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
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必要条件:费马定理
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充分条件(充分非必要条件)
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第一充分条件(极值第一判别法)
设 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。
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第二充分条件(极值第二判别法)
设 f(x)f(x)f(x) 在 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。
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第三充分条件
设 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(n−1)(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。
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驻点
- 称 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。
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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或区间的端点。
- 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
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单调性判别法(可导函数在区间上单调的判定准则)
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判定准则
若 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)>0⇔f(x) 在 III 上严格单调增加;
f′(x)<0⇔f(x)f'(x) < 0 \Leftrightarrow f(x)f′(x)<0⇔f(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)≥0⇔f(x) 在 III 上单调增加;
f′(x)≤0⇔f(x)f'(x) \leq 0 \Leftrightarrow f(x)f′(x)≤0⇔f(x) 在 III 上单调减少。
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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。
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函数严格单调的充分条件(充分非必要条件)
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条件一(定义)
若 ∀x1<x2\forall x_1<x_2∀x1<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;
若 ∀x1>x2\forall x_1>x_2∀x1>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。
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条件二(开区间导函数)
若在 (a,b)(a,b)(a,b) 内 f′(x)>0f'(x)>0f′(x)>0,则 f(x)f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b)(a,b) 内严格单调递增;
若在 (a,b)(a,b)(a,b) 内 f′(x)<0f'(x)<0f′(x)<0,则 f(x)f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b)(a,b) 内严格单调递减。
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条件三(闭区间导函数)
设 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),
若 ∀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] 上严格单调递增;
若 ∀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。
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三、凹凸性和拐点
01 凹凸性
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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 I∀x1,x2∈I,α∈(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) 在 III 是下凸的;
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f(x)f(x)f(x) 在区间 III 上连续,且 ∀x1,x2∈I\forall x_1,x_2 \in I∀x1,x2∈I,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+(1−α)x2 即 x1x_1x1 与 x2x_2x2 之间的任意一点。
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第二定义
- 对连续函数 f(x)f(x)f(x),若 ∀x1<x2\forall x_1<x_2∀x1<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_2∀x1>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。
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直观理解
- 下凸:割线在曲线的上方。
- 上凸:割线在曲线的下方。
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判定定理
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凸性第一判别法(利用拉格朗日中值定理证明)
若 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) 在 (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) 在 (a,b)(a,b)(a,b) 内严格上凸。
理解:切线斜率逐渐增大/减小。
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凸性第二判别法
若 f(x)f(x)f(x) 在 (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) 在 (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) 在 (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。
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02 拐点
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拐点的定义
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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.
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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)
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必要条件
- 设 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 .
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充分条件
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第一充分条件
连续函数 f(x)f(x)f(x) 在 x0x_0x0 处二阶导数为零或者二阶导数不存在,则
(1) f′′f''f′′ 在 x0x_0x0 两侧异号,x0x_0x0 是 f(x)f(x)f(x) 的拐点
(2) f′′f''f′′ 在 x0x_0x0 两侧同号,x0x_0x0 不是 f(x)f(x)f(x) 的拐点
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第二充分条件
设 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)=0,f′′′(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.
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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
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曲线的渐近线
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渐近线
设 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 limOP→+∞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) 是 P\mathrm{P}P 到 L\mathrm{L}L 的距离, 则称 L\mathrm{L}L 是 C\mathrm{C}C 的渐近线.
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几何图示
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垂直渐近线(铅直渐近线)
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垂直渐近线
若 limx→x0+f(x)=∞\lim \limits_{x \rightarrow x_{0}^{+}} f(x)=\inftyx→x0+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.
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几何图示
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说明
x→x0+x \rightarrow x_{0}^{+}x→x0+也可为 x→x0−x \rightarrow x_{0}^{-}x→x0−,表明曲线在渐近线的哪一侧
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水平渐近线
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水平渐近线
若 limx→+∞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
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几何图示
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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
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斜渐近线
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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limx→±∞[f(x)−(ax+b)]=0\lim \limits_{x \rightarrow±\infty}[f(x)-(ax+b)]=0x→±∞lim[f(x)−(ax+b)]=0
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斜渐近线的求法
limx→+∞f(x)x=alimx→+∞[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
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说明
在 x→±∞x \rightarrow ± \inftyx→±∞ 时,水平渐近线与斜渐近线不共存
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最后
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