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一元微积分学的基本内容,是“用导数研究函数,研究函数以讨论积分。”讨论连续函数的符号,是基本内容的一条主线。
1。符号讨论主线 定理(1) “保号”定理
—— 若自变量 x→∞ 时 ,相应的函数值 f (x) 有正的极限A ,即∣x∣增大时函数值f (x) 无限接近正数A ,则当∣x∣充分大时 ,恒有 f (x) > 0
—— 若自变量x→ x0 时 ,相应的函数值 f (x) 有正的极限A , 则当x 充分靠近x0 时,即在x0 的一个适当小的去心邻域内 ,恒有 f (x) > 0
(潜台词:近朱者赤,近墨者黑。如此而已。)
典型应用1 —— 连续函数一点大于0 ,则一段大于0
逻辑发展典型 —— f (x) 在区间(a ,b)上连续非负。则f (x) 在(a ,b)上积分为0的充要条件为 f (x) 在(a ,b)上恒为0
(潜台词:如果需要,可以补充定义端点值为极限值。)
典型应用2 —— 一点可导且导数大于(或小于)0的推理
设函数 f (x) 在点x0 可导,且 f′ (x0) > 0 ,则
→ f (x) 在点x0 可导 → f (x) 在点x0连续 → f (x) 在点x0的某邻域内有定义
将 f′ (x0) > 0还原成定义式 , 即 Δx → 0时,l i m(Δy /Δx)> 0
→(体验符号,近朱者赤。)在x 0的某去心邻域内,增量商恒正 ,分子分母同号。
→ 分母Δx在x 0左側为负,右侧为正,分子Δy也只能左側为负,右侧为正。
→ 在x 0左側邻近,恒有f (x) < f(x 0),而在右侧邻近,恒有 f (x)> f(x 0)
(潜台词:我们并不知道各函数值之间谁大谁小。不能与单调性相混。)
→ f(x 0)不是函数的极值,更不会是函数的最值。
(画外音:这下你就懂了,“已知一点导数大于0”与“已知一个区间内导数大于0”的差别。
有人问,你能举出一个点孤立可导的函数例吗?那是另外一个问题了。有点钻牛角尖。)
2。符号讨论主线 定理(2)连续函数介值定理推论
—— 连续函数取正取负必取零。
(潜台词:讨论方程 F(x) = 0 的根,总可以转化为讨论函数F(x)的零点。)
逻辑发展 ——
—— 没有零点的连续函数定号。只有一个零点的连续函数定号或分两段定号。
(潜台词:简单的反证法逻辑。)
—— 连续函数在相邻的两个零点间不变号。
—— 在连续区间(a ,b)内,函数图形被其零点分成了恒正或恒负的若干段。
(潜台词:各段究竟恒正还是恒负,选个特殊点算算。)
逻辑发展典型 ——
若函数 f (x) ,g(x ) 都在区间(a ,b)上连续,则函数 y = man(f(x),g(x ))也在(a ,b)上连续。
(画外音:作差函数 F = f(x)– g(x ) ,则F连续。F在相邻的两个零点间不变号。函数y = man(f(x),g(x ))在这一段要么为f(x),要么为g(x),当然连续。
只需任选一个等值点(F的零点),证明y = man(f(x),g(x ))连续。)
逻辑发展典型 ——(费尔玛引理)
若f (x) 在区间(a ,b)上可导,且在(a ,b)内一点x0取得最大值或最小值。则必有 f′ (x0) = 0
(画外音: f (x) 在点x0可导的充要条件为 左导数 = 右导数 。
写出定义,利用最值讨论左导数 = 右导数符号。逻辑推理判 定 f′ (x0) = 0 )
逻辑综合发展典型 ——(达布定理)若f (x) 在区间(a ,b)上可导,则其导函数自然满足连续函数介值定理。
(潜台词:导函数不一定连续。)
3。典型(连续)不可导的成因分析
从图形上看连续函数取绝对值 —— 连续函数f (x) 在相邻的两个零点之间不变号。
如果恒正,每一个正数的绝对值就是自已。在这两个零点间,函数 y =∣f (x)∣与 f (x) 的图形相同。
如果恒负,每一个负数的绝对值都是它的相反数。在这两个零点间,f (x) 的图形由x轴下面对称地反射到了x轴上方。成为 y =∣f (x)∣的图形。
如果f (x) 可导,则称曲线 y = f (x) 光滑。从前述图形关系可以看出,在 f (x) 恒为正或恒为负的区间内,曲线 y = | f (x) | 和曲线 y = f (x) 的光滑性是一致的。
符号讨论主线结论(3) —— 只有在 f (x) 的零点处,才可能出现曲线 y = f (x) 光滑 ,而曲线 y = | f (x) | 不光滑的状况。
y = sin x 在原点为0,在原点的左侧邻近为负,右侧邻近为正。
让它的图形在原点右侧段不变,而将左侧段对称地反射到上半平面,就是y = | sin x | 的图形。反射使得曲线 y = | sin x | 图形在原点处形成一个尖角,不光滑了。
(潜台词:从几何上看,曲线y = sin x的切线被分成左,右两射线,形成一个角。)
同理 y = | lnx| 在点x = 1不可导。
这是否是一个普遍规律?不是!比如 y = x3 与 y = | x3 | 在x = 0点都可导。
函数 y = x3 的图形叫“立方抛物线”。在点x = 0,函数导数为0,图形有水平的切线横穿而过。
4。符号讨论主线结论(4)拉格郎日公式推论2
—— 若f (x) 在区间(a ,b)上可导,且导函数 f′ (x) > 0 ,则f (x) 在区间(a ,b)上单增。
逻辑发展(“逐阶判符号,分段说单调”)—— 一个很好玩的游戏
设函数 三阶可导,f′″ (x)在点x0连续。又已知其一,二阶导数在点x0都为0,而三阶导数不为0,不仿设f′″ (x0)>0 ,则有
→ 连续函数一点大于0则一段大于0。在点x0 邻近三阶导数f′″ (x) 恒大于零。
→ 三阶导数大于零,则二阶导数单增。又因为 f″ (x0) = 0 ,故
当x由左方趋近点x 0 时,f″ (x) 由负单增到0 ;
而从x 0点向右,f″ (x)由0单增为正。 x 0 两側二阶导数反号,图形上点(x0,f (x 0))是拐点。
→ 在x 0点左側,一阶导数单减,且由正单减到0 ;
在x 0点右側,一阶导数单增,且由0单增为正。f ′(x 0) = 0是一阶导数的极小值。导数的一个孤立零点。
→ 函数 f 在点x 0邻近单增
典型应用——“单调法”证明函数不等式
证明x >x 0 时,f (x) >g (x),即证明 F = f (x)-g (x) >0 ,能否运用单调法,先看有没有“初始信息”,再对F求导。看导数正负说单调,两者结合确定函数F的符号。
这条主线玩熟了,你会提高很多。
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