2.3 单调性、凹凸性、极值点与拐点:判别法则与八大题型
极值点看 f′(x) 变号,拐点看 f′′(x) 变号;极值点可以是不可导点,拐点也可以是;若 f′(x0)=f′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)=0,则 n 偶为极值、n 奇为拐点。
来源:邂逅遗憾 27 考研数学思维课,第二章”导数”,资料页 133—144。本文保留资料中的定理、例题、原解与手写批注。
一、单调性与极值点相关知识点
单调性的判别:若 f′(x)>0 在 [a,b] 上成立(等号仅在有限个点取到),则 f(x) 在 [a,b] 上严格单增。如 y=x3,y′=3x2≥0(仅 x=0 处为 0),仍严格单增。
极值点的必要条件:若 f(x) 在 x0 处可导且取极值,则 f′(x0)=0。
注:极值点可以在驻点(f′(x0)=0)处取得,也可以在不可导点处取得(如 y=∣x∣ 在 x=0 处)。
判别极值的三个充分条件:
第一充分条件(f′(x) 变号):
- f′(x) 左负右正 ⇒ 极小值
- f′(x) 左正右负 ⇒ 极大值
- f′(x) 不变号 ⇒ 非极值
f(x) 在 x=x0 处不一定可导,可能出现角点。
第二充分条件(f′′(x0)=0):设 f′(x0)=0,f′′(x0) 存在,则:
- f′′(x0)<0 ⇒ 极大值
- f′′(x0)>0 ⇒ 极小值
第三充分条件(高阶导):设 f′(x0)=f′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)=0(n≥2),则:
- n 为偶数:f(n)(x0)<0 为极大值,f(n)(x0)>0 为极小值
- n 为奇数:非极值(为拐点)
记忆方法:举 n=2 的特例记忆极值(f′′(x0)=0),举 n=3 的特例记忆拐点(f′′′(x0)=0)。
二、凹凸性与拐点相关知识点
凹凸性定义:设 f(x) 在区间 I 上连续,若对任意 x1,x2∈I:
f(2x1+x2)<2f(x1)+f(x2)
则图形为凹的(弦在曲线上方)。反之不等号方向相反则为凸的。
凹函数:弦 ≥ 函数 ≥ 切线。凸函数:切线 ≥ 函数 ≥ 弦。
判别凹凸性:f′′(x)>0 ⇒ 凹;f′′(x)<0 ⇒ 凸。
拐点的定义:凹凸性的分界点。
拐点的必要条件:若 f′′(x0) 存在且 (x0,f(x0)) 为拐点,则 f′′(x0)=0。
注:f′′(x0)=0 不一定是拐点(如 y=x4);二阶导不存在的点也可能是拐点(如 y=3x)。
判别拐点的充分条件:
- 第一充分条件:f(x) 在 x0 处连续,f′′(x) 在 x0 两侧变号 ⇒ 拐点。
- 第二充分条件:f′′(x0)=0,f′′′(x0)=0 ⇒ 拐点。
- 第三充分条件:f′′(x0)=f′′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)=0(n≥3),n 为奇数 ⇒ 拐点。
重要结论:若 f(x) 在某一点处可导,则该点不可能既是极值点又是拐点。一个点可以既是极值点又是拐点,但此时一定是”带尖”的情况(不可导点)。
三、秒杀!x 的多项式的极值点拐点
此方法参照王谱老师的”沉鱼落雁,闭月羞花”。
核心结论:设 f(x)=(x−x0)n⋅g(x),g(x0)=0,则求一次导,根的重数减少一次。
- n=1:x0 不是 f′(x)=0 的根。
- n≥2:x0 是 f′(x)=0 的 (n−1) 重根。
选择题例 2.27(改编自 2011 数一真题)
设 f(x)=(x−1)(x−2)2(x−3)3(x−4)4,则 f(x) 的拐点为( )
- A. (1,0)
- B. (2,0)
- C. (3,0)
- D. (4,0)
解答
各根的重数:x=1(1重),x=2(2重),x=3(3重),x=4(4重)。
f′(x)=0 的根:x=1(0重,消失),x=2(1重),x=3(2重),x=4(3重)。
f′′(x)=0 的根:x=2(0重,消失),x=3(1重),x=4(2重)。
拐点需 f′′(x) 变号:
- x=3:1 重根(奇数重),f′′(x) 变号。✓ 拐点。
- x=4:2 重根(偶数重),f′′(x) 不变号。✗
答案:C。
极值点判断:f′(x)=0 的根中,奇数重根为极值点(f′ 变号),偶数重根非极值点。x=2(1重,极值),x=3(2重,非极值),x=4(3重,极值)。加上 x=1 处 f′ 不变号(从 f 的1重根知 f′ 在此无根),需进一步分析。
四、图像 + 极值点拐点
解答题例 2.28(李林 880,早年真题改编)
设 y=f(x) 在 (−∞,+∞) 内连续,且其导函数 f′(x) 的图形如图所示,其中 x=0 和 x=x5 是 f′(x) 的铅直渐近线,则 y=f(x) 极值点的个数为 ______,拐点的个数为 ______。
解答
极值点:f′(x) 变号的点(f′(x) 穿越 x 轴)。
由图分析 f′(x) 的正负变化:在 x1、x3、x4、x6 处 f′(x) 变号,加上 x=0 和 x=x5 处(铅直渐近线,f′(x) 从 +∞ 跳到 −∞ 或反之,也变号)。
但 f(x) 在 x=0 和 x=x5 处连续(题设),f′(x) 趋于 ±∞ 意味着 f(x) 在此处不可导但连续,f′(x) 变号则为极值点。
极值点个数为 4。
拐点:f′′(x) 变号的点,即 f′(x) 单调性发生变化的点。
由图分析 f′(x) 的增减变化:在 x2、x5、x6 处 f′(x) 的单调性改变(从增变减或从减变增),但需排除 f′(x) 不连续的点。
拐点个数为 3。
关键:若 f(x) 可导,极值点是邻域内 f′(x) 变号的点;极值点可以是不可导点。若 f(x) 二阶可导,拐点是邻域内 f′′(x) 变号的点,即 f′(x) 单调性发生变化的点;拐点可以是不可导点。
五、极限表达式 + 极值点拐点
处理手法:参考极限的保号性与定性分析。
选择题例 2.29(改编自武忠祥高数辅导讲义)
设 f(x) 有二阶连续导数,f′(0)=0,x→0limxf′′(x)=−1,则( )
- A. f(0) 为极大值
- B. f(0) 为极小值
- C. (0,f(0)) 为拐点
- D. f(0) 非极值,(0,f(0)) 也非拐点
解答
由 x→0limxf′′(x)=−1,分母 →0,故分子 f′′(x)→0,由 f′′ 连续得 f′′(0)=0。
由保号性:x>0(充分小)时 xf′′(x)<0,即 f′′(x)<0(凸);x<0 时 xf′′(x)<0,即 f′′(x)>0(凹)。
f′′(x) 在 x=0 两侧变号(左正右负),故 (0,f(0)) 为拐点。
答案:C。
选择题例 2.30(武忠祥高数辅导讲义”注”)
设 f(x) 有二阶连续导数,f′(0)=0,x→0lim∣x∣f′′(x)+f(x)−f(−x)=1,则( )
- A. f(0) 为极大值
- B. f(0) 为极小值
- C. (0,f(0)) 为拐点
- D. f(0) 为极值,但 (0,f(0)) 非拐点
解答
分子趋于 0(分母 →0,极限存在):f′′(0)+f(0)−f(0)=0,即 f′′(0)=0。
分子复杂,很难直接使用保号性进行分析。用 Taylor 展开!
f(x)=f(0)+f′(0)x+2f′′(0)x2+o(x2)=f(0)+o(x2)
f(−x)=f(0)−f′(0)x+2f′′(0)x2+o(x2)=f(0)+o(x2)
f(x)−f(−x)=o(x2)(奇数阶项)
故 f′′(x)+f(x)−f(−x)=f′′(x)+o(x2)。
由 x→0lim∣x∣f′′(x)+o(x2)=1>0,得 f′′(x)>0(x 充分小且 x=0)。
f′′(x)>0 在 x=0 两侧均成立,f′′(x) 不变号,故非拐点。
又 f′(0)=0,f′′(x)>0(x=0 充分小),f′(x) 在 x=0 附近单增,f′(x) 左负右正,故 f(0) 为极小值。
答案:D(f(0) 为极值,但非拐点)。
选择题例 2.31(武忠祥严选题)
设 f(x) 有二阶导数,x→0limln(1+x)f(x)−a=0,x→0limex2−1f′′(x)−1=2021,则( )
- A. f(0) 为极大值
- B. f(0) 为极小值
- C. (0,f(0)) 为拐点
- D. 以上均不对
解答
由第一个极限:分母 ln(1+x)→0,极限为 0,故分子 f(x)−a→0,即 f(0)=a(f 连续)。
ln(1+x)f(x)−f(0)→0,又 ln(1+x)∼x,故 xf(x)−f(0)→0,即 f′(0)=0。
由第二个极限:分母 ex2−1∼x2→0,极限为 2021,故分子 f′′(x)−1→0,即 f′′(0)=1>0。
f′(0)=0,f′′(0)=1>0,由第二充分条件,f(0) 为极小值。
答案:B。
选择题例 2.32
设 f(x) 具有四阶连续导数,且 x→0limx4f(x)=1,则( )
- A. (0,0) 为 y=f′(x) 的拐点,x=0 为 f′′(x) 的极小值点
- B. (0,0) 为 y=f′(x) 的拐点,x=0 为 f′′(x) 的极大值点
- C. x=0 为 f′(x) 的极小值点,(0,0) 为 y=f′′(x) 的拐点
- D. x=0 为 f′(x) 的极大值点,(0,0) 为 y=f′′(x) 的拐点
解答
由 x→0limx4f(x)=1,得 f(0)=f′(0)=f′′(0)=f′′′(0)=0,f(4)(0)=24。
(由 Taylor 展开唯一性:f(x)=x4+o(x4))
设 g(x)=f′(x):g(0)=0,g′(0)=f′′(0)=0,g′′(0)=f′′′(0)=0,g′′′(0)=f(4)(0)=24=0。
n=3(奇数),故 (0,0) 为 y=f′(x) 的拐点。
设 h(x)=f′′(x):h(0)=0,h′(0)=f′′′(0)=0,h′′(0)=f(4)(0)=24>0。
n=2(偶数),h′′(0)>0,故 x=0 为 f′′(x) 的极小值点。
答案:A。
六、微分方程 + 极值点拐点
处理手法:这种题目通常只是披了个微分方程的外皮,我们基本上不需要求解微分方程,直接通过方程来判断各阶导数的信息即可!
选择题例 2.33(2000 考研真题)
设 f′′(x)+[f′(x)]2=x,且 f′(0)=0,则( )
- A. f(0) 为极大值
- B. f(0) 为极小值
- C. (0,f(0)) 为拐点
- D. 以上均不对
解答
代入 x=0:f′′(0)+[f′(0)]2=0,即 f′′(0)+0=0,f′′(0)=0。
对方程两边求导:f′′′(x)+2f′(x)f′′(x)=1。
代入 x=0:f′′′(0)+2⋅0⋅0=1,f′′′(0)=1=0。
f′′(0)=0,f′′′(0)=0,由拐点第二充分条件,(0,f(0)) 为拐点。
答案:C。
选择题例 2.34(2023 张八)
设 f′′(x)+xf′(x)=ln(1+x)−1+xarctanx,且 f(x) 在 x=x0>0 处取驻点,则 x0 为( )
- A. 极大值点
- B. 极小值点
- C. 非极值点
- D. 无法判断
解答
f′(x0)=0(驻点),代入方程:
f′′(x0)+x0⋅0=ln(1+x0)−1+x0arctanx0
即 f′′(x0)=ln(1+x0)−1+x0arctanx0。
设 g(x)=ln(1+x)−1+xarctanx(x>0),g(0)=0。
g′(x)=1+x1−(1+x)21+x21(1+x)−arctanx=1+x1−(1+x2)(1+x)1+(1+x)2arctanx
化简后可证 g′(x)>0(x>0),故 g(x0)>g(0)=0,即 f′′(x0)>0。
f′(x0)=0,f′′(x0)>0,故 x0 为极小值点。
答案:B。
七、隐函数 + 极值点拐点
解答题例 2.35(2023 数三真题)
设 y=y(x) 满足 ex+y2+y−ln(1+x)cosy+b=0(其中 a=1),且 y(0)=0,y′(0)=0。判断 x=0 是否为 y(x) 的极值点。
解答
对原方程两边对 x 求导(隐函数求导):
ex+2yy′+y′−1+xcosy+ln(1+x)⋅y′siny=0
代入 x=0,y=0,y′=0:1+0+0−1+0=0。✓(验证一致性)
再求导(对上述方程再对 x 求导),代入 x=0,y=0,y′=0:
e0+2(y′)2+2yy′′+y′′+(1+x)2cosy+⋯=0
化简后得 1+y′′(0)+1=0,即 y′′(0)=−2<0。
y′(0)=0,y′′(0)=−2<0,由第二充分条件,x=0 为 y(x) 的极大值点。
八、几何意义 + 凹凸性
凹凸性的定义,还可以从弦、函数、切线的位置关系去定义。
选择题例 2.36(2014 数一二三真题)
设 f(x) 具有 2 阶导数,g(x)=f(0)(1−x)+f(1)x,则在 [0,1] 上( )
- A. 当 f′(x)≥0 时,f(x)≥g(x)
- B. 当 f′(x)≥0 时,f(x)≤g(x)
- C. 当 f′′(x)≥0 时,f(x)≥g(x)
- D. 当 f′′(x)≥0 时,f(x)≤g(x)
解答
g(x)=f(0)(1−x)+f(1)x 是 x 的一次函数(直线),且 g(0)=f(0),g(1)=f(1)。
故 y=g(x) 是过 (0,f(0)) 和 (1,f(1)) 两点的弦。
当 f′′(x)≥0 时,f(x) 在 [0,1] 上为凹函数。
凹函数的性质:弦在曲线上方,即 g(x)≥f(x),即 f(x)≤g(x)。
答案:D。
AB 选项只涉及 f′(x)≥0(单调性),与凹凸性无关,属于扯淡命题。
九、考场速记
- 极值点:f′(x) 变号的点(可以是不可导点)。
- 拐点:f′′(x) 变号的点(可以是不可导点),即 f′(x) 单调性变化的点。
- 第三充分条件:n 偶为极值,n 奇为拐点。
- 可导点不可能既是极值点又是拐点。
- 多项式秒杀:求一次导,根的重数减一;奇数重根变号(极值/拐点),偶数重根不变号。
- 微分方程题:不求解,直接代入判断各阶导数。
- 凹凸性几何意义:凹 ⇒ 弦 ≥ 函数 ≥ 切线。
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