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2.3 单调性、凹凸性、极值点、拐点

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2.3 单调性、凹凸性、极值点、拐点

上一节:2.2 可导性的判断 · 总目录 · 笔记整理索引 · 下一节:2.4 导数相关的计算

2.3.1 单调性与极值点相关知识点

单调性与极值的四个结论(单调性判别、极值必要条件、第一/第二充分条件)是后面一切”抽象函数判极值”题型的公共工具,先把它们的判断依据、使用条件、注意点理清,再去看各题型。

1 单调性的判别

设函数 y=f(x)y=f(x)[a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内可导。

①如果在 (a,b)(a,b)f(x)0f'(x)\ge0,且等号仅在有限个点处成立,那么函数 y=f(x)y=f(x)[a,b][a,b] 上严格单调增加;

②如果在 (a,b)(a,b)f(x)0f'(x)\le0,且等号仅在有限个点处成立,那么函数 y=f(x)y=f(x)[a,b][a,b] 上严格单调减少。

也就是说,若任意 x(a,b)x\in(a,b)f(x)>0f'(x)>0,则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上严格单调增加,即 x1<x2x_1<x_2 时,f(x1)<f(x2)f(x_1)<f(x_2)

2 一阶可导点是极值点的必要条件

f(x)f(x)x=x0x=x_0 处可导,且在点 x0x_0 处取得极值,则必有 f(x0)=0f'(x_0)=0

3 判别极值的第一充分条件

f(x)f(x)x=x0x=x_0 处连续,且在 x0x_0 的某去心邻域 U(x0,δ)(δ>0)U(x_0,\delta)(\delta>0) 内可导。

①若 x(x0δ,x0)x\in(x_0-\delta,x_0) 时,f(x)<0f'(x)<0,而 x(x0,x0+δ)x\in(x_0,x_0+\delta) 时,f(x)>0f'(x)>0,则 f(x)f(x)x=x0x=x_0 处取得极小值;

②若 x(x0δ,x0)x\in(x_0-\delta,x_0) 时,f(x)>0f'(x)>0,而 x(x0,x0+δ)x\in(x_0,x_0+\delta) 时,f(x)<0f'(x)<0,则 f(x)f(x)x=x0x=x_0 处取得极大值;

③若 f(x)f'(x)(x0δ,x0)(x_0-\delta,x_0)(x0,x0+δ)(x_0,x_0+\delta) 内不变号,则点 x0x_0 不是极值点。

4 判别极值的第二充分条件

f(x)f(x)x=x0x=x_0 处二阶可导,且 f(x0)=0, f(x0)0f'(x_0)=0,\ f''(x_0)\ne0

①若 f(x0)<0f''(x_0)<0,则 f(x)f(x)x0x_0 处取得极大值;

②若 f(x0)>0f''(x_0)>0,则 f(x)f(x)x0x_0 处取得极小值。

5 判别极值的第三充分条件

f(x)f(x)x=x0x=x_0nn 阶可导,且

f(x0)=f(x0)==f(n1)(x0)=0,f(n)(x0)0(n2),f'(x_0)=f''(x_0)=\cdots=f^{(n-1)}(x_0)=0,\qquad f^{(n)}(x_0)\ne0\quad(n\ge2),

①当 nn 为偶数且 f(n)(x0)<0f^{(n)}(x_0)<0 时,f(x)f(x)x0x_0 处取得极大值;

②当 nn 为偶数且 f(n)(x0)>0f^{(n)}(x_0)>0 时,f(x)f(x)x0x_0 处取得极小值。

2.3.2 凹凸性与拐点相关知识点

凹凸性刻画的是”曲线弯曲的方向”,拐点则是凹凸性的分界点。判别逻辑与极值完全平行:二阶导数符号 \to 凹凸性;二阶导数变号 \to 拐点

1 凹凸性的定义

《全国硕士研究生招生考试数学考试大纲》规定如下:

定义 1 设函数 f(x)f(x) 在区间 II 上连续,如果对 II 上任意不同两点 x1,x2x_1,x_2,恒有

f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2,f\left(\frac{x_1+x_2}{2}\right) < \frac{f(x_1)+f(x_2)}{2},

则称 y=f(x)y=f(x)II 上的图形是凹的(或凹弧);如果恒有

f(x1+x22)>f(x1)+f(x2)2,f\left(\frac{x_1+x_2}{2}\right) > \frac{f(x_1)+f(x_2)}{2},

则称 y=f(x)y=f(x)II 上的图形是凸的(或凸弧)。

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定义 2 设 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内可导,若对 (a,b)(a,b) 内的任意 xxx0(xx0)x_0(x\ne x_0),均有

f(x0)+f(x0)(xx0)<(>)f(x),(*)f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0) \underset{(>)}{<} f(x),\tag{*}

则称 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的图形是凹的(凸的)。

2 拐点的定义

连续曲线的凹弧与凸弧的分界点称为该曲线的拐点。

3 凹凸性与拐点的判别

1 判别凹凸性

设函数 f(x)f(x)II 上二阶可导。

①若在 IIf(x)>0f''(x)>0,则 f(x)f(x)II 上的图形是凹的;

②若在 IIf(x)<0f''(x)<0,则 f(x)f(x)II 上的图形是凸的。

2 二阶可导是拐点的必要条件

f(x0)f''(x_0) 存在,且点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为曲线的拐点,则 f(x0)=0f''(x_0)=0

3 判别拐点的第一充分条件

f(x)f(x) 在点 x=x0x=x_0 处连续,在点 x=x0x=x_0 的某去心邻域 U(x0,δ)U(x_0,\delta) 内二阶导数存在,且在该点的左、右邻域内 f(x)f''(x) 变号(无论是由正变负,还是由负变正),则点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为曲线的拐点。

4 判别拐点的第二充分条件

f(x)f(x)x=x0x=x_0 的某邻域内三阶可导,且

f(x0)=0,f(x0)0,f''(x_0)=0,\qquad f'''(x_0)\ne0,

则点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为曲线的拐点。

5 判别拐点的第三充分条件

f(x)f(x)x0x_0nn 阶可导,且

f(m)(x0)=0(m=2,,n1),f(n)(x0)0(n3),f^{(m)}(x_0)=0\quad(m=2,\cdots,n-1),\qquad f^{(n)}(x_0)\ne0\quad(n\ge3),

则当 nn 为奇数时,点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为曲线的拐点。

2.3.3 秒杀!xx 的多项式的极值点拐点

对形如

f(x)=(xx1)k1(xx2)k2(xxm)kmf(x)=(x-x_1)^{k_1}(x-x_2)^{k_2}\cdots(x-x_m)^{k_m}

的多项式,零点、驻点、极值点、拐点的个数和位置都可以不解方程直接数出来:只要知道每个因式的重数,再配合”求一次导重数减一”和罗尔定理”穿插”,就能把各阶导数零点的重数表全部推出来。本节的结论在真题中主要用于快速定位 xx 轴上的极值点与拐点。

1. 核心定理:重根与导数的关系(求导降重法则)

x0x_0 是方程 f(x)=0f(x)=0nn 重根(nN+n\in\mathbb{N}^+),即

f(x)=(xx0)ng(x),g(x0)0.f(x)=(x-x_0)^n g(x),\qquad g(x_0)\ne0.

g(x)g(x) 具有 nn 阶连续导数,则:

  1. 导数充要特征f(x0)=f(x0)==f(n1)(x0)=0,f(n)(x0)0.f(x_0)=f'(x_0)=\cdots=f^{(n-1)}(x_0)=0,\qquad f^{(n)}(x_0)\ne0.
  2. 重数规律(求一次导,重数减一)
    • n=1n=1 时(单根),f(x0)0f'(x_0)\ne0,即 x0x_0 不是导方程 f(x)=0f'(x)=0 的根(单根不是驻点);
    • n2n\ge2 时(重根),x0x_0f(x)=0f'(x)=0n1n-1 重根。
    • 依此类推,x0x_0f(k)(x)=0f^{(k)}(x)=0nkn-k 重根(kn1k\le n-1),且 x0x_0 不是 f(n)(x)=0f^{(n)}(x)=0 的根。

2. “沉鱼落雁,闭月羞花”秒杀口诀与判断法则

判断这类多项式的极值点与拐点,只需两步:先用”求导降重”数出各阶导数零点的重数,再看重数的奇偶定”是否变号”。四个概念(零点、驻点、极值点、拐点)是同一条链条上的四个环节,整理成通用判据如下:

概念数学定义重数与变号判断法则
零点f(x)=0f(x)=0 的实根观察各因式 (xxi)ki(x-x_i)^{k_i},每个不同的 xix_i 均为一个零点,总重数 ki\sum k_i
驻点f(x)=0f'(x)=0 的实根① 降重根:每个 ki2k_i\ge 2 的零点贡献 ki1k_i-1 重驻点;
② 穿插根(罗尔定理)mm 个不同零点之间穿插产生 m1m-1 个单重驻点。
极值点f(x)f'(x) 穿轴变号的点(即 f(x)=0f'(x)=0奇数重根① 原偶数重根kik_i 为偶数 求导\xrightarrow{\text{求导}} f(x)f'(x) 的奇数重根     \implies 是极值点
② 原奇数重根kik_i 为奇数 求导\xrightarrow{\text{求导}} f(x)f'(x) 的偶数重根(或非根)     \implies 不是极值点
③ 穿插驻点:所有罗尔定理产生的单根驻点(奇数重)     \implies 全是极值点
拐点f(x)f''(x) 穿轴变号的点(即 f(x)=0f''(x)=0奇数重根① 原奇数重根(ki3k_i\ge 3kik_i 为奇数 求导两次\xrightarrow{\text{求导两次}} f(x)f''(x) 的奇数重根     \implies (xi,0)(x_i, 0) 是拐点
② 原偶数重根kik_i 为偶数 求导两次\xrightarrow{\text{求导两次}} f(x)f''(x) 的偶数重根(或非根)     \implies 不是拐点
③ 穿插拐点:导函数驻点之间由罗尔定理穿插产生的单根     \implies 全是拐点

2.3.4 图像 + 极值点拐点

这类题不给出 f(x)f(x) 的表达式,只给出 f(x)f'(x) 的图象,要求数出极值点与拐点的个数。解题动作固定:把”图象上的几何特征”翻译成”导数的变号”

2.3.5 极限表达式 + 极值点拐点

这类题的条件是”某个含 ff'ff'' 的极限式等于非零常数”,函数本身是抽象的。处理手法只有一句话:用极限的保号性把”极限值的符号”翻译成”去心邻域内的符号”,从而得到 ff'ff'' 的符号信息,再套 2.3.1 与 2.3.2 的判据。相关的基础工具见 1.1.14 函数极限概念题(保号性与定性分析)

2.3.6 微分方程 + 极值点拐点

这类题只是把条件写成微分方程的形式,通常不需要解出 f(x)f(x) 的表达式:把 x=x0x=x_0 代入方程得到 f(x0)f''(x_0) 的值,再对方程两边逐次求导、再代入 x0x_0,就能依次得到 f(x0)f'''(x_0)f(4)(x0)f^{(4)}(x_0) 等。思路与 2.3.5 完全一致。

2.3.7 隐函数 + 极值点拐点

2.3.8 几何意义 + 凹凸性

凹凸性的定义也可以完全用”弦、函数、切线三者的位置关系”来表达,这在选择题中往往比算二阶导数更快。

2.3.9 易错点清单与解题流程

我的总结

  • 这一节的两条主线其实是一条:“变号”决定性质,“等号”只提供候选ff' 变号即极值,ff'' 变号即拐点;而 f=0f'=0f=0f''=0 本身什么都说明不了。y=x3y=x^3f=0f'=0 但不是极值点)、y=x4y=x^4f=0f''=0 但不是拐点)、y=xy=|x|ff' 不存在但是极值点)、y=x3y=\sqrt[3]{x}ff' 不存在但是拐点)这四个例子把四种”等号或不存在”的情形全占了,我把它们当成一个固定的反例组来记。
  • 第一充分条件与第二充分条件的分工要清楚:第一充分条件是万能的(不要求可导点,只要求连续),第二充分条件省事(两次求值即可),但 f(x0)=0f''(x_0)=0 时立刻失效。所以做题的顺序是:能算 ff'' 就算,算出来是 00 就退回去看符号。
  • 第三充分条件我一直记不牢,这次把它拆成”看哪一列导数”来记:极值看 f,f,f',f'',\dots 这一列取首个非零阶;拐点看 f,f,f'',f''',\dots 这一列取首个非零阶,判据都是”偶数阶非零 \to 极值 / 奇数阶非零 \to 拐点”,区别只是起点平移一阶。2.3.3 的重根判据(kk 偶是极值点、kk 奇且 k3k\ge3 是拐点)正是它在多项式情形下的具体化,两条可以互相印证。
  • 这一节真正的考试难点不在判据本身,而在如何从题目条件里拿到导数信息。我把题型按”信息来源”分了五类(图象、极限式、微分方程、隐函数、多项式因式),每类的动作都是固定的:先把条件翻译成 f(x0)f'(x_0)f(x0)f''(x_0),再套判据。例 2.28(图象)、例 2.29–2.32(极限式)、例 2.33–2.34(微分方程)、例 2.35(隐函数)是同一条流水线上的四站。
  • 还需要补的地方:2.3.4 的图象题我只能凭”变号”判据和答案 4 个极值点、3 个拐点反推,图中 x=0x=0x=x5x=x_5 两条铅直渐近线处 ff' 的具体走势我没能逐段核清,复习时要把图重画一遍核对;例 2.30 的原始推导里有一处把 f(x)/x>0f''(x)/|x|>0 直接写出而没有交代 f(x)f(x)f(x)-f(-x) 的阶,我用泰勒展开补了这一步,但仍需与官方解析对照一次。

参考资料

  • 考研数学历年真题(年份与卷种随题标注)
  • 常见考研数学教材与辅导资料
  • 本人课程学习笔记。其中多项式零点—驻点—极值点—拐点所依据的「求一次导重数减一 + 罗尔定理穿插」模型及其口诀式表述,参考自某考研数学课程讲义(本笔记 2.3.3 节按自己的推导重新整理,口诀只保留在标题中)
  • 例题中涉及的具名题集与讲义:武忠祥高数辅导讲义(例 2.29、例 2.30、例 2.31)、李林 880(例 2.28)、张宇(例 2.34),以及各年份真题(例 2.27、例 2.33、例 2.35、例 2.36 与 2.3.3 中的 2011 数一真题)
  • 凹凸性、拐点的定义与各条充分条件采用《全国硕士研究生招生考试数学考试大纲》的表述

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