,fi′′(x)<0, i=1,2,曲线fi(x) (i=1,2)是凸的,弯曲程度越大,曲率越大.故可得g(x)≥f2(x)≥f1(x), 选(A)
【小结】对于选择题,考生可以采用图形法进行快速求解.在本题中,根据曲率越大,曲线的弯曲程度越大的性质,以及f1(x)与f2(x)均为凸函数,画出两个函数以及公切线图形,从而快速得到答案. \begin{aligned} &\boxed{【小结】}\text{对于选择题,考生可以采用图形法进行快速求解.在本题中,根据曲率越大,曲} \\ &\text{线的弯曲程度越大的性质,以及}f_1(x)\text{与}f_2(x)\text{均为凸函数,画出两个函数以及公切线} \\ &\text{图形,从而快速得到答案.} \end{aligned} 【小结】对于选择题,考生可以采用图形法进行快速求解.在本题中,根据曲率越大,曲线的弯曲程度越大的性质,以及f1(x)与f2(x)均为凸函数,画出两个函数以及公切线图形,从而快速得到答案.
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选B
【小结】本题的关键在于考生需要准确理解曲率圆的定义及几何意义,应用图形法的时候应当准确画出函数,切线以及曲率圆的图形.曲率的考点虽然简单,但是有两个层次的要求,第一是记公式,第二,是理解几何意义。分别是曲率和曲率圆的几何意义。 \begin{aligned} &\boxed{【小结】}\text{本题的关键在于考生需要准确理解曲率圆的定义及几何意义,应用图形法的时} \\ &\text{候应当准确画出函数,切线以及曲率圆的图形.} \\ &\text{曲率的考点虽然简单,但是有两个层次的要求,第一是记公式,第二,是理解几何意义。} \\ &\text{分别是曲率和曲率圆的几何意义。} \end{aligned} 【小结】本题的关键在于考生需要准确理解曲率圆的定义及几何意义,应用图形法的时候应当准确画出函数,切线以及曲率圆的图形.曲率的考点虽然简单,但是有两个层次的要求,第一是记公式,第二,是理解几何意义。分别是曲率和曲率圆的几何意义。
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