导数符号用于判断局部变化趋势。极值是附近的比较,最值是整个给定范围内的比较。
导数、单调性与局部极值
设 f 在区间 I 内可导。由本篇给出的中值定理可得单调性判定:f′≥0 时 f 非减,f′≤0 时 f 非增;特别地,处处 f′>0 时严格递增,处处 f′<0 时严格递减。
条件须在一个区间上成立,不能把被无定义点隔开的若干区间直接合并。严格递增也不要求每一点导数都大于零,例如 x3 在实数域严格递增,但零点导数为零。
极值与驻点
若在 x0 的某个邻域内,都有 f(x)≤f(x0),称 f(x0) 为局部极大值;将不等号反向得到局部极小值。本页采用允许邻近点相等的非严格定义。若对邻域中所有 x=x0 都严格不等,则称严格局部极值。
可导且位于定义区间内部的极值点必满足 f′(x0)=0,这样的点称为驻点。以极大值为例:正增量对应的差商不大于零,负增量对应的差商不小于零;两侧若趋于同一个导数,该导数只能是零。
驻点未必为极值点。例如 f(x)=x3 在零点有 f′(0)=0,但函数从负值连续增至正值,没有极值。不可导点也可能是极值点,例如 ∣x∣ 的零点。
用导数符号变化判定
设 f 在 x0 连续,并在两侧的某个去心邻域内可导:
| 左侧导数 |
右侧导数 |
结论 |
| 严格为正 |
严格为负 |
x0 为严格极大值点 |
| 严格为负 |
严格为正 |
x0 为严格极小值点 |
| 严格为正 |
严格为正 |
穿过 x0 仍递增,不是极值点 |
| 严格为负 |
严格为负 |
穿过 x0 仍递减,不是极值点 |
依据是相应区间内的单调性与连接点的连续性。前两行是充分条件,不能把它们说成任意可导函数取得极值的唯一方式。
闭区间最值
连续函数在闭区间上有最大值和最小值,这是本页采用的基本定理。求解时比较端点、区间内驻点及不可导点的函数值;驻点有限时可以逐个列表。最值必须在整个给定范围比较,不能只从某个局部极值决定。
单调性判定的依据:罗尔定理与中值定理
这里采用连续函数在闭区间取得最大值和最小值的基本定理;结合可导内点极值的必要条件,可以说明为什么导数符号控制区间内的增减。
罗尔定理
若 a<b,f 在 [a,b] 连续、在 (a,b) 可导,且 f(a)=f(b),则存在 ξ∈(a,b),使 f′(ξ)=0。
证明。 若 f 恒定,任一内点都满足结论。否则至少有一个函数值高于或低于相等的端点值。闭区间上存在的最大值或最小值因而至少有一个在内点取得;该点可导,由极值必要条件,其导数为零。
三个条件都不可省略。例如 ∣x∣ 在 [−1,1] 端点值相等且连续,但内点零处不可导,其他点导数不为零;f(x)=x 在 [0,1] 连续可导但端点不等,也没有零导数。
拉格朗日中值定理
若 f 在 [a,b] 连续、在 (a,b) 可导,则存在 ξ∈(a,b),使
f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a).
证明。 减去端点连线,设
g(x)=f(x)−f(a)−b−af(b)−f(a)(x−a).
它满足罗尔定理条件且 g(a)=g(b)=0。某内点有 g′(ξ)=0,移项便得结论。
任取区间中的 x1<x2,将中值定理用于 [x1,x2],即得 f(x2)−f(x1)=f′(ξ)(x2−x1)。故 f′≥0 时函数非减,f′>0 时严格递增;导数非正或负时结论反向。处处导数为零则任意两点函数值相同,函数恒定。区间不能跨过函数无定义的位置,因为那样无法满足闭区间连续条件。
柯西中值定理:比较两个增量
设 f,g 在 [a,b] 上连续、在 (a,b) 上可导,其中 a<b,且 g′(x)=0 对每个内部点成立。则存在 ξ∈(a,b),使
g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ).
先由罗尔定理确认 g(b)=g(a):否则内部必有 g′=0,与条件矛盾。令
H(x)=[g(b)−g(a)][f(x)−f(a)]−[f(b)−f(a)][g(x)−g(a)].
有 H(a)=H(b)=0,且满足罗尔定理的连续、可导条件,因此存在 H′(ξ)=0。展开后除以两个非零量 g(b)−g(a)、g′(ξ),即得结论。取 g(x)=x 就回到拉格朗日中值定理。
将 (g(t),f(t)) 看成一条参数曲线,左边是两端点连线的斜率,右边是内部一点的切线斜率;条件 g′=0 保证这一斜率表示有意义。
二阶导数判别极值
设 f 在 x0 的某邻域内可导,f′ 在 x0 可导,并且 f′(x0)=0。
- 若 f′′(x0)>0,则 x0 为严格极小值点。
- 若 f′′(x0)<0,则 x0 为严格极大值点。
- 若 f′′(x0)=0,这个判别法不能给出结论。
证明。 由二阶导数定义,
h→0limhf′(x0+h)−f′(x0)=f′′(x0).
当右边为正时,充分小的非零 h 使这个商为正。由于 f′(x0)=0,左侧 h<0 时 f′(x0+h)<0,右侧 h>0 时 f′(x0+h)>0。据一阶导数变号判别,得到严格极小值。右边为负时,导数左正右负,得到严格极大值。证明不要求二阶导数在整个邻域连续。
x4,−x4,x3 在零点均有一阶、二阶导数为零,却分别取得极小值、极大值、没有极值,说明零值情形必须进一步分析。
用符号表完成极值和最值分析
设 f(x)=x3−3x,则 f′(x)=3(x−1)(x+1)。导数在 (−∞,−1) 为正、(−1,1) 为负、(1,+∞) 为正,所以 x=−1 处为极大值 2,x=1 处为极小值 −2。
若只在闭区间 [−2,3] 上求最值,必须再比较端点:f(−2)=−2,f(3)=18。所以最大值为 18,最小值为 −2,在 x=−2,1 两处取得。极大值不一定是区间最大值,端点也可能取得最小值。
导数为零只是可导内点取得极值的必要条件。例如 x3 在 0 处导数为零,函数却仍严格递增;∣x∣ 在 0 处取得最小值,但该点不可导。
例:闭区间最值
f(x)=x3−3x 在 [−2,2] 上,f′=3(x−1)(x+1),区间按 −1,1 分割,导数符号为正、负、正。
比较端点与驻点值:f(−2)=−2,f(−1)=2,f(1)=−2,f(2)=2。最大值为 2,最小值为 −2,两者都可在多个点取得。
边界
对连续闭区间函数可比较端点、内部驻点和不可导点。对开区间不能假设最值存在,如 f(x)=x 在 (0,1) 只有上下界而无最大最小值。单调性判定的证明见本篇中值定理部分;应用时必须核对定义区间。
关联阅读
先修:基本导数与复合求导。
同主题:基本导数与复合求导 · 导数中的参数、零点与恒成立。
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