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函数的单调性与极值

高等数学 · 一元函数微分学

这一条要先会:微分中值定理(罗尔、拉格朗日、柯西)

先打基础

一条一条过。读完点「已懂」或「待回顾」,这条就收起来,页面上剩下的就是还没过的。

1. 用导数的符号判单调

定理. 设 在 上连续、在 内可导。若 内恒有 ,则 在 上单调增加;恒有 则单调减少。

依据是拉格朗日中值定理:任取 ,有



右端的符号由 决定。

两点要留神:

① 条件是充分的,不是必要的. 推出严格增加,但严格增加的函数允许个别点导数为零—— 在 上严格增加,却有 。

② 单调区间要分开写. 在 与 上各自递减,但不能写成「在 上递减」——取 、 一验就知道不对。

划分区间的分点有两类: 的点,和 不存在的点(含函数本身的间断点)。

2. 极值:先找驻点与不可导点,再判符号

极值是局部的概念: 比它附近的值都大(小),就称 为极大(小)值。它与「最大值」不是一回事——极值只跟邻域比,最值跟整个区间比。

必要条件(费马引理). 若 在 处可导且取极值,则 。使 的点称为驻点。

反过来不成立: 在 处是驻点,却不是极值点。所以驻点只是嫌疑点,还要再判。

另外,不可导的点也可能是极值点: 在 处不可导,却取到极小值。

于是嫌疑点有两类:



第一充分条件(看一阶导的变号). 在 两侧: 由正变负则取极大,由负变正则取极小,不变号则不是极值点。

第二充分条件(看二阶导). 若 且 则取极大; 则取极小; 时此法失效,退回第一充分条件。

第一充分条件画在数轴上就是三张小图——左正右负、左负右正、两侧同号。第三种最容易忘( 在 处就是它):
+−x₀f ′左正右负(先升后降)x₀ 是极大值点−+x₀f ′左负右正(先降后升)x₀ 是极小值点++x₀f ′两侧同号(如 x³ 在 0 处)x₀ 不是极值点

3. 最值:区间内的嫌疑点 两个端点

最值是整体的概念。闭区间上连续函数的最值一定存在(上一章的最值定理),而它只可能在三种地方取到:



所以求最值的办法非常机械:把这三类点的函数值全算出来,比大小。不必判断每个点是不是极值——比大小就够了。

端点最容易漏。极值不考虑端点(端点没有完整的邻域),但最值必须考虑。

两种常见的省事情形:

① 区间内只有一个极值点. 那它就是最值点(极大即最大,极小即最小)。

② 函数在区间上单调. 最值一定在两个端点处取到。

应用题(求最大利润、最省材料)几乎都落在情形①上,所以写完「唯一驻点」之后可以直接下结论,但那句「唯一」要写出来。

4. 用单调性证不等式

证 在某区间上成立,标准做法只有三步:

① 作差. 令 ,要证的变成 。

② 判单调. 算 ,确定 在该区间上的增减。

③ 查端点. 算出区间端点(或靠近端点的极限)处 的值。

若 在 上单调增加且 ,则 在 上恒正,得证。

这三步的逻辑是:单调性管住了「往哪边走」,端点值管住了「从哪儿出发」,两者合起来才能断定正负。少任何一样都证不出来。

的符号不好判时,再求一次导——对 重复同样的三步。这叫「二阶导判一阶导的符号」,是处理稍难的不等式的常规办法。

常用结构

这类题反复出现的那个写法骨架——按这个顺序动笔。

求单调区间:找分点,列表验符号

第一步:求 ,找出 的点与 不存在的点,连同函数的间断点。

第二步:用这些点把定义域分成若干区间。

第三步:每个区间里取一个好算的点(整数最省事),验 的符号。

第四步:列表写出结论。不同区间要分开写,不能用并集。
例求 的单调区间。

第一步,求导找分点:



零点是 。 处处存在、 处处连续,所以分点就这两个。

第二步,把数轴分成 、、 三段。

第三步,每段取一个好算的整数验符号:,,。

第四步,写结论:增区间是 与 ,减区间是 。两个增区间要分开写,不能写成并集。

求极值:两类嫌疑点,再判变号

第一步:找驻点()与 不存在的点——两类都要找。

第二步:判断。首选第二充分条件(算 的符号),快。

第三步: 或 不好算时,退回第一充分条件,看 在两侧变不变号。

第四步:算出极值(是函数值,不是 的坐标)。
例求 的极值。

第一步,找两类嫌疑点: 给出驻点 ; 处处存在,没有「不可导点」这一类。

第二步,判变号。用上一条的符号表: 在 处由 变 ,在 处由 变 。

第三步,由正变负取极大,由负变正取极小,代回原函数算值:



第四步,写结论: 处取极大值 , 处取极小值 。

注意极值点是横坐标、极值是纵坐标,问哪个答哪个。

求最值:三类点的函数值,比大小

第一步:找驻点、 不存在的点。

第二步:加上两个端点。

第三步:算出这些点的函数值,列成一行。

第四步:比大小,最大的是最大值,最小的是最小值。不必判断谁是极值。
例求 在 上的最大值与最小值。

第一步,找区间内部的嫌疑点:驻点 中只有 落在 内( 不在区间里,直接丢掉);没有不可导点。

第二步,算三类点的函数值:



第三步,比大小:最大值是 (在 处取到),最小值是 (在 处取到)。

求最值不必判这些点是极大还是极小,直接比函数值——这是最值题比极值题省力的地方。

基础易错

基础阶段真的会犯的那几处,每条都指到动笔的哪一步。

单调区间写成并集

在 与 上各自递减,但在 上并不递减(取 与 一验就知道)。

不同区间分开写,中间用「与」或逗号,不要用 。

只找驻点,漏掉不可导的点

在 处取极小值,而那里没有导数,不是驻点。

嫌疑点有两类: 的和 不存在的。只找第一类会漏解。

把驻点直接当成极值点

在 处是驻点,却不是极值点( 在两侧都为正,不变号)。

只是必要条件,找到驻点之后必须再判一次。

求最值时漏掉端点

在 上的最大值在端点 处取到(),而那里不是极值点。

极值不管端点,最值必须管端点。 这是两者最实际的区别。

自己试一试

这一档不判分、不记进度,想不出来就直接看解答。

第一组 · 符号与单调

练 1

设 ,则 的单调减少区间是 ________ 。

练 2

若 在 内恒成立,则 在 内( )。
  • A单调增加
  • B单调减少
  • C有极大值
  • D是常数

练 3

驻点指的是( )。
  • A使 的点
  • B使 的点
  • C使 的点
  • D 取极值的点

练 4

设 ,则 的点是 ________。

第二组 · 极值与最值

练 5

设 且 ,则 在 处( )。
  • A无法判断
  • B取极小值
  • C不取极值
  • D取极大值

练 6

设 ,则 的极大值为 ________。

练 7

在 处( )。
  • A取极小值,且 是驻点
  • B取极小值,但 不是驻点
  • C不取极值
  • D取极大值

练 8

在 上的最大值为 ________。

第三组 · 证不等式

练 9

证明 时 ,正确的做法是( )。
  • A令 ,证 且
  • B令 ,只证
  • C两边取对数
  • D对两边分别求导比较

练 10

下列说法正确的是( )。
  • A极大值一定大于极小值
  • B极大值一定是最大值
  • C最值可能在端点取到,而端点不是极值点
  • D求最值时只需比较各极值

练 11

设 ,则 ________。

练 12

设 在 内可导,且区间内只有一个极大值点 ,则( )。
  • A 一定不是最大值
  • B 是 在 上的最大值
  • C还需比较端点处的值
  • D无法判断

读完了?下一步是同一个知识点的完整讲解,那一档按考试难度写。

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