Section02_单调性与极值
极值的判断
- 定义:y=f(x)(x∈D)
- 若∃ δ>0,当 0<∣x−x0∣<δ 时,f(x)<f(x0),x0为极大值点,f(x0)为极大值
- 若∃ δ>0,当 0<∣x−x0∣<δ 时,f(x)>f(x0),x0为极小值点,f(x0)为极小值
Note: 极值点定不为端点
- 步骤
- 找出x∈D
- 找出f′(x){=0∄ 对应的x0
- 判别法
- Th1 第一充分条件(两种条件均可使用)
- {f(x)>0,x>x0f(x)<0,x<x0⇒x=x0为极小值点
- {f(x)<0,x>x0f(x)>0,x<x0⇒x=x0为极大值点
- Th2 第二充分条件(仅适用于f′(x0)=0,∃ f′′(x0)=0)
- f′′(x0)<0⇒x=x0为极大值点
- f′′(x0)>0⇒x=x0为极大值点
问题类型
型一 极值点的判断
- 例1 f′(1)=0,x→1limsinπxf′(x)=−1,x=1是什么点?
∵∴∴∴∵∴∵∴∴Method 1x→1limsinπxf′(x)=−1∃δ>0,When 0<∣x−1∣<δ,sinπxf′(x)=−1<0{f′(1)<0,x∈(1−δ,1)f′(1)>0,x∈(1,1+δ)x=1为函数f(x)的极小值点Method 2x→1limsin(π+π(x−1))f′(x)=−1,f′(1)=0x→1lim−sin(π(x−1))f′(x)−f′(1)=−1x→1limsinπ(x−1)∼π(x−1)左式=x→1limπ(x−1)f′(x)−f′(1)=1f′′(1)=π>0x=1为极小值点
- 例2 f(x)∈[−∞,+∞],f′(x)图像如下所示,f(x)有多少个极值点?
_01.jpg)
∵∴∵∴∵∴∵∴∵∴当x=a,b,0,c,d时,f′(x){=0∄{f′(x)>0,x<af′(x)<0,x>ax=a为极大值点{f′(x)<0,x<bf′(x)>0,x>bx=b为极小值点{f′(x)>0,x<0f′(x)<0,x>0x=0为极大值点{f′(x)<0,x<cf′(x)<0,x>cx=c不为极值点{f′(x)<0,x<df′(x)>0,x>dx=d为极小值点
- 例3 f(x)在x=0处二阶可导,f(0)=0且x→0limxf(x)+f′(x)=2,则:
A. f(0)为极大值点
B. f(0)为极小值点
C. (0,f(0))为拐点
D. f(0)不为极值点,(0,f(0))也不为拐点
∵∴∴∴∴∴x→0limxf(x)+f′(x)=2x→0limf(x)+f′(x)=0f′(0)=0x→0limxf(x)+f′(x)=x→0limx−0f(x)−f(0)+x→0limx−0f′(x)−f′(0)=f′(0)+f′′(0)f′′(0)=2>0x=0为极小值点
- 例4 f(x)二阶可导,x→2lim(x−2)3f′(x)=32,则:
A. f(2)为极小值
B. f(2)为极大值
C. (2,f(2))为拐点
D. f(2)不为极值,且(2,f(2))不为拐点
∵∴∴∴x→2lim(x−2)3f′(x)=32f′(2)=0∃ δ>0,0<∣x−2∣<δ,(x−2)3f′(x)=32>0{f′(x)<0,x∈(2−δ,2)f′(x)>0,x∈(2,2+δ)x=2为极小值点
型二 函数零点或方程的根
常用方法
- 零点定理 f(x)∈C[a,b],f(a)f(b)<0⇒∃ c∈(a,b),f(c)=0
- Rolle中值定理
- f(x)⇒F(x)(F′(x)=f(x))
- 若F(a)=F(b), ∃ ζ∈(a,b),F′(ζ)=f(ζ)=0
- 单调性
- f(x)=(⋯)x∈(m,M)
- f′(x){=0∄
- 关注两端的趋势x→mlimf(x),x→Mlimf(x)
例题
- 例1 a0+2a1+⋯+nan=0,证明 a0+a1x+⋯+anxn=0 至少有一正根
∴∵∵∴∴∴令f(x)=a0+a1x+⋯+anxn则F(x)=∫f(x)⋅dxF(x)=a0x+2a1x2+⋯+nanxn+1F(0)=0,F(1)=a0+2a1+⋯+nana0+2a1+⋯+nan=0F(0)=F(1)∃ ζ∈(0,1),F′(ζ)=0即f(ζ)=0原方程至少有一个正根
- 例2 证明ex=−x2+4+a 不可能有3个不同解
∴∴∵∴令f(x)=ex+x2−4x−a设x1<x2<x3为f(x)的3个零点∃ ζ1∈(x1,x2),ζ2∈(x2,x3)f′(ζ1)=f′(ζ2)=0∃ ζ∈(ζ1,ζ2),f′′(ζ)=0f′′(x)=ex+2>0原方程不可能存在3个不同解
- 例3 讨论xe−x=a(a>0)的根的个数
∴∵∴∵∴∴令f(x)=xe−x−ax∈[0,+∞)f′(x)=e−x(1−x)f′(1)=0且{f′(x)>0,x<1f′(x)<0,x>1x=1为函数f(x)的最大值点f(0)=−a<0,n→+∞limxe−x−a=−a<0若函数有零点f(1)≥0a≤e1a>e1时,函数f(x)无零点,即原方程无解a=e1时,函数f(x)仅有一零点,即原方程仅有一个根a<e1时,函数f(x)仅有两零点,即原方程有两个不同根
- 例4 讨论 lnx=ex−2 的根
∴∵∴∵∴令f(x)=lnx−ex+2x∈(0,+∞)f′(x)=x1−e1f′(e)=0且{f′(x)>0,x<ef′(x)<0,x>ex=e为函数f(x)的最大值,f(e)=1>0x→0+limf(x)=−∞<0x→+∞limf(x)=−∞<0f(x)有两个零点,即原方程有两个不同根
型三 不等式证明
常用方法
- 根据单调性
- 中值定理
例题
- 例1 x>0,证明 1+xx<ln(1+x)<x
∵∴∴∴∴∵∴∵∴Method 1令f(x)=1+xx−ln(1+x)x∈(0,+∞)令g(x)=x−ln(1+x)x∈(0,+∞)f′(x)=(1+x)21−1+x1=(1+x)2−x且{f′(0)=0f′(x)<0,x>0g′(x)=1+xx且{g′(0)=0g′(x)>0,x>0f(x)<x→0+limf(x),g(x)>x→0+limg(x)f(x)<0,g(x)>01+xx−ln(1+x)<0x−ln(1+x)>01+xx<ln(1+x)<xMethod 2令f(x)=ln(1+x)∃ ζ∈(0,x),f′(ζ)=x−0ln(1+x)−ln(1+0)=xln(1+x)f′(ζ)=1+ζ11+x1<f′(ζ)<1+011+x1<xln(1+x)<1+01x>01+xx<ln(1+x)<x
- 例2 e<a<b,证明 ab>ba
∵∴∵∴∵∴∵∴ab>ba⇔eblna>ealnb⇔blna>alnb令f(x)=xlna−alnxx∈(a,+∞)f′(x)=lna−xax>a>ef′(x)=lna−xa>0f(a)=0f(x)>f(a)=0x>ab>af(b)>0blna−alnb>0blna>alnbab>ba
- 例3 0<a<b,证明 b−alnb−lna>a2+b22a
∴∵∴∵∴令f(x)=lnxx∈(0,+∞)∃ ζ∈(a,b)⊂(0,+∞),f′(ζ)=b−alnb−lna而f′(x)=x1a2+b2>2ab0<a<ba2+b22a<2ab2a=b1f′(ζ)=ζ1>b1>a2+b22af′(ζ)=b−alnb−lna>a2+b22a原不等式成立
- 例4 b>a>0,证明 lnab>a+b2(b−a)
∴∴∵∴∴∴∵∴lnab>a+b2(b−a)⇔(a+b)(lnb−lna)−2(b−a)>0令f(x)=(a+x)(lnx−lna)−2(x−a)x>af(a)=0,f′(x)=(lnx−lna)+xa+x−2f′(a)=0,f′′(x)=x1+x2−ax>a>0f′′(x)>0f′(x)>f′(a)=0,x>af(x)>f(a)=0,x>ab>af(b)=(a+b)(lnb−lna)−2(b−a)>0lnab>a+b2(b−a)