2.3 单调性、凹凸性、极值点与拐点:判别法则与八大题型

忠实整理单调性与极值点的三个充分条件、凹凸性与拐点的定义及判别法则、多项式极值点拐点秒杀法、图像+极值点拐点、极限表达式+极值点拐点、微分方程+极值点拐点、隐函数+极值点拐点、几何意义+凹凸性。

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)f'(x) 变号,拐点看 f(x)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(n1)(x0)=0f'(x_0) = f''(x_0) = \cdots = f^{(n-1)}(x_0) = 0f(n)(x0)0f^{(n)}(x_0) \ne 0,则 nn 偶为极值、nn 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)>0f'(x) > 0[a,b][a,b] 上成立(等号仅在有限个点取到),则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上严格单增。如 y=x3y = x^3y=3x20y' = 3x^2 \ge 0(仅 x=0x=0 处为 00),仍严格单增。

极值点的必要条件:若 f(x)f(x)x0x_0 处可导且取极值,则 f(x0)=0f'(x_0) = 0

:极值点可以在驻点(f(x0)=0f'(x_0) = 0)处取得,也可以在不可导点处取得(如 y=xy = |x|x=0x = 0 处)。

判别极值的三个充分条件

第一充分条件f(x)f'(x) 变号):

  • f(x)f'(x) 左负右正 \Rightarrow 极小值
  • f(x)f'(x) 左正右负 \Rightarrow 极大值
  • f(x)f'(x) 不变号 \Rightarrow 非极值

f(x)f(x)x=x0x = x_0 处不一定可导,可能出现角点。

第二充分条件f(x0)0f''(x_0) \ne 0):设 f(x0)=0f'(x_0) = 0f(x0)f''(x_0) 存在,则:

  • f(x0)<0f''(x_0) < 0 \Rightarrow 极大值
  • f(x0)>0f''(x_0) > 0 \Rightarrow 极小值

第三充分条件(高阶导):设 f(x0)=f(x0)==f(n1)(x0)=0f'(x_0) = f''(x_0) = \cdots = f^{(n-1)}(x_0) = 0f(n)(x0)0f^{(n)}(x_0) \ne 0n2n \ge 2),则:

  • nn 为偶数:f(n)(x0)<0f^{(n)}(x_0) < 0 为极大值,f(n)(x0)>0f^{(n)}(x_0) > 0 为极小值
  • nn 为奇数:非极值(为拐点)

记忆方法:举 n=2n=2 的特例记忆极值(f(x0)0f''(x_0) \ne 0),举 n=3n=3 的特例记忆拐点(f(x0)0f'''(x_0) \ne 0)。

二、凹凸性与拐点相关知识点

凹凸性定义:设 f(x)f(x) 在区间 II 上连续,若对任意 x1,x2Ix_1, x_2 \in I

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

则图形为的(弦在曲线上方)。反之不等号方向相反则为的。

凹函数:弦 \ge 函数 \ge 切线。凸函数:切线 \ge 函数 \ge 弦。

判别凹凸性f(x)>0f''(x) > 0 \Rightarrow 凹;f(x)<0f''(x) < 0 \Rightarrow 凸。

拐点的定义:凹凸性的分界点。

拐点的必要条件:若 f(x0)f''(x_0) 存在且 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 为拐点,则 f(x0)=0f''(x_0) = 0

f(x0)=0f''(x_0) = 0 不一定是拐点(如 y=x4y = x^4);二阶导不存在的点也可能是拐点(如 y=x3y = \sqrt[3]{x})。

判别拐点的充分条件

  • 第一充分条件f(x)f(x)x0x_0 处连续,f(x)f''(x)x0x_0 两侧变号 \Rightarrow 拐点。
  • 第二充分条件f(x0)=0f''(x_0) = 0f(x0)0f'''(x_0) \ne 0 \Rightarrow 拐点。
  • 第三充分条件f(x0)=f(x0)==f(n1)(x0)=0f''(x_0) = f'''(x_0) = \cdots = f^{(n-1)}(x_0) = 0f(n)(x0)0f^{(n)}(x_0) \ne 0n3n \ge 3),nn 为奇数 \Rightarrow 拐点。

重要结论:若 f(x)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!xx 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)=(xx0)ng(x)f(x) = (x - x_0)^n \cdot g(x)g(x0)0g(x_0) \ne 0,则求一次导,根的重数减少一次

  • n=1n = 1x0x_0 不是 f(x)=0f'(x) = 0 的根。
  • n2n \ge 2x0x_0f(x)=0f'(x) = 0(n1)(n-1) 重根。
选择题例 2.27(改编自 2011 数一真题)

f(x)=(x1)(x2)2(x3)3(x4)4f(x) = (x-1)(x-2)^2(x-3)^3(x-4)^4,则 f(x)f(x) 的拐点为( )

  • A. (1,0)(1, 0)
  • B. (2,0)(2, 0)
  • C. (3,0)(3, 0)
  • D. (4,0)(4, 0)
解答

各根的重数:x=1x=1(1重),x=2x=2(2重),x=3x=3(3重),x=4x=4(4重)。

f(x)=0f'(x) = 0 的根:x=1x=1(0重,消失),x=2x=2(1重),x=3x=3(2重),x=4x=4(3重)。

f(x)=0f''(x) = 0 的根:x=2x=2(0重,消失),x=3x=3(1重),x=4x=4(2重)。

拐点需 f(x)f''(x) 变号:

  • x=3x = 3:1 重根(奇数重),f(x)f''(x) 变号。✓ 拐点
  • x=4x = 4:2 重根(偶数重),f(x)f''(x) 不变号。✗

答案:C

极值点判断f(x)=0f'(x) = 0 的根中,奇数重根为极值点(ff' 变号),偶数重根非极值点。x=2x=2(1重,极值),x=3x=3(2重,非极值),x=4x=4(3重,极值)。加上 x=1x=1ff' 不变号(从 ff 的1重根知 ff' 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)

y=f(x)y = f(x)(,+)(-\infty, +\infty) 内连续,且其导函数 f(x)f'(x) 的图形如图所示,其中 x=0x = 0x=x5x = x_5f(x)f'(x) 的铅直渐近线,则 y=f(x)y = f(x) 极值点的个数为 ______,拐点的个数为 ______。

解答

极值点f(x)f'(x) 变号的点(f(x)f'(x) 穿越 xx 轴)。

由图分析 f(x)f'(x) 的正负变化:在 x1x_1x3x_3x4x_4x6x_6f(x)f'(x) 变号,加上 x=0x = 0x=x5x = x_5 处(铅直渐近线,f(x)f'(x)++\infty 跳到 -\infty 或反之,也变号)。

f(x)f(x)x=0x = 0x=x5x = x_5 处连续(题设),f(x)f'(x) 趋于 ±\pm\infty 意味着 f(x)f(x) 在此处不可导但连续,f(x)f'(x) 变号则为极值点。

极值点个数为 4

拐点f(x)f''(x) 变号的点,即 f(x)f'(x) 单调性发生变化的点。

由图分析 f(x)f'(x) 的增减变化:在 x2x_2x5x_5x6x_6f(x)f'(x) 的单调性改变(从增变减或从减变增),但需排除 f(x)f'(x) 不连续的点。

拐点个数为 3

关键:若 f(x)f(x) 可导,极值点是邻域内 f(x)f'(x) 变号的点;极值点可以是不可导点。若 f(x)f(x) 二阶可导,拐点是邻域内 f(x)f''(x) 变号的点,即 f(x)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)

f(x)f(x) 有二阶连续导数,f(0)=0f'(0) = 0limx0f(x)x=1\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f''(x)}{x} = -1,则( )

  • A. f(0)f(0) 为极大值
  • B. f(0)f(0) 为极小值
  • C. (0,f(0))(0, f(0)) 为拐点
  • D. f(0)f(0) 非极值,(0,f(0))(0, f(0)) 也非拐点
解答

limx0f(x)x=1\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f''(x)}{x} = -1,分母 0\to 0,故分子 f(x)0f''(x) \to 0,由 ff'' 连续得 f(0)=0f''(0) = 0

由保号性:x>0x > 0(充分小)时 f(x)x<0\dfrac{f''(x)}{x} < 0,即 f(x)<0f''(x) < 0(凸);x<0x < 0f(x)x<0\dfrac{f''(x)}{x} < 0,即 f(x)>0f''(x) > 0(凹)。

f(x)f''(x)x=0x = 0 两侧变号(左正右负),故 (0,f(0))(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”)

f(x)f(x) 有二阶连续导数,f(0)=0f'(0) = 0limx0f(x)+f(x)f(x)x=1\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f''(x) + f(x) - f(-x)}{|x|} = 1,则( )

  • A. f(0)f(0) 为极大值
  • B. f(0)f(0) 为极小值
  • C. (0,f(0))(0, f(0)) 为拐点
  • D. f(0)f(0) 为极值,但 (0,f(0))(0, f(0)) 非拐点
解答

分子趋于 00(分母 0\to 0,极限存在):f(0)+f(0)f(0)=0f''(0) + f(0) - f(0) = 0,即 f(0)=0f''(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+f(0)2x2+o(x2)=f(0)+o(x2)f(x) = f(0) + f'(0)x + \dfrac{f''(0)}{2}x^2 + o(x^2) = f(0) + o(x^2)

f(x)=f(0)f(0)x+f(0)2x2+o(x2)=f(0)+o(x2)f(-x) = f(0) - f'(0)x + \dfrac{f''(0)}{2}x^2 + o(x^2) = f(0) + o(x^2)

f(x)f(x)=o(x2)f(x) - f(-x) = o(x^2)(奇数阶项)

f(x)+f(x)f(x)=f(x)+o(x2)f''(x) + f(x) - f(-x) = f''(x) + o(x^2)

limx0f(x)+o(x2)x=1>0\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f''(x) + o(x^2)}{|x|} = 1 > 0,得 f(x)>0f''(x) > 0xx 充分小且 x0x \ne 0)。

f(x)>0f''(x) > 0x=0x = 0 两侧均成立,f(x)f''(x) 不变号,故非拐点。

f(0)=0f'(0) = 0f(x)>0f''(x) > 0x0x \ne 0 充分小),f(x)f'(x)x=0x = 0 附近单增,f(x)f'(x) 左负右正,故 f(0)f(0) 为极小值。

答案:Df(0)f(0) 为极值,但非拐点)。

选择题例 2.31(武忠祥严选题)

f(x)f(x) 有二阶导数,limx0f(x)aln(1+x)=0\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f(x) - a}{\ln(1+x)} = 0limx0f(x)1ex21=2021\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f''(x) - 1}{e^{x^2} - 1} = 2021,则( )

  • A. f(0)f(0) 为极大值
  • B. f(0)f(0) 为极小值
  • C. (0,f(0))(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\ln(1+x) \to 0,极限为 00,故分子 f(x)a0f(x) - a \to 0,即 f(0)=af(0) = aff 连续)。

f(x)f(0)ln(1+x)0\dfrac{f(x) - f(0)}{\ln(1+x)} \to 0,又 ln(1+x)x\ln(1+x) \sim x,故 f(x)f(0)x0\dfrac{f(x) - f(0)}{x} \to 0,即 f(0)=0f'(0) = 0

由第二个极限:分母 ex21x20e^{x^2} - 1 \sim x^2 \to 0,极限为 20212021,故分子 f(x)10f''(x) - 1 \to 0,即 f(0)=1>0f''(0) = 1 > 0

f(0)=0f'(0) = 0f(0)=1>0f''(0) = 1 > 0,由第二充分条件,f(0)f(0) 为极小值。

答案:B

选择题例 2.32

f(x)f(x) 具有四阶连续导数,且 limx0f(x)x4=1\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f(x)}{x^4} = 1,则( )

  • A. (0,0)(0, 0)y=f(x)y = f'(x) 的拐点,x=0x = 0f(x)f''(x) 的极小值点
  • B. (0,0)(0, 0)y=f(x)y = f'(x) 的拐点,x=0x = 0f(x)f''(x) 的极大值点
  • C. x=0x = 0f(x)f'(x) 的极小值点,(0,0)(0, 0)y=f(x)y = f''(x) 的拐点
  • D. x=0x = 0f(x)f'(x) 的极大值点,(0,0)(0, 0)y=f(x)y = f''(x) 的拐点
解答

limx0f(x)x4=1\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{f(x)}{x^4} = 1,得 f(0)=f(0)=f(0)=f(0)=0f(0) = f'(0) = f''(0) = f'''(0) = 0f(4)(0)=24f^{(4)}(0) = 24

(由 Taylor 展开唯一性:f(x)=x4+o(x4)f(x) = x^4 + o(x^4)

g(x)=f(x)g(x) = f'(x)g(0)=0g(0) = 0g(0)=f(0)=0g'(0) = f''(0) = 0g(0)=f(0)=0g''(0) = f'''(0) = 0g(0)=f(4)(0)=240g'''(0) = f^{(4)}(0) = 24 \ne 0

n=3n = 3(奇数),故 (0,0)(0, 0)y=f(x)y = f'(x)拐点

h(x)=f(x)h(x) = f''(x)h(0)=0h(0) = 0h(0)=f(0)=0h'(0) = f'''(0) = 0h(0)=f(4)(0)=24>0h''(0) = f^{(4)}(0) = 24 > 0

n=2n = 2(偶数),h(0)>0h''(0) > 0,故 x=0x = 0f(x)f''(x)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)

f(x)+[f(x)]2=xf''(x) + [f'(x)]^2 = x,且 f(0)=0f'(0) = 0,则( )

  • A. f(0)f(0) 为极大值
  • B. f(0)f(0) 为极小值
  • C. (0,f(0))(0, f(0)) 为拐点
  • D. 以上均不对
解答

代入 x=0x = 0f(0)+[f(0)]2=0f''(0) + [f'(0)]^2 = 0,即 f(0)+0=0f''(0) + 0 = 0f(0)=0f''(0) = 0

对方程两边求导:f(x)+2f(x)f(x)=1f'''(x) + 2f'(x)f''(x) = 1

代入 x=0x = 0f(0)+200=1f'''(0) + 2 \cdot 0 \cdot 0 = 1f(0)=10f'''(0) = 1 \ne 0

f(0)=0f''(0) = 0f(0)0f'''(0) \ne 0,由拐点第二充分条件,(0,f(0))(0, f(0)) 为拐点。

答案:C

选择题例 2.34(2023 张八)

f(x)+xf(x)=ln(1+x)arctanx1+xf''(x) + xf'(x) = \ln(1+x) - \dfrac{\arctan x}{1+x},且 f(x)f(x)x=x0>0x = x_0 > 0 处取驻点,则 x0x_0 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)=0f'(x_0) = 0(驻点),代入方程:

f(x0)+x00=ln(1+x0)arctanx01+x0f''(x_0) + x_0 \cdot 0 = \ln(1+x_0) - \dfrac{\arctan x_0}{1+x_0}

f(x0)=ln(1+x0)arctanx01+x0f''(x_0) = \ln(1+x_0) - \dfrac{\arctan x_0}{1+x_0}

g(x)=ln(1+x)arctanx1+xg(x) = \ln(1+x) - \dfrac{\arctan x}{1+x}x>0x > 0),g(0)=0g(0) = 0

g(x)=11+x11+x2(1+x)arctanx(1+x)2=11+x1(1+x2)(1+x)+arctanx(1+x)2g'(x) = \dfrac{1}{1+x} - \dfrac{\frac{1}{1+x^2}(1+x) - \arctan x}{(1+x)^2} = \dfrac{1}{1+x} - \dfrac{1}{(1+x^2)(1+x)} + \dfrac{\arctan x}{(1+x)^2}

化简后可证 g(x)>0g'(x) > 0x>0x > 0),故 g(x0)>g(0)=0g(x_0) > g(0) = 0,即 f(x0)>0f''(x_0) > 0

f(x0)=0f'(x_0) = 0f(x0)>0f''(x_0) > 0,故 x0x_0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)

y=y(x)y = y(x) 满足 ex+y2+yln(1+x)cosy+b=0e^x + y^2 + y - \ln(1+x)\cos y + b = 0(其中 a=1a = 1),且 y(0)=0y(0) = 0y(0)=0y'(0) = 0。判断 x=0x = 0 是否为 y(x)y(x) 的极值点。

解答

对原方程两边对 xx 求导(隐函数求导):

ex+2yy+ycosy1+x+ln(1+x)ysiny=0e^x + 2yy' + y' - \frac{\cos y}{1+x} + \ln(1+x) \cdot y' \sin y = 0

代入 x=0x = 0y=0y = 0y=0y' = 01+0+01+0=01 + 0 + 0 - 1 + 0 = 0。✓(验证一致性)

再求导(对上述方程再对 xx 求导),代入 x=0x = 0y=0y = 0y=0y' = 0

e0+2(y)2+2yy+y+cosy(1+x)2+=0e^0 + 2(y')^2 + 2yy'' + y'' + \frac{\cos y}{(1+x)^2} + \cdots = 0

化简后得 1+y(0)+1=01 + y''(0) + 1 = 0,即 y(0)=2<0y''(0) = -2 < 0

y(0)=0y'(0) = 0y(0)=2<0y''(0) = -2 < 0,由第二充分条件,x=0x = 0y(x)y(x)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)

f(x)f(x) 具有 2 阶导数,g(x)=f(0)(1x)+f(1)xg(x) = f(0)(1-x) + f(1)x,则在 [0,1][0,1] 上( )

  • A. 当 f(x)0f'(x) \ge 0 时,f(x)g(x)f(x) \ge g(x)
  • B. 当 f(x)0f'(x) \ge 0 时,f(x)g(x)f(x) \le g(x)
  • C. 当 f(x)0f''(x) \ge 0 时,f(x)g(x)f(x) \ge g(x)
  • D. 当 f(x)0f''(x) \ge 0 时,f(x)g(x)f(x) \le g(x)
解答

g(x)=f(0)(1x)+f(1)xg(x) = f(0)(1-x) + f(1)xxx 的一次函数(直线),且 g(0)=f(0)g(0) = f(0)g(1)=f(1)g(1) = f(1)

y=g(x)y = g(x) 是过 (0,f(0))(0, f(0))(1,f(1))(1, f(1)) 两点的

f(x)0f''(x) \ge 0 时,f(x)f(x)[0,1][0,1] 上为凹函数。

凹函数的性质:弦在曲线上方,即 g(x)f(x)g(x) \ge f(x),即 f(x)g(x)f(x) \le g(x)

答案:D

AB 选项只涉及 f(x)0f'(x) \ge 0(单调性),与凹凸性无关,属于扯淡命题。

九、考场速记

  1. 极值点f(x)f'(x) 变号的点(可以是不可导点)。
  2. 拐点f(x)f''(x) 变号的点(可以是不可导点),即 f(x)f'(x) 单调性变化的点。
  3. 第三充分条件nn 偶为极值,nn 奇为拐点。
  4. 可导点不可能既是极值点又是拐点
  5. 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。
  6. 微分方程题:不求解,直接代入判断各阶导数。
  7. 凹凸性几何意义:凹 \Rightarrow\ge 函数 \ge 切线。
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