3.4 单调性、凹凸性、极值和最值

高等数学A1



周维祺

单调性与导数

  • 上连续,在上可导,若在上有:

  • ,则单调增;若,则单调不减;

  • ,则单调减;若,则单调不增;

  • 例:考虑速度函数,其导数为加速度,符号决定了速度的增减

练习

  • 判断下列函数的单调性





例子

  • 证明有且只有一个实根

  • ,则

  • 连续且单调不减,,因此有且只有一个实根

例子

  • 证明时,

  • ,则

  • 时连续且单调增,因此

练习

  • 证明有且只有一个实根

  • 证明时,

  • 证明时,

单调性与极值点

  • 是极值点且附近可导,则

  • 极值点也可能不可导,例:

  • 在极值点附近可导(从而连续),则显然在极值点附近两侧的增减性不同,从而的符号不同

单调性与极值点

  • 若二阶导数存在,则也可以借助二阶导数的符号来判断

  • 正: 极小;负:极大;零:不定

  • 是极值点,且存在,则也存在且为,从而


  • 分别考虑的符号即得结果

练习

  • 求以下函数的极值点和对应的极值





练习

  • 利用二阶导数求以下函数的极值点和对应的极值



求区间上的最值

  • 极值是局部性质,最值是全局性质

  • 函数在区间上可导,则其最值是其驻点,不可导点以及区间端点之一

  • 最值点在端点处的例子: 上;

  • 最值点不可导的例子:

练习

  • 上的最值

  • 求曲线 的切线在坐标上截距之和的最小值

  • 设某饮料销量为时具有成本,收入,求利润最大时的销量

凸集

  • 是凸集,若其中任意两点连线段上所有的点都在

  • 连线的直线方程:; 连线段:

  • 是凸集:, 都有

凸函数

  • 动机:函数图像上方围成的区域是凸集

  • 推导:

  • 定义:若在区间上连续,且对任意都满足
    , 则称上的凸函数

  • 存在,则是凸函数

注意

本课件中的凸函数沿用了英语文献的习惯,即convex function,如前所述,这一名称来源于凸集(convex set)的定义

在部分中文文献(包括本课程的教材)中,由于汉字字形的原因,convex function对应的函数被称为凹函数,阅读时应注意辨析

拐点

  • 函数凹凸性发生改变的点称为拐点

  • 二阶可导,则拐点处,反之不成立,例:

  • 拐点的判断较为复杂,本课程不作要求

  • 应注意拐点与极值点的区别,拐点图像拐弯的点

练习

  • 判断下列函数的凹凸性





  • ,证明时有

阅读:第3.6节函数图像的绘制

小结

  • 单调性的判断

  • 利用单调性或二阶导数求极值和最值

  • 凹凸性的判断