可以用一点导数的正负 推出这一点附近函数的单调性吗?

答:显然不能!除非导数在这一点连续。
回顾定义:
函数的单调性的判定:设函数 f ( x ) 在 [ a , b ] 上连续 , 在 ( a , b ) 内可导 , 如果在区间上有 f ′ ( x ) ⩾ 0 , 则 f ( x ) 在 ( a , b ) 内单调不减;如果恒有 f ′ ( x ) ⩽ 0 , 则 f ( x ) 在 ( a , b ) 内单调不增 . 函数的单调性的判定:设函数 f(x) 在 [a, b] 上连续,在 (a, b) 内可导,如果在区间上有 f^{\prime}(x) \geqslant 0 ,则 f(x) 在 (a, b) 内单调不减;如果恒有 f^{\prime}(x) \leqslant 0 , 则 f(x) 在 (a, b) 内单调不增. 函数的单调性的判定:设函数f(x)[a,b]上连续,(a,b)内可导,如果在区间上有f(x)0,f(x)(a,b)内单调不减;如果恒有f(x)0,f(x)(a,b)内单调不增.

由此可见,利用一阶导数判断函数的单调性,需要已知导数在某区间的正负,而不是某一点导数的正负.而现在你想用一点导数的符号去推这一点附近函数的单调性,这不是胡闹嘛。

如果加强条件:函数 f(x) 在 x 0 x_{0} x0 处导函数连续,且 f ′ ( x 0 ) > 0 f^{\prime}\left(x_{0}\right)>0 f(x0)>0 ,那就可以利用一点导数的正负推出这一点附近函数的单调性.

证明如下:由于函数 f ( x ) 在 x 0 处导函数连续 , 故有 lim ⁡ x → x 0 f ′ ( x ) = f ′ ( x o ) > 0 由保号性可得: ∃ δ > 0 , 当 ∣ x − x 0 ∣ < δ 时, f ′ ( x ) > 0 ,即就是函数 f ( x ) 在 ( x 0 − δ , x 0 + δ ) 单调上升 . 证明如下:由于函数 f(x) 在 x_{0} 处导函数连续,故有\lim _{x \rightarrow x_{0}} f^{\prime}(x)=f^{\prime}\left(x_{o}\right)>0由保号性可得: \exists \delta>0 ,当 \left|x-x_{0}\right|<\delta 时, f^{\prime}(x)>0 ,即就是函数 f(x) 在 \left(x_{0}-\delta, x_{0}+\delta\right) 单调上升. 证明如下:由于函数f(x)x0处导函数连续,故有xx0limf(x)=f(xo)>0由保号性可得:δ>0,xx0<δ时,f(x)>0,即就是函数f(x)(x0δ,x0+δ)单调上升.

从实践中也可以举出反例:如果举例时将 f ′ ( x ) f^{\prime}(x) f(x) x = x 0 x=x_{0} x=x0 处取到连续,那你放心,你肯定举不出反例.反例必须让 f ′ ( x ) f^{\prime}(x) f(x) x = x 0 x=x_{0} x=x0 处间断,我们又清楚 f ′ ( x ) f^{\prime}(x) f(x) 的间断点只能是振荡间断点.所以可以取 f ( x ) = { x + 2 x 2 sin ⁡ 1 x , x ≠ 0 0 , x = 0 f(x)=\left\{\begin{array}{cc}x+2 x^{2} \sin \frac{1}{x}, & x \neq 0 \\ 0, & x=0\end{array}\right. f(x)={x+2x2sinx1,0,x=0x=0满足 f ′ ( 0 ) = lim ⁡ x → 0 f ( x ) − f ( 0 ) x − 0 = lim ⁡ x → 0 x + 2 x 2 sin ⁡ 1 x x = 1 + 0 = 1 > 0 \quad f^{\prime}(0)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-f(0)}{x-0} =\lim _{x \rightarrow 0} \frac{x+2 x^{2} \sin \frac{1}{x}}{x}=1+0=1>0 f(0)=limx0x0f(x)f(0)=limx0xx+2x2sinx1=1+0=1>0但是函数在 x=0 的所有邻域都不单调. f ′ ( x ) = 1 + 4 x sin ⁡ 1 x − 2 cos ⁡ 1 x ( x ≠ 0 )  令  x k = 1 2 k π + π 2 ( k = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯   ) , \begin{array}{l}\quad f^{\prime}(x)=1+4 x \sin \frac{1}{x}-2 \cos \frac{1}{x}(x \neq 0) \\\text { 令 } \quad x_{k}=\frac{1}{2 k \pi+\frac{\pi}{2}}(k=0, \pm 1, \pm 2, \cdots),\end{array} f(x)=1+4xsinx12cosx1(x=0)  xk=2+2π1(k=0,±1,±2,),发现 f ′ ( x k ) = 1 + 4 2 k π + π 2 > 0  令  y k = 1 2 k π ( k = ± 1 , ± 2 , ⋯   )  ,  f^{\prime}\left(x_{k}\right)=1+\frac{4}{2 k \pi+\frac{\pi}{2}}>0 \text { 令 } y_{k}=\frac{1}{2 k \pi}(k= \pm 1, \pm 2, \cdots) \text { , } f(xk)=1+2+2π4>0  yk=21(k=±1,±2,)  发现 f ′ ( y k ) = − 1 < 0 f^{\prime}\left(y_{k}\right)=-1<0 f(yk)=1<0 ,即在 x=0 的任意邻域内, f ′ ( x ) f^{\prime}(x) f(x) 的取值既有大于零的点又有小于零的点,那怎么能确定单调性呢.

有同学可能会想到如果 f ( x ) > f ( x 0 ) , x ∈ ( x 0 , x 0 + δ ) f(x)>f\left(x_{0}\right), x_{\in}\left(x_{0}, x_{0}+\delta\right) f(x)>f(x0),x(x0,x0+δ) ,不就是 f(x) 在区间 ( x 0 , x 0 + δ ) \left(x_{0}, x_{0}+\delta\right) (x0,x0+δ) 上单调递增吗?你这样想,是很正常的,以人贫瘠的想象力确实难以想象到在 x 0 x_{0} x0 的右邻域上 f ( x ) > f ( x 0 ) f(x)>f\left(x_{0}\right) f(x)>f(x0) ,但是 f(x) 却不单调递增的情况,不过我告诉你,这样的变态函数确实存在,比如上面给你举的那个例子,当 x ∈ ( 0 , δ ) x_{\in}(0, \delta) x(0,δ) 时, f(x) 确实大于 f(0)=0 , 但是不是那种递增的情形,而是振荡的情形,其图像如图所示:
在这里插入图片描述
记住了,以后见到自己想象不到的情况,多往振荡的方向去考虑,很多反例都出自这里

2. 函数 f ′ ( x ) f'(x) f(x) x = 0 x = 0 x=0 附近不连续,即便它在 x = 0 x = 0 x=0 处的极限等于函数值。为什么?函数在某点连续的充要条件不是极限值等于函数值吗?

需要强调的是,函数在某点的连续性与函数在该点附近的连续性是不同的概念。

  • 函数在某点的连续性:仅涉及函数在该点本身的行为,以及当自变量趋近于该点时的行为。
  • 函数在某点附近的连续性:意味着函数在该点的某个邻域内的所有点都连续。
  • 一个函数可以在 x = a x=a x=a处连续,但在 x = a x=a x=a附近不连续。这意味着,虽然函数在 x = a x=a x=a点满足连续性的条件,但在任何包含 x = a x=a x=a的区间内,函数可能存在不连续点。

通过上述分析,我们可以得出结论:

  • 函数在某点的连续性仅取决于该点本身的行为,即函数值和极限值在该点是否相等。
  • 函数在某点附近的连续性需要考虑函数在该点附近的所有点的行为,即在一个邻域内的连续性。
  • f ′ ( x 0 ) > 0 f^{\prime}\left(x_{0}\right)>0 f(x0)>0 能否得到函数 f(x) 在 x 0 x_{0} x0 的某邻域内单调递增? 不能
  • f ′ ( x 0 ) > 0 f^{\prime}\left(x_{0}\right)>0 f(x0)>0 ,且在 x 0 x_{0} x0连续,能否得到函数 f(x) 在 x 0 x_{0} x0 的某邻域内单调递增? ,由保号性可知, f ′ ( x 0 ) f^{\prime}\left(x_{0}\right) f(x0) x 0 x_{0} x0 的某邻域内大于0,虽然 f ′ ( x 0 ) f^{\prime}\left(x_{0}\right) f(x0) x 0 x_{0} x0 的某邻域内不连续.
  • f ′ ( x 0 ) > 0 f^{\prime}\left(x_{0}\right)>0 f(x0)>0 ,且在 x 0 x_{0} x0 附近连续,能否得到函数 f(x) 在 x 0 x_{0} x0 的某邻域内单调递增?
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