乐思数学通 › 考研数学(二) › 第 2 章 一元函数微分学

导数应用:最值、渐近线、作图

§2.11 · 方法技巧🌱 基础篇 →

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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. 极值与最值的区别:闭区间上还须比较端点处的函数值★★ 必会

极值是局部概念,最值是全局概念,二者不能混为一谈。设函数在闭区间 上连续,则它在这个区间上的最大值与最小值一定存在,而可能取到最值的点只有三类:驻点 不可导点 端点。也就是说,除了极值点以外,端点也常常是最大值或最小值的所在。如果函数在区间内部可导,并且只有唯一驻点,同时能判定它是极大值点,那么最大值就在这个驻点处取得。能判定它是极小值点时,最小值也在这里取得。判定的依据可以是问题本身的性质,也可以是二阶导数的符号。这时不必再与端点处的函数值比较。必须注意:内部可导与驻点唯一这两个条件都不能省去。如果区间内部还有不可导点,那么即使驻点唯一,最值也可能在端点取得。
证明 / 推导候选点为什么只有那三类. 先证费马引理,它是整张候选点表的依据。
费马引理. 设 是区间的内点, 在 处可导,且 是 的极值点,那么 。
证 不妨设 是极大值点。由极大值的定义,存在 ,使当 时有 ,即 。当 时分母为正,故

令 ,由极限的保号性得右导数 。当 时分母为负而分子仍不超过零,故上面的商大于或等于零;令 ,得左导数 。因 在 可导,左右导数相等,于是

故 。极小值的情形同理可证。
候选点表的完备性. 设 在 上连续。由最值定理, 在 上取到最大值,设它在 处取得。如果 或 ,那么 是端点。如果 ,那么 同时也是极大值,此时又分两种情形。若 在 可导,由费马引理得 ,即 是驻点。若 在 不可导,则 是不可导点。这三类之外再没有别的可能。最小值同理。这就证明了只需在驻点、不可导点与端点处比较函数值。
条件不能减弱. 上面用到了闭区间与连续这两个条件。如果区间不是闭的,最值可能根本不存在,例如 在 上既无最大值也无最小值。如果函数不连续,最值也可能不存在。因此比较端点处的函数值这一步,本身就以区间为闭区间、函数为连续函数作前提。
举例说明例. 求 在 上的最值。
解. ,得驻点 ,它们都在区间内部。比较驻点处与端点处的函数值:

可见最大值 与最小值 都在端点取得,而两个驻点给出的 既不是最大值也不是最小值。由此可见,如果不比较端点处的函数值,就会得出错误的结论。

2. 斜渐近线公式的推导:先求斜率 ,再求截距 ★★ 必会

曲线有斜渐近线 (这里 ),是指当 时 。根据这一定义可以依次求出 :先求 ,再求 。只有这两个极限都存在时,斜渐近线才存在;如果只求出 而不求 ,渐近线的方程仍未确定。对于分式函数,用多项式除法往往比直接求极限来得简便。
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 / 推导公式推导. 设 为 时的渐近线,则 。两边同除以 ,得

求得 以后,再由 即得 。
举例说明例. 求 的斜渐近线。
解(多项式除法). 由 得 。当 时,余项 ,所以斜渐近线为 。
(也可用公式核对:,,结果一致。)

3. 三类渐近线都要检查,并且两端分别讨论:同一侧的水平渐近线与斜渐近线不能并存★★ 必会

求渐近线时,三种情形都要检查:铅直渐近线(在某点附近函数值趋于无穷,这样的点多出现在分母为零或对数的真数为零处)、水平渐近线( 时 )、斜渐近线( 这两个极限都存在)。有两点必须注意:① 与 必须分别讨论,因为两侧的渐近线可能不同;②在同一侧,有水平渐近线就不会再有斜渐近线,这是因为此时 ,即 。
举例说明例. 求 的渐近线。
解. 函数处处有定义,故无铅直渐近线;又当自变量趋于无穷时 ,故无水平渐近线。下面分两端求斜渐近线:
当 时,,,于是得 ;
当 时,,,于是得 。
两侧的渐近线并不相同,如果不分开讨论,就会漏掉其中一条。

4. 实际问题中的最值:建立目标函数、写明定义域、验证所求为最值★ 要懂

解应用问题中的最值题,一般按下列步骤进行:①设出变量,由约束条件建立目标函数,同时必须写清定义域(例如长度、半径应满足 );②求出目标函数的驻点;③验证所求的确是最值。如果区间内部只有唯一驻点,那么可由二阶导数或问题本身的性质说明它是极大值点还是极小值点,从而它就给出所求的最值。定义域没有写明,或者没有验证所得为最值,都会造成失分。
举例说明例. 设圆柱形闭合罐的容积 为定值,问半径 与高 各取何值时全表面积最小?
解. 由约束条件 。于是全表面积(定义域为 )为

令 ,这是唯一的驻点。又 ,所以在该点处取得最小值。此时

即当高等于底面直径时用料最省。
💡 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。现实中的可乐罐却明显更高更瘦,因为上下盖的封边比侧壁更费料也更贵,还要照顾握在手里的感觉。数学意义上的最优和工程意义上的最优,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候选点:驻点由 得 ,落在 内的只有 ;无不可导点;端点 。比较函数值:

故最大值为 ,最小值为 。
例 2 求曲线 的渐近线。 难度 1定义域 。
铅直:,故 是铅直渐近线。
斜渐近线:,,故 。
因 ,无水平渐近线。综上:铅直 ,斜渐近线 。
例 3 做一个容积为 、底面为正方形的无盖长方体水箱。问底边长 、高 为多少时,用料(表面积)最省? 难度 2建立目标函数并写定义域. 设底边 、高 ,容积 ,故 。无盖表面积(底 + 四侧):

求最小. (唯一驻点)。又 ,故 为极小、亦即最小。
此时 ,最小表面积 。
例 4 求曲线 的渐近线。 难度 2定义域 。
铅直: 时 ,,故 是铅直渐近线( 时 ,不影响结论)。
斜渐近线:

(末式令 ,)。故斜渐近线 ,两端相同。无水平渐近线。

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。

2025 年 · 数二 · 第 12 题 · 填空题 · 5 分

曲线 的渐近线方程为 ___。

2024 年 · 数二 · 第 19 题 · 解答题 · 12 分

设 ,平面有界区域 由曲线 与直线 及 轴围成, 绕 轴旋转一周所成旋转体的体积为 ,求 的最大值。

2023 年 · 数二 · 第 1 题 · 选择题 · 5 分

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

2023 年 · 数二 · 第 17 题 · 解答题 · 10 分

设曲线 经过点 , 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)在 上求一点,使该点处的切线与两坐标轴所围三角形的面积最小,并求此最小面积。

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 · 选择题

曲线 的铅直渐近线为( )
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 3 · 填空题

曲线 的水平渐近线为 ____。

练习 4 · 填空题

曲线 的斜渐近线为 ____。

练习 5 · 填空题

函数 在 上的最小值为 ____。

练习 6 · 选择题

曲线 的渐近线共有( )条。
  • A 条
  • B 条
  • C 条
  • D 条

练习 7 · 填空题

曲线 上的点到点 的最短距离为 ____。

练习 8 · 解答题

设 。

(1) 求 的单调区间与极值;

(2) 说明 是 的驻点但不是极值点,并指出点 在曲线上的几何意义;

(3) 求曲线 的全部渐近线。

2021 年 · 数二 · 第 4 题 · 选择题 · 5 分

设函数 有 个零点,则 的取值范围是(  )
  • A
  • B
  • C
  • D

2021 年 · 数二 · 第 18 题 · 解答题 · 12 分

已知 ,求 的凹、凸区间及渐近线。