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高 等 数 学 · 第 三 章

导数的应用:
不描点,也能知道它长什么样

上一页发了三张许可证。这一页只干一件事——把第一张用足,然后回答那个从中学起就没被正面回答过的问题:给你一个式子,它的图像到底长什么样?

第 1 幕

先拆掉一个你用了十年的方法

中学画函数图像的办法:取几个点,算出来,连起来。

问题在最后两个字。怎么连?下面三条曲线,经过完全相同的五个点

三条都对得上那五个点,可它们是三个完全不同的函数。描点法根本分不出来。

描点只能告诉你那几个点,永远说不清中间
而上一页那座桥,管的正是"中间"——这一页就是去把它兑出来。
为什么"多描几个点"解决不了这个问题?
因为你描多少个点,都是有限个
而两个相邻点之间还有无穷多个位置,永远塞得下一次你没看见的抖动。
这是第一页那件事的翻版:有限的采样,推不出无限的结论——除非有定理替你担保。
第 2 幕

第一件事:这一段是涨还是跌

上一页的第一张许可证:f′ > 0 ⇒ 单调增

注意它的力度:只要在一整个区间上处处 f′ > 0,整段就是增的——你不需要去比较区间里的每一对点,那是永远比不完的。

下面那条带子是 f′ 的正负;上面的升降跟着它走
于是画图的第一步定了:算 f′,解出它的零点,把定义域切成几段,逐段看符号。
符号定了,升降就定了——整段都定了,不是几个点。
第 3 幕

转折的地方:极值

f′ 由正变负的那一点,函数从涨转跌——那就是极大值点。反过来就是极小值。

于是很自然地想到:解 f′(x) = 0,找出所有驻点,就是极值点。

这一步错了,而且是本章最高频的错。
f′(x₀) = 0 只说明"这里是平的",不说明它掉头了

最短的反例:

y = x³ 在原点:f′(0) = 0,可它一路只涨
驻点只是候选,不是结论。
判定极值的唯一依据是:f′ 在这一点两侧变号
——又是"两侧"。第一页那两队人马,第三次出场。
第 4 幕

⚠️ 支点:关于"极值点"的四个开关

"极值点就是 f′=0 的点"——这句话错在两头。四个开关,各拆一次。

四张图合起来,才是完整的规矩:

极值点的候选 = 驻点(f′=0) ∪ 不可导点
闭区间最值的候选 = 驻点 ∪ 不可导点 ∪ 两个端点
候选找齐之后,还要逐个验证——驻点不一定是极值。
第 4 个开关是第六页的回声:闭区间上连续函数一定取得到最值,可那个最值完全可以待在端点上——端点不满足 f′=0,却照样是答案
只在"驻点"里找最值的人,会漏掉它。
|x| 在 0 处明明是最小值,可那儿没有导数。这说明求极值时,光解 f′=0 会漏掉什么?
会漏掉不可导点
极值的定义只关心"附近没有比它更小/更大的",压根没要求可导
所以候选名单必须是:驻点 ∪ 不可导点;在闭区间上求最值,还要再加上两个端点
第 5 幕

第二件事:它是怎么弯的

知道了升降,图还是画不准。下面两条曲线都是单调增,可长相天差地别:

一个越涨越快,一个越涨越慢——一阶导管不了这个区别

管这件事的是二阶导f″ > 0 时曲线凹向上(碗形),f″ < 0(帽形)。

一阶导告诉你往哪走,二阶导告诉你怎么拐。
工程上天天在用这个区别
速度为正 = 在前进;加速度为正 = 还在提速。
产量在涨(f′>0)但边际收益递减(f″<0)——这句话说的就是"越涨越慢"
第 6 幕

拐点:同一个坑,再踩一次

f″ 变号的地方叫拐点——曲线在那里从碗形翻成帽形。

那么解 f″(x) = 0 就能找出拐点?又错了,而且错法和第 3 幕一模一样:

y = x⁴ 在原点:f″(0) = 0,可两边都是凹的
把两条规矩并排放,你会发现它们是同一句话:
f′ = 0 是极值的候选,必须验 f′ 变号。
f″ = 0 是拐点的候选,必须验 f″ 变号。
"等于零"从来不是结论,"变号"才是
第 7 幕

装起来:一个函数的完整体检

把这一页学的东西按顺序排好,就是一套不用描点的画图流程。拿 f(x) = x³ − 3x 走一遍:

注意顺序:描点是最后一步,而且只是"填数"。
形状在你落笔之前就已经被 f′f″ 定死了——这就是这一页和中学的全部差别。
为什么这套流程能保证"中间不会有你没看见的抖动"?靠的是哪一条定理?
上一页的拉格朗日中值定理
正是它保证了"整段上 f′ > 0整段单调增"——把一个个点上的导数信息,合法地推广到了整段区间。
没有那座桥,f′ 的符号只是一堆孤立的点,管不住中间。
第 8 幕

整节话,就这三行

一阶导定升降与极值,二阶导定凹凸与拐点。
导数等于零只是候选,必须验"变号"。
候选名单别漏:极值要算上不可导点,闭区间最值还要算上端点
今 天 的 任 务

八道,第 3 ~ 5、7 题是一组

那四道都在训练同一件事:把"候选"和"结论"分开。别只挑会做的做。

  1. f(x) = x³ − 3x 的单调区间与极值做完对着第 7 幕的开关核一遍
  2. 接上题,求它的凹凸区间与拐点f″ 算出来是一次函数,符号很好判
  3. ⚠️ f(x) = x³x = 0f′(0) = 0,它是极值点吗?说明理由理由必须落在"变号"两个字上
  4. ⚠️ f(x) = x⁴x = 0f″(0) = 0,它是拐点吗?说明理由和上一题是同一句话的两个版本
  5. ⚠️ f(x) = |x|x = 0:是极值点吗?f′(0) 存在吗?由此写出"极值候选"应该包含哪几类点这题的答案是一条要背下来的名单
  6. f(x) = x + 1/x(0, +∞) 上的最小值先算 f′,再验变号。答案是个整数
  7. ⚠️ f(x) = x[0, 2] 上的最大值在哪?它满足 f′ = 0 吗?由此写出"闭区间最值候选"的名单只在驻点里找的人,这题一定答不上来
  8. 某函数在一个区间上 f′ > 0f″ < 0。用一句话描述它的形状,并举一个具体例子提示:想想 ln x 或者边际收益递减
第 5 题和第 7 题写出的那两份"候选名单",请单独抄在纸的显眼处
后面所有求极值、求最值的题,错因十有八九不是不会算,而是名单没列全
对完答案,每道错题旁只写一句:
我是把"等于零"当成了结论候选名单漏了项忘了验变号,还是纯算错
做 完 之 后