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微分应用核心知识点总结 ​

一、函数的极值(4.1 Maximum and Minimum Values) ​

1. 极值定义 ​

类型定义关键特征
绝对最大值(Absolute Maximum)对定义域D内所有x,满足f(c)≥f(x),则f(c)为绝对最大值定义域内的最高值
绝对最小值(Absolute Minimum)对定义域D内所有x,满足f(c)≤f(x),则f(c)为绝对最小值定义域内的最低值
局部最大值(Local Maximum)存在c的邻域U(c,δ),对邻域内所有x∈U(c,δ),满足f(c)≥f(x)局部范围内的最高值
局部最小值(Local Minimum)存在c的邻域U(c,δ),对邻域内所有x∈U(c,δ),满足f(c)≤f(x)局部范围内的最低值

2. 核心定理 ​

  • 极值定理(Extreme Value Theorem):若f(x)在闭区间[a,b]上连续,则∃ξ1,ξ2∈[a,b],使得f(ξ1)=maxx∈[a,b]f(x),f(ξ2)=minx∈[a,b]f(x)。
  • 费马定理(Fermat’s Theorem):若f(x)在x=c处有局部极值且f′(c)存在,则f′(c)=0。
    • 反例:f(x)=x3,f′(0)=3⋅02=0,但x=0处无极值;
    • 特例:f(x)=|x|,f′(0)不存在,但x=0是局部最小值。

3. 关键概念与方法 ​

  • 临界数(Critical Number):满足f′(c)=0或f′(c)不存在的点c∈D(D为f(x)定义域)。
  • 闭区间法(Closed Interval Method):求连续函数f(x)在[a,b]上的绝对极值:
    1. 求(a,b)内的所有临界数c1,c2,...,cn;
    2. 计算f(a),f(c1),f(c2),...,f(cn),f(b);
    3. 比较大小:max{f(a),f(c1),...,f(b)}为绝对最大值,min{f(a),f(c1),...,f(b)}为绝对最小值。

二、中值定理(4.2 The Mean Value Theorem) ​

1. 基础定理 ​

  • 罗尔定理(Rolle’s Theorem):若f(x)满足: ① 在[a,b]上连续;② 在(a,b)内可导;③ f(a)=f(b), 则∃c∈(a,b),使得f′(c)=0。

  • 拉格朗日中值定理(Mean Value Theorem):若f(x)满足: ① 在[a,b]上连续;② 在(a,b)内可导, 则∃c∈(a,b),使得:

    f′(c)=f(b)−f(a)b−a

    几何意义:曲线y=f(x)在点(c,f(c))处的切线与割线AB(A(a,f(a)),B(b,f(b)))平行。

2. 推论与应用 ​

  • 推论1:若∀x∈(a,b),f′(x)=0,则f(x)≡C(C为常数,x∈(a,b))。
  • 推论2:若∀x∈(a,b),f′(x)=g′(x),则f(x)=g(x)+C(C为常数)。
  • 物理意义:设s(t)为位移函数,则∃t0∈(t1,t2),使得瞬时速度v(t0)=s′(t0)=s(t2)−s(t1)t2−t1(平均速度)。

三、导数与函数形状(4.3 How Derivatives Affect the Shape of a Graph) ​

1. 函数的单调性 ​

  • 增减性测试(I/D Test):
    • 若∀x∈I,f′(x)>0,则f(x)在I上严格递增;
    • 若∀x∈I,f′(x)<0,则f(x)在I上严格递减。

2. 函数的凹凸性 ​

  • 凹凸性定义:
    • 凹函数(Concave Up):∀x1,x2∈I,∀λ∈(0,1),有f(λx1+(1−λ)x2)<λf(x1)+(1−λ)f(x2),且f″(x)>0;
    • 凸函数(Concave Down):∀x1,x2∈I,∀λ∈(0,1),有f(λx1+(1−λ)x2)>λf(x1)+(1−λ)f(x2),且f″(x)<0。
  • 拐点(Inflection Point):点(c,f(c))为拐点,当且仅当f″(c)=0(或f″(c)不存在),且f″(x)在x=c两侧符号改变。

3. 极值的判定方法 ​

  • 第一导数测试(First Derivative Test): 设c为f(x)的临界数,f(x)在c处连续:

    • 若f′(x)在c左侧正、右侧负,则f(c)为局部最大值;
    • 若f′(x)在c左侧负、右侧正,则f(c)为局部最小值;
    • 若f′(x)在c两侧符号不变,则f(c)非极值。
  • 第二导数测试(Second Derivative Test): 若f′(c)=0且f″(c)存在:

    • 若f″(c)>0,则f(c)为局部最小值(f″(c)=limx→cf′(x)−f′(c)x−c=limx→cf′(x)x−c>0,f′(x)左负右正);
    • 若f″(c)<0,则f(c)为局部最大值;
    • 若f″(c)=0,测试失效(如f(x)=x4,f″(0)=0,x=0是最小值;f(x)=x3,f″(0)=0,x=0无极值)。

四、曲线绘制指南(4.5 Summary of Curve Sketching) ​

绘制曲线y=f(x)的步骤 ​

  1. 定义域(Domain):确定D(f)={x∣f(x)有定义};
  2. 截距(Intercepts):
    • y截距:x=0时,y=f(0)(若0∈D(f));
    • x截距:解方程f(x)=0(求实根);
  3. 对称性(Symmetry):
    • 偶函数:f(−x)=f(x),关于y轴对称;
    • 奇函数:f(−x)=−f(x),关于原点对称;
    • 周期函数:∃T>0,f(x+T)=f(x),周期为T;
  4. 渐近线(Asymptotes):
    • 水平渐近线:若limx→+∞f(x)=L1或limx→−∞f(x)=L2,则y=L1/y=L2为水平渐近线;
    • 垂直渐近线:若limx→a+f(x)=±∞或limx→a−f(x)=±∞,则x=a为垂直渐近线;
    • 斜渐近线:若limx→±∞f(x)x=m≠0,且limx→±∞[f(x)−mx]=b,则y=mx+b为斜渐近线;
  5. 单调性与极值:求f′(x),确定临界数,用第一/第二导数测试找单调区间和极值;
  6. 凹凸性与拐点:求f″(x),确定f″(x)=0的点,判断凹凸区间和拐点;
  7. 绘制曲线:标注渐近线(虚线)、截距、极值点(c,f(c))、拐点(x0,f(x0)),按单调性/凹凸性连接。

五、常见题型与解题要点 ​

  1. 求函数极值: 例:求f(x)=x3−3x2+1在[−1,3]上的极值。 解:f′(x)=3x2−6x=3x(x−2),临界数x=0,2; f″(x)=6x−6,f″(0)=−6<0(x=0为极大值点,f(0)=1); f″(2)=6>0(x=2为极小值点,f(2)=−3); 端点值f(−1)=−3,f(3)=1; 绝对最大值为1(x=0/3),绝对最小值为−3(x=−1/2)。

  2. 证明不等式: 例:证明当x>0时,x−x22<ln⁡(1+x)<x。 证:构造f(x)=ln⁡(1+x)−x+x22,f′(x)=11+x−1+x=x21+x>0(x>0), f(0)=0,故f(x)>0(x>0),即ln⁡(1+x)>x−x22; 构造g(x)=x−ln⁡(1+x),g′(x)=1−11+x=x1+x>0(x>0), g(0)=0,故g(x)>0(x>0),即ln⁡(1+x)<x。

  3. 方程根的个数判断: 例:判断x3−3x+1=0的实根个数。 解:f(x)=x3−3x+1,f′(x)=3x2−3=3(x−1)(x+1); 极值:f(−1)=3(极大值),f(1)=−1(极小值); limx→−∞f(x)=−∞,limx→+∞f(x)=+∞, 故方程有3个实根(分别在(−∞,−1)、(−1,1)、(1,+∞)内)。

  4. 实际应用: 例:求周长为L的矩形的最大面积。 解:设长为x,宽为L2−x,面积S(x)=x(L2−x)=−12x2+L2x; S′(x)=−x+L2,临界数x=L4; S″(x)=−1<0,故x=L4时面积最大,Smax=L216(正方形)。

六、核心公式速记 ​

  1. 拉格朗日中值定理:f′(c)=f(b)−f(a)b−a(a<c<b)
  2. 临界数判定:f′(c)=0 或 f′(c) 不存在(c∈D(f))
  3. 凹凸性判定:
    • 凹函数:f″(x)>0(x∈I)
    • 凸函数:f″(x)<0(x∈I)
  4. 斜渐近线公式:m=limx→±∞f(x)x,b=limx→±∞[f(x)−mx]
  5. 闭区间极值:max/min{f(a),f(c1),f(c2),...,f(b)}