高等数学笔记-乐经良老师-第四章-微分中值定理和导数的应用-第四节-利用导数研究函数性态

本文详细阐述了微分中值定理在函数极值、单调性和凹凸性判断中的应用。首先介绍了极值的必要条件和充分条件,如费马定理、第一、第二和第三充分条件。接着讨论了函数单调性的判定方法,包括单调性判别法和函数严格单调的充分条件。此外,还讲解了函数凹凸性的定义、判定定理及拐点的概念和性质。最后,提到了渐近线的类型及其计算方法。这些理论在解决实际问题和理解函数行为中起着关键作用。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

高等数学笔记-乐经良

第四章 微分中值定理和导数的应用

第四节 利用导数研究函数性态

一、极值与最值

01 极值
  • 必要条件:费马定理

  • 充分条件(充分非必要条件)

    • 第一充分条件(极值第一判别法)
      f(x)f(x)f(x)​ 在 x0x_0x0​ 连续且在 U∘(x0)\stackrel{\circ}{U}(x_0)U(x0)​ 可导,则

      ​ (1) 当 f′(x)f'(x)f(x)​ 在 x0x_0x0​ 左正右负,x0x_0x0​ 是 f(x)f(x)f(x)​​ 的极大值点;

      ​ (2) 当 f′(x)f'(x)f(x)​ 在 x0x_0x0​ 左负右正,x0x_0x0​ 是 f(x)f(x)f(x)​ 的极小值点;

      ​ (3) 当 f′(x)f'(x)f(x)​ 在 x0x_0x0​ 左右同号,x0x_0x0​ 不是 f(x)f(x)f(x)​​ 的极值点。

    • 第二充分条件(极值第二判别法)

      f(x)f(x)f(x)x0x_0x0 有二阶导数,f′(x0)=0f'(x_0)=0f(x0)=0,则

      ​ (1) 当 f′′(x0)<0f''(x_0) < 0f′′(x0)<0​,f(x)f(x)f(x)​ 在 x0x_0x0​ 取极大值;

      ​ (2) 当 f′′(x0)>0f''(x_0) > 0f′′(x0)>0​,f(x)f(x)f(x)​ 在 x0x_0x0​​​ 取极小值。

    • 第三充分条件

      f′(x0)=f′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=f(n+1)(x0)=0f'(x_0)=f''(x_0)=\cdots=f^{(n-1)}(x_0)=f^{(n+1)}(x_0)=0f(x0)=f′′(x0)==f(n1)(x0)=f(n+1)(x0)=0,而 f(n)(x0)≠0f^{(n)}(x_0)\neq0f(n)(x0)=0

      ​ (1) 若 nnn 为偶数,则 f(x0)f(x_0)f(x0) 是极值,且

      ​ ① 若f(n)(x0)>0f^{(n)}(x_0)>0f(n)(x0)>0,则 f(x0)f(x_0)f(x0)​ 是极小值;

      ​ ② 若f(n)(x0)<0f^{(n)}(x_0)<0f(n)(x0)<0,则 f(x0)f(x_0)f(x0)​ 是极大值。

      ​ (2) 若 nnn 为奇数,则 f(x0)f(x_0)f(x0)​ 不是极值。

  • 驻点

    • f′(x0)=0f'(x_0)=0f(x0)=0 的点为驻点。
    • 对于可导函数,极值点一定是驻点,驻点不一定是极值点。
  • 可能极值点

    ​ (1) 驻点( f′(x0)=0f'(x_0)=0f(x0)=0​​ 的点)

    ​ (2) 尖点(f′(x0)f'(x_0)f(x0) 不存在的点)

02 最值(定义在 [a,b][a,b][a,b]​ 上)
  • 连续函数 f(x)f(x)f(x)​ 的最值点应为极值点区间的端点
    • fmax⁡=max⁡(f(a),f(b),可能极值)f_{\max}=\max(f(a),f(b),\text{可能极值})fmax=max(f(a),f(b),可能极值)
    • fmin⁡=min⁡(f(a),f(b),可能极值)f_{\min}=\min(f(a),f(b),\text{可能极值})fmin=min(f(a),f(b),可能极值)
03 极值与最值的关系

(1) 整体与局部的关系。

(2) 最值可以在端点上取到;极值只能在区间内部取到。

(3) 区间内部,最值一定是极值。

(4) 极大值未必大;极小值未必小。

二、单调性

  • 单调性判别法(可导函数在区间上单调的判定准则)

    • 判定准则

      f(x)f(x)f(x)​ 在区间 III​​ 上可导,则

      ​ (1) f′(x)>0⇔f(x)f'(x) > 0 \Leftrightarrow f(x)f(x)>0f(x)​​​​ 在 III​​​​ 上严格单调增加;

      f′(x)<0⇔f(x)f'(x) < 0 \Leftrightarrow f(x)f(x)<0f(x)​​​​ 在 III​​​​​ 上严格单调减少。

      ​ (2) f′(x)≥0⇔f(x)f'(x) \geq 0 \Leftrightarrow f(x)f(x)0f(x)​​​ 在 III​​​ 上单调增加;

      f′(x)≤0⇔f(x)f'(x) \leq 0 \Leftrightarrow f(x)f(x)0f(x)​​​​​​ 在 III​​​​​​​​ 上单调减少。

    • 说明

      (1) 若 f′(x)f'(x)f(x)​ 仅在 III​​ 内的有限个点为零,函数仍满足严格单调的结论。

      ​ 即,若 f(x)f(x)f(x)​​ 在区间 III​​ 上可导,则

      f′(x)>0 且满足 f′(x)=0 的点的个数为0或有限个⇔f(x)f'(x) > 0 \,\text{且满足}\, f'(x)=0 \,\text{的点的个数为0或有限个} \Leftrightarrow f(x)f(x)>0且满足f(x)=0的点的个数为0或有限个f(x)​​​​​​​​ 在 III​​​​​​​​ 上严格单调增加;

      f′(x)<0 且满足 f′(x)=0 的点的个数为0或有限个⇔f(x)f'(x) < 0 \,\text{且满足}\, f'(x)=0 \,\text{的点的个数为0或有限个} \Leftrightarrow f(x)f(x)<0且满足f(x)=0的点的个数为0或有限个f(x)​ 在 III​ 上严格单调减少。

      (2) III​​ 为闭区间时,端点只要连续,结论不变。

      (3) 对于非严格的单调函数来说,满足 f′(x)=0f'(x)=0f(x)=0 的有无穷多个。

      (4) 逆命题成立吗?=> 不讨论有限点或常数函数的情况下成立。

      (5) 条件更强,结论更严格。

      (6) 若一个函数严格单调增加,那么这个函数的导函数未必大于零,因为这个函数未必连续或可导。

  • 函数严格单调的充分条件(充分非必要条件)

    • 条件一(定义)

      ∀x1<x2\forall x_1<x_2x1<x2​​,有 f(x1)<f(x2)f(x_1)< f(x_2)f(x1)<f(x2)​​,则称 f(x0)f(x_0)f(x0)​​​ 严格单调递增;

      ∀x1>x2\forall x_1>x_2x1>x2​,有 f(x1)<f(x2)f(x_1)< f(x_2)f(x1)<f(x2)​,则称 f(x0)f(x_0)f(x0)​​ 严格单调递减。

    • 条件二(开区间导函数)

      若在 (a,b)(a,b)(a,b)f′(x)>0f'(x)>0f(x)>0,则 f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b)​ 内严格单调递增;

      若在 (a,b)(a,b)(a,b)f′(x)<0f'(x)<0f(x)<0,则 f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b) 内严格单调递减。

    • 条件三(闭区间导函数)

      f(x)∈C[a,b]f(x) \in C[a,b]f(x)C[a,b]​ 且 f(x)∈D(a,b)f(x) \in D(a,b)f(x)D(a,b)​,

      ∀x∈(a,b)\forall x \in(a,b)x(a,b)f′(x)>0f'(x)>0f(x)>0,则 f(x)f(x)f(x)[a,b][a,b][a,b]​ 上严格单调递增;

      ∀x∈(a,b)\forall x \in(a,b)x(a,b)​,f′(x)<0f'(x)<0f(x)<0​,则 f(x)f(x)f(x)​ 在 [a,b][a,b][a,b]​ 上严格单调递减。

三、凹凸性和拐点

01 凹凸性
  • 第一定义

    • f(x)f(x)f(x) 在区间 III 上连续,且 ∀x1,x2∈I\forall x_1,x_2 \in Ix1,x2Iα∈(0,1)\alpha \in (0,1)α(0,1),有 $f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2) \leq \alpha f(x_1)+ (1- \alpha)f(x_2) $,则称 f(x)f(x)f(x)III​ 是下凸的;
  • f(x)f(x)f(x)​​​ 在区间 III​​​ 上连续,且 ∀x1,x2∈I\forall x_1,x_2 \in Ix1,x2I​​​,α∈(0,1)\alpha \in (0,1)α(0,1)​​​,有 $f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2) \geq \alpha f(x_1)+ (1- \alpha)f(x_2) $​​​,则称 f(x)f(x)f(x)​​​ 在 III​​​ 是上凸的。

    • αx1+(1−α)x2\alpha x_1+(1-\alpha)x_2αx1+(1α)x2x1x_1x1x2x_2x2 之间的任意一点。​
  • 第二定义

    • 对连续函数 f(x)f(x)f(x)​​,若 ∀x1<x2\forall x_1<x_2x1<x2​​,有 f(x1+x22)≤f(x1)+f(x2)2f(\frac{x_1+x_2}2) \leq \frac{f(x_1)+f(x_2)}2f(2x1+x2)2f(x1)+f(x2)​​,则曲线 f(x)f(x)f(x)​​​ 为下凸的;
    • 对连续函数 f(x)f(x)f(x)​​​​​,若 ∀x1>x2\forall x_1>x_2x1>x2​​​​​,有 f(x1+x22)≥f(x1)+f(x2)2f(\frac{x_1+x_2}2) \geq \frac{f(x_1)+f(x_2)}2f(2x1+x2)2f(x1)+f(x2)​​​​​,则曲线 f(x)f(x)f(x)​​​​​ 为下凸的。
  • 直观理解

    • 下凸:割线在曲线的上方。
    • 上凸:割线在曲线的下方。
  • 判定定理

    • 凸性第一判别法(利用拉格朗日中值定理证明)

      f(x)∈D(a,b)f(x) \in D(a,b)f(x)D(a,b),则

      ​ (1) f′(x)f'(x)f(x) 严格单调增加时,f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b) 内严格下凸;

      ​ (2) f′(x)f'(x)f(x) 严格单调减少时,f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b)​ 内严格上凸。

      理解:切线斜率逐渐增大/减小。

    • 凸性第二判别法

      f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b) 二阶可导,则

      ​ (1) f′′(x)>0f''(x)>0f′′(x)>0 时,f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b) 内严格下凸;

      ​ (2) f′′(x)<0f''(x)<0f′′(x)<0 时,f(x)f(x)f(x)(a,b)(a,b)(a,b)​ 内严格上凸。

      记忆:f(x)=x2f(x)=x^2f(x)=x2 的二阶导函数为 f′′(x)=2f''(x)=2f′′(x)=2,函数为严格下凸函数。

02 拐点
  • 拐点的定义

    • 定义

      f(x)∈C(a,b),x0∈(a,b)f(x) \in \mathrm{C}(a, b), x_{0} \in(a, b)f(x)C(a,b),x0(a,b)​​​ 是 f(x)f(x)f(x)​​​ 下凸与上凸的分界点,则称 x0x_{0}x0​​​ 是函数 fff​​​ 的拐点,而称 (x0,f(x0))\left(x_{0}, f\left(x_{0}\right)\right)(x0,f(x0))​​​ 为曲线 y=f(x)y=f(x)y=f(x)​​​ 的拐点.

    • 说明

      ​ (1) 曲线在拐点处连续

      ​ (2) 拐点是曲线上的点(联想:极值点是函数值)

  • 必要条件

    • y=f(x)y=f(x)y=f(x)​ 在 U(x0)U(x_0)U(x0)​ 内具有连续的二阶导数,若 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0))(x0,f(x0))​ 是拐点,则 f′′(x0)=0f''(x_0)=0f′′(x0)=0​ .
  • 充分条件

    • 第一充分条件

      连续函数 f(x)f(x)f(x)x0x_0x0 处二阶导数为零或者二阶导数不存在,则

      ​ (1) f′′f''f′′x0x_0x0 两侧异号,x0x_0x0f(x)f(x)f(x)​ 的拐点

      ​ (2) f′′f''f′′x0x_0x0 两侧同号,x0x_0x0 不是 f(x)f(x)f(x) 的拐点

    • 第二充分条件

      y=f(x)y=f(x)y=f(x)​ 在 U(x)U(x)U(x)​ 附近具有三阶导数,若 f′′(x0)=0,f′′′(x0)≠0f''(x_0)=0,f'''(x_0) \neq 0f′′(x0)=0f′′′(x0)=0​,则 (x0,f(x0))\left(x_{0}, f\left(x_{0}\right)\right)(x0,f(x0))​ 是 f(x)f(x)f(x)​​​ 的拐点.

  • 可能拐点

    ​ (1) f′′(x0)=0f''(x_0)=0f′′(x0)=0​ 的点(一阶导函数的驻点)

    ​ (2) f′′(x0)f''(x_0)f′′(x0)​ 不存在的点(一阶导函数的尖点)

四、渐近线

  • 曲线的渐近线
    • 渐近线

      P\mathrm{P}P 是曲线 C\mathrm{C}C 上的一点, O\mathrm{O}O 是原点, L\mathrm{L}L 是一条 直线, 若 lim⁡OP→+∞d(P,L)=0\lim \limits_{O P \rightarrow+\infty} d(P, L)=0OP+limd(P,L)=0,其中 dist⁡(P,L)\operatorname{dist}(\mathrm{P}, \mathrm{L})dist(P,L)P\mathrm{P}PL\mathrm{L}L 的距离, 则称 L\mathrm{L}LC\mathrm{C}C 的渐近线.

    • 几何图示
      在这里插入图片描述

  • 垂直渐近线(铅直渐近线)
    • 垂直渐近线

      lim⁡x→x0+f(x)=∞\lim \limits_{x \rightarrow x_{0}^{+}} f(x)=\inftyxx0+limf(x)=​, 则直线 x=x0x=x_{0}x=x0​ 是曲线 y=f(x)y=f(x)y=f(x)​​的垂直渐近线.

    • 几何图示
      在这里插入图片描述

    • 说明

      x→x0+x \rightarrow x_{0}^{+}xx0+也可为 x→x0−x \rightarrow x_{0}^{-}xx0,表明曲线在渐近线的哪一侧

  • 水平渐近线
    • 水平渐近线

      lim⁡x→+∞f(x)=b\lim \limits_{x \rightarrow+\infty} f(x)=bx+limf(x)=b, 则直线 y=by=by=b 是曲线 y=f(x)y=f(x)y=f(x)的水平渐近线

    • 几何图示
      在这里插入图片描述

    • 说明
      x→+∞x \rightarrow+\inftyx+ 也可为 x→−∞x \rightarrow-\inftyx​, 表明曲线在何方向接近渐近线

  • 斜渐近线
    • 斜渐近线

      如果 y=ax+by=a x+by=ax+b​ 是曲线 y=f(x)y=f(x)y=f(x)​ 是的斜渐近线,则lim⁡x→±∞[f(x)−(ax+b)]=0\lim \limits_{x \rightarrow±\infty}[f(x)-(ax+b)]=0x±lim[f(x)(ax+b)]=0

    • 斜渐近线的求法

      lim⁡x→+∞f(x)x=alim⁡x→+∞[f(x)−ax]=b\lim \limits_{x \rightarrow+\infty} \frac{f(x)}{x}=a \quad \lim \limits_{x \rightarrow+\infty}[f(x)-a x]=bx+limxf(x)=ax+lim[f(x)ax]=b

    • 说明

      x→±∞x \rightarrow ± \inftyx± 时,水平渐近线与斜渐近线不共存

最后

😊为防止河蟹,链接已经通过“与熊论道/熊曰加密”加密处理,将下面的文字复制到“与熊论道/熊曰加密”页面的第二个输入框,点击“领悟熊所言的真谛”即可查看链接啦:
😊熊曰:呋食食呦肉非象嗚家吃呱山萌萌笨有哞魚既魚性蜜覺呆食哮性洞哮山噗眠嗥嚄萌洞擊嗄襲呱物人你
😊如果嫌麻烦的话请私信咨询博主,谢谢!
😊PS:繁星依月/惟欢/一舟均为博主的马甲,本篇作品完全原创,再次感谢!

评论 1
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值