当前课程知识点:微积分(先修课) > 第四章 微分中值定理和导数的应用 > 4.1 极值和极值点 > 4.1.1 极值和极值点
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欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍
第四章
微分中值定理和导数的应用
第一节
极值与极值点
前面我们已经学习了
导数与微分的概念
并掌握了初等函数与
某些特殊函数的求导运算
本章主要介绍
导数在研究函数性态
和解决有关实际问题中的应用
给出利用导数
解决一些具体问题的一般方法
由于导数只是反映了
函数在一点的性质
为了将其与函数
在某个范围上的整体性态联系起来
就需要寻找他们之间的一座桥梁
微分中值定理
就承担了桥梁的作用
他是导数应用的理论基础
这一章的主要内容有
微分中值定理
求不定式极限的洛必达法则
研究函数性态的单调性
极值 最值 凸性 拐点
以及渐近线等
还有原函数与简单微分方程
本讲中将介绍
函数的一个局部性质
也就是函数的极值与极值点的概念
并给出可导函数极值点的必要条件
我们首先来看一下
极值与极值点的概念
我们直接给出函数的
极值和极值点的定义
定义一
我们假设函数f(x)
在x0的某个邻域中有定义
如果对于这个邻域中的任一点x
我们都有
f(x)是大于等于f(x0)的
我们就称x0是函数
f(x)的一个极小值点
对应的函数值f(x0)就称为是
函数f(x)的一个极小值
类似的我们可以给出
极大值点和极大值的定义
也就是
如果对于这个邻域中的任意一个数x
我们都有f(x)是小于等于f(x0)的
我们就称x0是这个函数
f(x)的一个极大值点
相应的函数值f(x0)就称为是
f(x)的一个极大值
极大值与极小值
我们统称为是
函数的极值
极大值点与极小值点
就称为是函数的极值点
从极值点的定义我们知道
函数定义区间的端点
不会是函数的极值点
也就是说
我们在定义中
就把定义区间的端点
排除在了极值点外
同样从定义我们可以知道
函数的极值是函数的一个局部性概念
它的大小只是与极值点附近
其他点的函数值做比较
与函数在某个区间上的
最大最小值的概念不同
同一个函数
它的极大值也不见得
一定要大于它的极小值
从这张图上
我们可以看出
f(x1)和f(x3)是函数的极大值
f(x2)和f(x4)是函数的极小值
在这个图上
我们知道
极大值f(x1)是小于
极小值f(x4)的
关于函数的极值点
下面我们介绍一个常用的结论
这就是所谓的Fermat定理
Fermat定理反映的现象
从几何上看
应该是比较明显的
在这张图中
我们假设
连续曲线除了端点外
处处都有切线
那么
从图中就可以看出
在局部最高点
x1 f(x1) 和 x3 f(x3)
以及在局部最低点
x2 f(x2)和x4 f(x4)
这条曲线
它的切线都是水平的
也就是说
在这些点
切线的斜率都等于0
我们将几何上这个现象
用分析的语言表述出来
就是我们要介绍的Fermat定理
定理1
如果函数f(x)在x0处是可导的
而且他在x0处取得极值
那么函数f(x)
在x0处的导数就等于0
这就是说
可导极值点
导数一定等于0
下面
我们给出这个定理的证明
我们不妨假设f(x0)
是函数的极大值
因为函数在x0这点是可导的
所以他在这一点的左导数与右导数
都是存在的
而且
左导数 右导数与
他在这点的导数是相等的
当x小于x0趋向x0时
这时候因为f(x)
减掉f(x0)是小于等于0的
而x减x0也是小于0的
所以
函数值的改变量
与自变量的改变量
这个比值
就是大于等于0的
那么利用极限的保号性质
我们就知道
他在x0这点的左导数
是大于等于0的
而在x大于x0趋向x0时
这时f(x)减掉
f(x0)同样是小于等于0的
而这时
x减x0却是大于0的
所以这时
函数值的改变量
与自变量的改变量的比值
是小于等于0的
同样
根据极限的保号性质
我们知道
他在这点的右导数
是小于等于0的
这样我们就得到了
函数在x0这点的导数
一方面是要大于等于0的
另一方面又是要小于等于0的
所以函数在x0这点的导数
一定等于0
这样我们就证明了Fermat定理
一般的
我们将导数等于0的点
就称为是函数的驻点
或者是称为函数的临界点
Fermat定理说明
函数的可导极值点一定是驻点
那我们问
驻点是否就一定是极值点呢
我们看x三次方这个函数
我们知道
这个函数在x等于0处
导数为0
也就是说x等于0
是这个函数的驻点
但是这个函数
在x等于0却取不到极值
也就是说
驻点不见得是极值点
Fermat定理是在函数可导的前提下
给出的结论
那么导数不存在的点
是否也能称为是函数的极值点
我们看下面一个简单的例子
对于绝对值函数来说
他在x等于0这点的导数是不存在的
但是
我们知道绝对值函数
在x等于0是能取到极小值的
一般的
我们就得到了
连续函数
他的极值点
要么在导数等于0的点中取到
要么在导数不存在的点处取到
接下来我们看几道例题
例一
我们求这个三次多项式函数的驻点
我们对这个三次多项式函数求导
我们得到
它的导函数f'(x)就等于
6倍的x减1乘上x减4
我们令它的导数等于0
就会得到
导数等于0的点是
x等于1和x等于4
也就是说我们要求的驻点是
x等于1和x等于4
第二个例题
我们来求
f(x)等于sinx减掉xcosx
再减掉1/2倍的x平方
求这个函数的驻点
对这个函数求导
我们得到他的导函数
f'(x)就等于x乘上括号里面
sinx减1
我们令f'(x)等于0
我们就会得到
他所有的驻点是
x等于0和x等于2nπ加上π/2
其中这儿的n是整数
下面我们来看第三道例题
我们假设函数f(x)在闭区间
a b上可导
而且
在两个端点的导数值不相等
我们来证明
对于任意的介于
f'(a)和f'(b)之间的μ
总存在a b开区间中的一个点ξ
使得f'(ξ)是等于μ的
对于这道题目
我们首先来看一下
要证的结论它的含义是什么
我们对他进行变形
我们要证的结论
也就是说
要证存在一点ξ使得
f'(ξ)减掉μ等于0
这个等式
我们可以看作是某一个函数
在ξ这点的导数值是等于0的
而这个函数
我们知道就是
f(x)减掉μx
所以我们的证明可以这样给出
我们令F(x)就等于
f(x)减掉μx
我们知道
F(x)一定是一个可导函数
而且在给定的条件下
我们知道
F(x)在a和b这两点的导数值
是异号的
我们不妨就假设
F在a这点的导数是大于0的
他在b这点的导数是小于0的
根据F在a这点的导数值大于0
以及导数的定义
我们就知道
在开区间a b内
一定存在一个点x1
使得F(x1)是大于F(a)的
同样的
我们根据F在b这点的导数值小于0
我们就知道在b点的左侧附近
一定存在一个x2
我们不妨假设这个x2
就在x1到b之间取到
使得F(x2)的函数值
是大于F(b)的
因为函数在区间上是可导的
所以他在闭区间上是连续的
根据连续函数的性质
我们知道
F在闭区间上一定能取到
最大值和最小值
而前面的证明说明了
端点值肯定不会是最大值
所以这个函数在闭区间上的最大值
一定在开区间内取到
我们假设F(ξ)就是它的最大值
那么开区间中的最大值点
一定是极大值点
我们根据Fermat定理就知道
F在ξ这点的导数一定是等于0的
这就是我们要证的结论
f'(ξ)等于μ
在这个例题中
给出的这个性质
一般我们就称作是
导函数的介值性质
这个结论说明
导函数无论他是否连续
他一定是具有介值性质的
在我们处理导函数的有关问题时
这是我们常用的导函数的一个性质
在这一讲中
我们给出了函数极值
极值点以及驻点的定义
得到了可导函数极值点必是驻点的结论
进一步证明了
导函数具有的一个重要性质
也就是导函数的介值性质
极值是函数的局部性质
要注意函数的极值
与函数最值的区别与联系
下一讲 将介绍
微分中值定理中的罗尔定理
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
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