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单调性与极值判别

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年9月26日 (六) 18:51的版本 (补充微积分二十篇概念与定理:条件、证明、算例及图解)
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单调性与极值判别利用导数的符号,判断函数在区间上的增减以及局部峰谷。若 f 在区间内可导且 f′(x)>0,则它严格递增;f′(x)<0 时严格递减。证明并非读图:对任意 x1<x2,中值定理给出 f(x2)−f(x1)=f′(c)(x2−x1),其符号由导数决定。

一张符号表解决一个极值问题

令 f(x)=x3−3x。导数为 f′(x)=3(x−1)(x+1)。当 x<−1 时两因子同为负,导数为正;在 −1<x<1 时导数为负;在 x>1 时为正。因此函数先升、再降、再升,f(−1)=2 是局部极大值,f(1)=−2 是局部极小值。判断来自两侧符号的变化,而不只是 f′(−1)=f′(1)=0。

x3 在原点也有零导数,却从左到右始终递增,原点不是局部极值。反之 |x| 在原点有局部极小值但导数不存在。因此寻找候选点时,既要找内部导数为零的点,也要找函数有定义而导数不存在的点;求闭区间最值,还须把两个端点的函数值一起比较。闭区间连续性保证最大值与最小值确实能取到。

二阶导数给出的局部结论

如果 f′(c)=0 且 f″(c)>0,导数在 c 附近由负转正,可得严格局部极小;f″(c)<0 则给出严格局部极大。更直接地,泰勒定理在足够光滑时写成 f(c+h)−f(c)=12f″(c)h2+o(h2),而 h2 非负。若 f″(c)=0,判别法没有结论:x4 在零点是极小,−x4 是极大,x3 都不是。对这些例子应回到符号变化或直接比较函数值。

参考资料