乐思数学通 › 考研数学(一) › 第 2 章 一元函数微分学

导数应用:最值、渐近线、作图

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前置诊断

① 直接前置(需先掌握)函数的单调性与极值曲线的凹凸性与拐点

要点精讲

把关键道理、证明与典型例子重新过一遍。

1. 实际最值问题的解法:建模、定义域、唯一驻点即最值,以及用料最省的圆柱★★ 必会

求解实际最值问题的一般步骤是:①设出变量,利用约束条件消元,写出单变量的目标函数;②写清定义域(例如半径、长度 等);③求驻点;④判定。这里有一条常用的结论:如果目标函数在开区间内连续可导且只有唯一的驻点,而该驻点是极小值点(极大值点),那么它就是最小值点(最大值点),不必再与端点比较。其依据是,连续函数在区间内唯一的极值点必为该区间上的最值点。有了这条结论,就可以免去端点与边界极限的讨论。
证明 / 推导唯一的驻点为什么就是最值点. 设 在开区间 内连续可导。又设 是唯一的驻点,并且是极小值点。下面证明它是 上的最小值点。

先看 的右侧。因为 是唯一的驻点,所以 在 内处处不为零。又 连续。如果它在其中变号,那么由介值定理它必取到零值,这与驻点唯一矛盾。因此 在 内保持同一符号。这个符号只能是正的。事实上,取 且充分接近 。由极小值的定义有 。再由拉格朗日中值定理,存在 使

而 ,故 。于是 在整个 上成立, 在 上单调增加,从而当 时 。

左侧同理。 在 内保持同号,而且只能为负,故 在 上单调减少,当 时也有 。合起来,对一切 都有 。这就证明了唯一的极小值点就是最小值点,不必再与端点比较。极大值的情形同理。

必须注意其中的前提:区间内处处可导,并且驻点唯一。如果区间内还有不可导点,那么它也是可疑点。这时上面用到的中值定理与导数保号都不再适用,必须把不可导点一并列入比较。
举例说明例. 做容积为 的圆柱形易拉罐(有顶有底),半径 、高 ,问何时表面积最小?
解. 由约束条件 ,于是表面积为

令 ,得唯一的驻点 。又 ,故 是极小值点。由于它是 内的唯一驻点,因此它就是最小值点。此时 ,即高等于底面直径,这就是用料最省的形状。

2. 渐近线的求法:水平、铅直、斜三类,须逐个方向、逐个点检验★★ 必会

曲线 的渐近线分三类,求法各不相同,必须逐一检验:

① 铅直渐近线 :只在 的无定义点 / 间断点处出现。若 或 (单侧趋于 即可),则 是铅直渐近线。候选点有:分母的零点、 真数的零点,以及其它使 无定义的点。

② 水平渐近线 :若 (有限),则 是 一侧的水平渐近线;对 必须另行考察,两侧的结果可以不同,也可以各有一条。

③ 斜渐近线 :只有当某一侧没有水平渐近线时才可能存在。要求 有限且非零, 有限,两个极限都必须存在;若 ,则退化为水平渐近线。同样地, 与 要分别计算。

检验的次序:先检查全部无定义点,定出铅直渐近线;再对 、 两个方向分别求 ,同一方向上的水平渐近线与斜渐近线至多有一条。因此一条曲线最多有两条水平或斜渐近线(左、右各一条),此外还可能有若干条铅直渐近线。
xx = 1y = 1① 铅直渐近线:在 x = 1 处极限为 ∞ 水平渐近线:x → ±∞ 时极限为常数 1xx = 1y = kx + b② 斜渐近线:先求 k = lim f(x)/x, 再求 b = lim [f(x) − kx]三类都要对 x → +∞ 与 x → −∞ 分别检验,两侧结果可能不同
证明 / 推导斜渐近线公式的推导. 设 是 时的斜渐近线,即 。两端同除以 ,得
求得 后,再由 得 。反之,只要这两个极限都存在( 有限, 有限), 就自动成立,因此这一判据是充分必要的。对 完全类似,但需单独计算。
举例说明(2012·数一 第 1 题,选择 4 分) 曲线 的渐近线的条数为(  )

(A) . (B) . (C) . (D) .

解. 先作因式分解:
铅直:分母零点为 与 。在 处 ,得铅直渐近线 ;但在 处分子与分母同时为零,约去公因子后极限有限(),故该点是可去间断点,而不是渐近线。这是最常见的错误。水平:,得水平渐近线 (左右两侧相同)。斜:该方向已有水平渐近线,故无斜渐近线。合计 与 共 条,故选 C。必须注意:分母的零点只是铅直渐近线的候选点,还须验证分子在该点不为零,否则该点可能只是可去间断点。

3. 函数作图的完整步骤:定义域,单调与极值表,凹凸与拐点表,渐近线,描图

利用导数作函数的图形,是导数应用的综合运用,其标准步骤有五步:

① 定基:求出定义域,考察奇偶性与周期性(若有对称性,则只须画出一半),并标出间断点以及曲线与坐标轴的交点。

② 一阶表(单调与极值):求 ,解出 的驻点与 不存在的点,用它们把定义域分成若干区间,逐段确定符号: 记为 , 记为 ,再由两侧的变号定出极值。

③ 二阶表(凹凸与拐点):求 ,解出 与 不存在的点,逐段定凹凸: 记 、 记 ,据变号定拐点(见 §凹凸性与拐点)。实际作图时常把②③合并成一张总表:用全部分界点把定义域分段,各段标出 的符号、 的符号与相应的形态,即 四种弧形之一。
↗ ∪y′ > 0y″ > 0↗ ∩y′ > 0y″ < 0↘ ∪y′ < 0y″ > 0↘ ∩y′ < 0y″ < 0
④ 渐近线:按上一条所述的次序,先检查无定义点,定出铅直渐近线,再对 与 分别求水平渐近线与斜渐近线。

⑤ 描图:先用虚线画出各条渐近线作为参照,标出极值点、拐点、与坐标轴的交点等关键点的坐标,再按总表中的弧形逐段连成曲线;曲线从渐近线的哪一侧趋近,由差 的符号确定。
举例说明小例:作 的图形。

① 定基:定义域为 ;函数无奇偶性;作多项式除法,得恒等式 ;曲线与坐标轴只交于 。

②③ 总表:,驻点为 ;又 ,它没有零点,且仅在 处不存在。分界点 把定义域分成四段:


故在 处取极大值 ,在 处取极小值 。本题无拐点: 虽在 的两侧变号,但 不在定义域内,凹凸的分界发生在铅直渐近线的两侧,并不构成拐点。这一点最易出错。

④ 渐近线:铅直: 时 、 时 ,得 ;斜:由 立得 (两侧同一条),且 侧差值为正、曲线在渐近线上方, 侧在下方。

⑤ 描图:先画出虚线 与 。左支自左下方沿 的下侧上升到极大值点 ,随后下降,当 时趋于 ,形态由 变为 ;右支当 时来自 ,下降到极小值点 ,随后上升并从上方趋近 ,形态由 变为 。

考法提示:数一很少要求画出完整的图形,而是把上述步骤拆开来考,例如渐近线的条数(2012/q01、2007/q02)、极值与拐点,以及由 的符号选择图形的选择题。作图的五个步骤是这些小题共同的依据。
xyx = 1y = x + 1极大 (0, 0)极小 (2, 4)↗∩↘∩↘∪↗∪四段弧形各出现一次。两条虚线是渐近线,曲线从哪一侧趋近,由 1/(x−1) 的符号定。x = 1 处 y″ 变号却无拐点:那里不在定义域内

4. 根式函数的斜渐近线: 与 的结果可能不同★ 要懂

求 型函数的斜渐近线时,把渐近线写成 。这里 是斜率, 是截距,与根号内的系数 用的是不同的字母,不可混淆。最易出错之处在于两端的斜率反号。因为 ,而当 时 ,所以左端的斜率 与右端的斜率 反号。两端的渐近线并不相同,必须分别计算。求截距 时属于 型,通常用有理化(乘以共轭式) 化开。此类题目所考查的,就是两端必须分别讨论这一点。
证明 / 推导一般结论的推导. 设 ,。因 ,当 充分大时根号内为正, 在两端都有定义。(若 ,则 充分大时根号内为负,定义域有界,不存在斜渐近线。)把渐近线写成 ,两端的斜率与截距分别记为 与 ,以免与根号内的系数 相混。

的一端. 此时 ,故 ,从而

再求截距。 是 型,乘以共轭式化开:

分子分母同除以 。因 ,有 ,故分母趋于 ,分子趋于 。于是 ,右端的斜渐近线为 。

的一端. 此时 ,,故

同样有理化,得

分子分母同除以 。因 ,此时 ,故分母趋于 ,分子仍趋于 ,得 。左端的斜渐近线为 。

两条渐近线的来历. 上面两式可以合写成 。这并非偶然。对根号内配方,得

故曲线满足 。当右端不为零时,这是一条双曲线在上半平面的部分,它以直线 为对称轴。该双曲线的两条渐近线就是 。当右端为零时曲线退化为两条射线,渐近线与曲线重合。两端的斜率反号,根源在于双曲线本来就有两条彼此对称的渐近线。这就证明了根式函数在两端的渐近线一般不同,必须分别计算。
举例说明例. 求 的渐近线(定义域 或 )。
:;

得 。
:,;

得 。结论:共有两条斜渐近线,即 (右侧)与 (左侧),既无铅直渐近线,也无水平渐近线。

5. 最大视角问题:把视角表示为两个 arctan 之差,再对距离求导

站在多远处观看一幅画或一座塔时视角最大,是最值问题的一个典型例子。建模:把视角 表示成上、下边缘两个仰角的 arctan 之差,再对距离 求导以求极大值。简化的办法:由于 在 内单调增加, 最大 最大,因此可以改求 的极值,从而避免对 arctan 求导。所得的结论常常具有简洁的形式(几何平均),值得注意。
举例说明例. 一幅画上、下边缘离眼睛水平线的高度分别为 。人站在离墙 处,问 多大时画的视角 最大?
解. 由题设 。求导,得

令 ,得 ,即 。当 时 ,当 时 ,故在 处视角最大。最佳距离是上、下两高度的几何平均 。

6. 求全部渐近线的综合例子: 的单侧铅直渐近线与斜渐近线

求全部渐近线时应逐项进行:①铅直渐近线,在定义域的缺口处(分母的零点、 真数的零点、 在 处等)分别考察左、右极限,注意可能只有一侧趋于无穷;②水平渐近线,对 分别考察;③斜渐近线,只在没有水平渐近线的那一侧考察 。当函数是超越函数时,求 常需借助泰勒公式或等价无穷小。
举例说明例. 求 的渐近线(定义域 )。
铅直:,令 ,;,,(有限)。故 是铅直渐近线,但只在右侧,因为在左侧曲线趋于点 。
斜:;

故斜渐近线为 ,两端相同;本题没有水平渐近线。 本题同时用到了单侧的铅直渐近线,以及用等价无穷小求斜渐近线截距这两点。
💡 小知识
经典的省铁皮易拉罐问题里,数学上的最优解是高等于底面直径,也就是一个方方正正的胖罐子。可现实中的可乐罐明显更高更瘦:上下盖的封边更费料也更贵,还要考虑握在手里是否顺手。数学意义上的最优与工程意义上的最优,在这里分道扬镳。

基础例题

从最基础开始,循序渐进;先独立尝试,再展开完整解答。

例 1 求 在闭区间 上的最大值与最小值。 难度 1(驻点)。比较驻点与端点的函数值:

故最大值为 ,最小值为 。
例 2 求曲线 的水平渐近线与铅直渐近线。 难度 1铅直:,故 是铅直渐近线。
水平:,故 是水平渐近线。
例 3 求曲线 的所有渐近线。 难度 2定义域 。把函数分离:。
铅直:,故 是铅直渐近线。
斜渐近线:当 时 ,故 是斜渐近线。因 ,无水平渐近线。
例 4 周长为 的矩形,问长、宽各为多少时面积最大,最大面积是多少? 难度 2设矩形一边长为 ,则另一边为 ()。面积

,,故 为极大即最大值点。此时另一边也为 ,最大面积 。即边长均为 (正方形)时面积最大,为 。

真题精选

近年原题,先做做看、自动判分,再对照答案、思路与完整解答。

2023 年 · 数一 · 第 1 题 · 选择题 · 5 分

曲线 的斜渐近线方程为(  )
  • A.
  • B.
  • C.
  • D.

2023 年 · 数一 · 第 17 题 · 解答题 · 10 分

设曲线 经过点 ,该曲线上任一点 到 轴的距离等于该点处的切线在 轴上的截距。

(Ⅰ)求 ;

(Ⅱ)求函数 在 上的最大值。

2022 年 · 数一 · 第 17 题 · 解答题 · 10 分

设函数 是微分方程 满足条件 的解,求曲线 的渐近线。

2017 年 · 数一 · 第 2 题 · 选择题 · 4 分

设函数 可导,且 ,则(  )
  • A.
  • B.
  • C.
  • D.

随堂练习

先用基础题热身,再按年份从新到旧挑战本知识点的其余真题。

练习 1 · 选择题

在 上的最大值为( )
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 2 · 填空题

曲线 的铅直渐近线为 ____。

练习 3 · 选择题

曲线 的水平渐近线为( )
  • A
  • B
  • C
  • D无水平渐近线

练习 4 · 填空题

曲线 的斜渐近线为 ____。

练习 5 · 填空题

周长为 的矩形中,面积最大时的边长为 ____。

练习 6 · 选择题

设 在 的某邻域内连续,且 ,则( )。
  • A 不是 的极值点
  • B 是 的极小值
  • C 是 的极大值
  • D条件不足,无法判断

练习 7 · 填空题

抛物线 上的点到直线 的最短距离为 ____。

练习 8 · 解答题

设 。

求 的单调区间与极值;

求曲线 的所有渐近线。

2014 年 · 数一 · 第 1 题 · 选择题 · 4 分

下列曲线中有渐近线的是(  )
  • A
  • B
  • C
  • D

2012 年 · 数一 · 第 1 题 · 选择题 · 4 分

曲线 的渐近线的条数为(  )
  • A.
  • B.
  • C.
  • D.