当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(first part) > Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减) > Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)
同学们你们好
让我们继续学习MOOC在线课程微积分
目前呢 我们见过了各种各样类型的函数
那么现在 我们要开始研究函数的性质
今天的主题是 函数的极值与单调性
说到极值与单调性
同学们可能一点不会觉得陌生
因为在中学阶段我们已经
通过一些简单方法来求解
函数的极值点以及单调性 等等
比如通过图像观察 配方
等等方法
那么一般而言
求解函数的极值是一个非常重要的课题
也是我们微积分的重点内容之一
要完整学会这种方法
要等到我们下一章学完倒数之后
今天我们还是要从基础知识学起
我们先研究一下
函数极值点的分类方法
好的 让我们进入讲课
Chapter 3 Functions Limits and Continuity
函数 极限与连续性
Unit 4
Maximum and Minimum
Increasing and Decreasing
极大值与极小值
单调增与单调减
Section1 Maximum and Minimum
最大值与最小值
好同学们
第一小节我们说一下极值
说到极值啊
我们先要谈一下什么是局部极值
这个局部极值就包括了
局部极大值 局部极小值
等两种情况
我们首先给出这些局部极值
的严格定义
Defintion 1.1
Let D be the domain of f
假设给定了一个函数
它的定义域是D
and some c in D
某一个定义域D中的点c给定
we say that f(c) is a
relative/local maximum 局部极大值
或者呢c is a relative maximum point of f
或者把C点叫做f的局部极值点
if下面条件是这样的
if there exists some δ positive
如果存在某一个δ大于零
such that for all x in (c-δ,c+δ)
intersect with D
也就是以C为中心
δ为半径的一个开邻域
与D的交集
在这样一个集合中呢
对任意的x
都有we have f(x) is greater than
or equal to f(x)
我们重复一下这个定义
也就是说f(c)叫做f的一个
局部极大值
或者呢
c是f的一个局部极大值点
如果满足什么条件呢
就是在c点得某个邻域中
总有f在c点的值大于
在这个邻域中其它所有的点的f的值
类似的我们可以定义
什么叫做局部极小值
we say that f(c) is a relative
or local minimum
or c is a relative minimum point of f
if there exists some δ positive
such that for all x in (c-δ, c+δ) neighborhood
intersect with D and we have
f(c) is less than or equals to f(x)
也就是说f(c) 叫做f的一个局部极小值
或者称c为f的一个局部极小值点
如果满足这样一个条件
就是在c的某个开邻域中
总有f在c点的值
比f在c以外其它任何点的值
都要小或者相等
这就是局部极小值
当然
通过这些定义的词汇
我们当然也可以理解
为什么它们叫做
局部极大值 局部极小值了
因为它们总是在某一个开邻域中
取到了所谓的极大值 极小值
好
下面呢
我们给出全局极值
也就是所谓最值的定义
注意
全局极值也就是最值
它和局部极值是有区别的
来我们看一下它的具体定义
Definition1.2
again
Let D be the domain of f
假设f的定义域是D
c is in D
某一个D中的点C
如果满足这样的条件
if for all x in D we have
f(x) is less than or equal to f(c)
对整个f定义域D中的点x
都有f(x)小于等于f(c)
这个时候呢
we say that f(C)
is an absolute or global maximum
我们称f(c)是f的全局极大值
或者称为最大值
或者呢c is an absolute maximum point of f
或者称c是f的最大值点
或者全局极大值点
类似的我们可以定义
如果对任意x在D中都有
f(x) is greater than or equal to f(c)
这个时候呢
we say f(c) is absolute or global minimum
也就是全局极小值
或者称最小值
或者称c点为f的全局极小值点
或则最小值点
这个定义呢
也是顾名思义而来的
所谓全局极值值对全体的
定义域中的点而言
好
通过刚才定义
我们马上就会注意到
An absolute maximum point is
always a relative maximum point
也就是说全局的极大值点
也就是最大值点
一定也是一个 relative maximum point
也就是局部的极值点
An absolute minimum point
is always a relative minimum point
最小值点一定是一个局部极小值点
这里呢
我们画了一幅图像
来说明刚才所定义的这四个定义
这幅图像希望同学
在课后仔仔细细观察一下
我们在这幅图像中画出了各种各样的点
其中有一个点叫做
point of inflection
这个呢我们要在后面才讲
所以这里呢我们
仅仅标注一下就可以了
同学们可以按照定义
来判定一下为什么
我们在这幅图中标出了
这些最大值点 最小值点
以及局部极大值 局部极小值等等
好的
下面我们呢看一个例子
the fuction f(x) = 丨x2-1丨
这个函数呢具有最小值
在哪呢
在x等于正负一的地方
取到了全局的极小值也就是最小值
另外呢还有一个局部的极大值
也就是a relative maximum point at x等于0
我们可以看一下它的图像就明白为什么了
好 同学们
我们现在看到的这些函数都是足够好的函数
它们有一个特点就是
函数图像非常容易的把它画出来
但是数学中也有很多
非常奇怪的函数它们不好画出来
比如以前我们讲过的
这个狄利克雷函数就是一个例子
这个函数的图像实际上是没法画的
极值也没法直接观察出来
这个时候我们就需要用严格定义
来求这些所谓的
极大值点 极小值点了
我们来看一下
这个狄利克雷函数
Consider the Dirichlet function
这就是我们以前定义的狄利克雷函数
D(x) = 1 if x is rational or 0 if x is irrational
这个函数在任何一个有理数的地方
比如说x 它呢都有absolute maxima
也就是最大值
就是1
and for all x 在irrational
对所有的无理数的x它都取到了最小值
就是零
Section 2 Increasing and Decreasing
单调增与单调减
上面呢
我们介绍了所谓的局部极值
以及最大最小值等等
我们注意
在有的函数的这些局部极值
附近我们看到函数有一定单调性
这一小节
我们就专门研究一下
所谓的单调性
下面我们给出严格的定义
什么叫做单调性
首先来看定义definition 2.1
Let f: D to R be a function
假设f是定义在定义域D上的某个函数
It is called increasing 单调增
函数 叫做一个单调增函数
也叫做monotonically increasing
or non-decreasing
这个在英语中也可以叫做
单调的增函数
或者non-decreasing
monotonically non-decreasing
就是单调非减
什么意思呢
就是说if for all x and y in D such that x we have f(x) is always less than or equal to f(y) 这就是所谓的单调增函数的定义 也就说对于定义域D中的所有的这样点x y 只要x比y小 就有f在x的值不会超过f在y 的值 也就是f(x)小于等于f(y) 这就是所谓的单调增函数 类似的likewise f is called decreasing 所谓单调减 also called monotonically decreasing or non-increasing 也就是单调非增函数 这是什么呢 if for all x and y in D such that x is less than y one has f(x) is greater than or equal to f(y) 单调增与单调减呢 同学们可能在中学的时候已经接触过了 所以呢这个定义 同学们应该非常地容易理解 好 我们看一个图像来说明刚才的定义 这个就是一个典型的 increasing function 的图像 下面有一个定义跟前面 这个定义呢有点类似 但是有一点点区别 同学们注意一下 Let f: D to R be a function It is called strictly increasing 这个函数叫做严格单调增函数 if for all x any y in D such that x less than y we have f(x) is less than f(y) 注意这个定义中 要求只要x比y小 就有f(x)严格的比f(y)小 这就是所谓的 严格单调增函数的定义 类似的 f is called strictly decreasing 严格单调减 if for all x and y in D such that x is less than y one has f(x) is greater than f(y) f(x)要严格的大于f(y) 例如f(x)=ln x 这个函数它是属于哪种类型呢 同学们自然可以通过 它的图像来观察出来 it is strictly increasing 它是严格的增函数 它在整个区间0到正无穷上都是严格增函数 好我们这里有一个注记 就是 a strictly decreasing or increasing function defined on a closed interval must have the absolute maximum and minimum values at the end points 也就是说任何一个定义在闭区间上的 严格增或者严格减的函数呢 它一定能够取到全局的极大值也就是 最大值或者最小值 在哪呢 在它的端点处 下一个注记 Functions that are strictly increasing are one-to-one 也就是说在定义域上 严格增或者严格减的函数 它一定是一对一的 In other words one can find their inverse functions 也就是说我们总能找到它们的反函数 which are also strictly increasing (or decreasing) 注意它的反函数呢 也是类似的 相应的严格增或者严格减 例如刚才我们说的y=lnx 它呢是个严格增函数 它的反函数呢 就是x=ey 这个呢当然也是一个严格增函数 看一个例子 consider the floor function floor function 是什么意思呢 就是地板函数 它是这样记的 x with a bracket 但是这个bracket 和通常写的中括号不太一样 它在底下有横线 上面没有 它定义是这样的 the largest previous integer of x 就是不超过x的最大的那个整数 对任意的x都有定义 it is increasing but not strictly decreasing 这个地板函数它就是增函数 但不是严格增函数 为什么呢 我们可以看它的图像 这个图像就给出了所谓的地板函数的图像 注意它在介于两个整数之间总是平的 所以它不是严格增函数 但是它是一个单调增函数 同学们 函数的单调性是非常重要的函数性质 后面呢 我们还要反复研究这种特性 并且利用这种特性来求出函数的极值 目前呢 我们只要搞清楚它们的定义就可以了 并且要求同学们熟悉一些 最基本函数的单调性 同学们 刚才我们学习了函数的极值 希望同学们重点区分极值与最值的差异 另外 有的同学可能要提问了 到底该怎么找一个函数的极值点 要回答这个问题要等到我们下一章 学习完导数之后了 另外这一讲我们还提到了函数的单调性 其实 要判定一个函数的单调性 也是要等到下一章我们学习完导数之后了 因此 我们还需要继续努力 好的 这一讲就到这里 下一讲 我们要学习本章的重点内容 也就是 函数的极限 同学们在课后一定要复习一下 上一章我们讲过的一个概念 也就是数列的极限 复习完数列的极限 再预习一下下讲的内容 我们学起来 就没有什么困难了 好的 我们下堂课再见
-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)
--Review of Real Numbers (回顾实数)
--Exercise1-1
-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exercise 1-2
-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Exercise-1-3
-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Exercises-1-4
-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Exercise-1-5
-章节测验1
--章节测试1
-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)
--Exercises-2-1
-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Exercises-2-2
-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Exercises-2-3
-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Exercises-2-4
-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Exercises-2-5
-章节测验2
--章节测试2
-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)
--Functions and Graphs (函数与图像)
--Exercises-3-1
-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三
-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)
--Exercises-3-2
-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)
--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)
--Exercises-3-3
-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)
--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)
--Exercises-3-4
-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)
--Exercises-3-5
-Unit 6 Infinity (无穷)
--Exercises-3-6
-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
--Exercises-3-7
-Unit 8 Continuities (连续性)
--Exercises-3-8
-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
--Exercises-3-9
-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)
--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)
--Exercises-3-10
-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)
--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)
--Exercises-3-11
-章节测验3
--章节测试 3
-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)
--Basics of Derivatives (导数的基本定义)
--Exercise-4-1
-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与
--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)
--Exercise-4-2
-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)
--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)
--Exercise-4-3
-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)
--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)
--Exercise-4-4
-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
--Exercise-4-5
-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)
--Exercise-4-6
-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)
--Exercise-4-8
-章节测验 4
--章节测试4
-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
- Exercise 5-1
-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Exercise-5-2
-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Exercise-5-3
-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Exercise-5-4
-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
--Exercise-5-5
-Unit 6 Arc Length(弧长)
--Exercise-5-6
-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)
--Exercise-5-7
-章节测验5
--章节测试5
-课程讲义
