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) 在 [a,b] 上连续,在 (a,b) 内可导。
①如果在 (a,b) 内 f′(x)≥0,且等号仅在有限个点处成立,那么函数 y=f(x) 在 [a,b] 上严格单调增加;
②如果在 (a,b) 内 f′(x)≤0,且等号仅在有限个点处成立,那么函数 y=f(x) 在 [a,b] 上严格单调减少。
也就是说,若任意 x∈(a,b) 有 f′(x)>0,则 f(x) 在 [a,b] 上严格单调增加,即 x1<x2 时,f(x1)<f(x2)。
2 一阶可导点是极值点的必要条件
设 f(x) 在 x=x0 处可导,且在点 x0 处取得极值,则必有 f′(x0)=0。
3 判别极值的第一充分条件
设 f(x) 在 x=x0 处连续,且在 x0 的某去心邻域 U(x0,δ)(δ>0) 内可导。
①若 x∈(x0−δ,x0) 时,f′(x)<0,而 x∈(x0,x0+δ) 时,f′(x)>0,则 f(x) 在 x=x0 处取得极小值;
②若 x∈(x0−δ,x0) 时,f′(x)>0,而 x∈(x0,x0+δ) 时,f′(x)<0,则 f(x) 在 x=x0 处取得极大值;
③若 f′(x) 在 (x0−δ,x0) 和 (x0,x0+δ) 内不变号,则点 x0 不是极值点。
4 判别极值的第二充分条件
设 f(x) 在 x=x0 处二阶可导,且 f′(x0)=0, f′′(x0)=0。
①若 f′′(x0)<0,则 f(x) 在 x0 处取得极大值;
②若 f′′(x0)>0,则 f(x) 在 x0 处取得极小值。
5 判别极值的第三充分条件
设 f(x) 在 x=x0 处 n 阶可导,且
f′(x0)=f′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)=0(n≥2),
则
①当 n 为偶数且 f(n)(x0)<0 时,f(x) 在 x0 处取得极大值;
②当 n 为偶数且 f(n)(x0)>0 时,f(x) 在 x0 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 → 凹凸性;二阶导数变号 → 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) 在区间 I 上连续,如果对 I 上任意不同两点 x1,x2,恒有
f(2x1+x2)<2f(x1)+f(x2),
则称 y=f(x) 在 I 上的图形是凹的(或凹弧);如果恒有
f(2x1+x2)>2f(x1)+f(x2),
则称 y=f(x) 在 I 上的图形是凸的(或凸弧)。

定义 2 设 f(x) 在 [a,b] 上连续,在 (a,b) 内可导,若对 (a,b) 内的任意 x 及 x0(x=x0),均有
f(x0)+f′(x0)(x−x0)(>)<f(x),(*)
则称 f(x) 在 [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) 在 I 上二阶可导。
①若在 I 上 f′′(x)>0,则 f(x) 在 I 上的图形是凹的;
②若在 I 上 f′′(x)<0,则 f(x) 在 I 上的图形是凸的。
2 二阶可导是拐点的必要条件
设 f′′(x0) 存在,且点 (x0,f(x0)) 为曲线的拐点,则 f′′(x0)=0。
3 判别拐点的第一充分条件
设 f(x) 在点 x=x0 处连续,在点 x=x0 的某去心邻域 U(x0,δ) 内二阶导数存在,且在该点的左、右邻域内 f′′(x) 变号(无论是由正变负,还是由负变正),则点 (x0,f(x0)) 为曲线的拐点。
4 判别拐点的第二充分条件
设 f(x) 在 x=x0 的某邻域内三阶可导,且
f′′(x0)=0,f′′′(x0)=0,
则点 (x0,f(x0)) 为曲线的拐点。
5 判别拐点的第三充分条件
设 f(x) 在 x0 处 n 阶可导,且
f(m)(x0)=0(m=2,⋯,n−1),f(n)(x0)=0(n≥3),
则当 n 为奇数时,点 (x0,f(x0)) 为曲线的拐点。
2.3.3 秒杀!x 的多项式的极值点拐点
对形如
f(x)=(x−x1)k1(x−x2)k2⋯(x−xm)km
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 x 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)
设 x0 是方程 f(x)=0 的 n 重根(n∈N+),即
f(x)=(x−x0)ng(x),g(x0)=0.
若 g(x) 具有 n 阶连续导数,则:
- 导数充要特征:
f(x0)=f′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)=0.
- 重数规律(求一次导,重数减一):
- 当 n=1 时(单根),f′(x0)=0,即 x0 不是导方程 f′(x)=0 的根(单根不是驻点);
- 当 n≥2 时(重根),x0 是 f′(x)=0 的 n−1 重根。
- 依此类推,x0 是 f(k)(x)=0 的 n−k 重根(k≤n−1),且 x0 不是 f(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)=0 的实根 | 观察各因式 (x−xi)ki,每个不同的 xi 均为一个零点,总重数 ∑ki。 |
| 驻点 | f′(x)=0 的实根 | ① 降重根:每个 ki≥2 的零点贡献 ki−1 重驻点; ② 穿插根(罗尔定理):m 个不同零点之间穿插产生 m−1 个单重驻点。 |
| 极值点 | f′(x) 穿轴变号的点(即 f′(x)=0 的奇数重根) | ① 原偶数重根:ki 为偶数 求导 f′(x) 的奇数重根 ⟹ 是极值点; ② 原奇数重根:ki 为奇数 求导 f′(x) 的偶数重根(或非根) ⟹ 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) ⟹ 全是极值点。 |
| 拐点 | f′′(x) 穿轴变号的点(即 f′′(x)=0 的奇数重根) | ① 原奇数重根(ki≥3):ki 为奇数 求导两次 f′′(x) 的奇数重根 ⟹ (xi,0) 是拐点; ② 原偶数重根:ki 为偶数 求导两次 f′′(x) 的偶数重根(或非根) ⟹ 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 ⟹ 全是拐点。 |
2.3.4 图像 + 极值点拐点
这类题不给出 f(x) 的表达式,只给出 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 f′、f′′ 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 f′、f′′ 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) 的表达式:把 x=x0 代入方程得到 f′′(x0) 的值,再对方程两边逐次求导、再代入 x0,就能依次得到 f′′′(x0)、f(4)(x0) 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。f′ 变号即极值,f′′ 变号即拐点;而 f′=0、f′′=0 本身什么都说明不了。y=x3(f′=0 但不是极值点)、y=x4(f′′=0 但不是拐点)、y=∣x∣(f′ 不存在但是极值点)、y=3x(f′ 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)=0 时立刻失效。所以做题的顺序是:能算 f′′ 就算,算出来是 0 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′′,… 这一列取首个非零阶;拐点看 f′′,f′′′,… 这一列取首个非零阶,判据都是”偶数阶非零 → 极值 / 奇数阶非零 → 拐点”,区别只是起点平移一阶。2.3.3 的重根判据(k 偶是极值点、k 奇且 k≥3 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′′(x0),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=0 与 x=x5 两条铅直渐近线处 f′ 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∣>0 直接写出而没有交代 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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