上册 · 苏德矿《微积分》第三版

第三章 微分中值定理及导数的应用

教材 p.116–187。证明题的主战场;定理不难,难在「构造哪个辅助函数」。

重难点罗尔定理 拉格朗日 柯西 泰勒公式 洛必达 凹凸性 曲率

本章结构(对应教材)#

节内容页码
§1微分中值定理(费马、罗尔、拉格朗日、柯西、单调性与极值)116
§2未定式的极限(00、∞∞、其他类型)130
§3泰勒定理及应用(泰勒、麦克劳林、佩亚诺余项)140
§4数学建模(一)150
§5函数图形的凹凸性与拐点157
§6函数图形的描绘(渐近线、作图)160
§7导数在经济中的应用(边际分析、弹性分析)164
§8曲率、曲率圆174
§9方程的近似根(图解法、数值法)180
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§1–§3、§5–§6 已经整理;§4、§7、§8、§9(含带 * 的选学部分)待补——需要教材原文时告诉我页码,我按原文补。

本章在考什么#

题型分值频率说明
用中值定理证明等式 / 不等式8–12 分必考压轴常客
单调性、极值、最值8–12 分必考含参讨论
凹凸性、拐点5–8 分高频常与作图结合
渐近线3–5 分高频选择、填空
洛必达求极限5–10 分高频与第 1 章联动

知识框架#

中值定理
├─ 费马引理:可导极值点 ⇒ f'(ξ)=0
├─ 罗尔定理:[a,b] 连续、(a,b) 可导、f(a)=f(b) ⇒ ∃ξ, f'(ξ)=0
├─ 拉格朗日:f(b)-f(a) = f'(ξ)(b-a)
├─ 柯西:[f(b)-f(a)]/[g(b)-g(a)] = f'(ξ)/g'(ξ)
└─ 泰勒:f(x) = 多项式 + 余项(佩亚诺 / 拉格朗日)

导数应用
├─ 单调性:f' 的符号
├─ 极值:第一充分条件(变号)、第二充分条件(f''(x₀))
├─ 最值:驻点 + 不可导点 + 端点
├─ 凹凸:f'' 的符号;拐点:凹凸性改变的点
├─ 渐近线:水平、垂直、斜
└─ 函数作图:定义域 → 奇偶周期 → 单调极值 → 凹凸拐点 → 渐近线

核心定义与定理#

三个中值定理的条件对比

定理闭区间连续开区间可导额外条件结论
罗尔需要需要f(a)=f(b)∃ξ,f′(ξ)=0
拉格朗日需要需要无f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)
柯西需要需要g′(x)≠0f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ)
★重难点条件缺一不可,反例要会举
  • 缺「闭区间连续」:f(x)=1x 在 (0,1] 上,结论不成立。
  • 缺「开区间可导」:f(x)=|x| 在 [−1,1] 上,f(−1)=f(1) 但不存在 f′(ξ)=0。
  • 缺「端点相等」:罗尔定理失效,但拉格朗日仍可用。

考试常出「下列函数在给定区间上能否用罗尔定理」的选择题,逐条核对条件即可。

泰勒公式

带佩亚诺余项(用于求极限):

f(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k+o((x−x0)n).

带拉格朗日余项(用于估计、证明):

f(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k+f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1.

常用麦克劳林展开(x→0):

ex=1+x+x22!+⋯+xnn!+o(xn),sinx=x−x33!+x55!−⋯
cosx=1−x22!+x44!−⋯,ln(1+x)=x−x22+x33−⋯,(1+x)α=1+αx+α(α−1)2!x2+⋯

极值的两个充分条件

渐近线

类型判据求法
垂直limx→x0f(x)=∞找无定义点、分母零点
水平limx→∞f(x)=b直接求 x→±∞ 的极限
斜limx→∞f(x)x=k≠0,且 lim[f(x)−kx]=b先求 k 再求 b

重难点#

★重难点构造辅助函数:三类常见模式

证明题的核心是「把要证的式子整理成 F′(ξ)=0 的形式」。三种最常考的构造:

  1. 要证 f′(ξ)+kf(ξ)=0 → 令 F(x)=ekxf(x),则 F′=ekx(f′+kf)。
  2. 要证 ξf′(ξ)+f(ξ)=0 → 令 F(x)=xf(x)。
  3. 要证 f′(ξ)=f(b)−f(a)b−a → 直接对 f 用拉格朗日。

判断方法:把结论中的 ξ 换成 x,移项成一个函数的导数——能凑成谁,就构造谁。

★重难点证明不等式的两条主路

路线一(单调性):移项构造 F(x)= 左 − 右,证 F 单调且端点值为 0。适合「含一个变量、区间明确」的不等式。

路线二(中值定理):把式子看成差商,用拉格朗日。适合「出现 f(b)−f(a) 结构」或「要证存在某个 ξ」。

路线三(最值):求 F 在区间上的最小值,证最小值 ≥0。适合端点处取等号、内部有极值的情形。

三条路线都要会,题目给的形式决定用哪条。

★重难点极值点、驻点、最值点是三个不同的概念
  • 驻点:f′(x)=0 的点。
  • 极值点:局部最大/最小,可能出现在驻点,也可能出现在不可导点(如 |x| 的 x=0)。
  • 最值点:区间上整体最大/最小,候选集 = 驻点 + 不可导点 + 端点。

「极值点一定是驻点」是错的;「驻点一定是极值点」也是错的(如 y=x3 在 0 处)。

★重难点拐点必须两侧凹凸性改变

f′′(x0)=0 只是必要条件,不是充分条件。y=x4 在 0 处 f′′(0)=0,但两侧都凹,不是拐点。

判断拐点要看 f′′ 在 x0 两侧是否变号;若 f′′ 在该点不存在,也可能是拐点(如 y=3]x 在 0 处)。

易错点#

⚠易错点洛必达用完不检查是否仍是未定式

每用一次洛必达,都要重新确认仍是 00 或 ∞∞。若求导后变成非未定式,立即停止并直接求值;若越求越复杂,说明该换方法(等价无穷小、泰勒)。

⚠易错点单调区间的分界点写错

单调区间由 f′=0 的点与 f′ 不存在的点共同划分,且要在定义域内讨论。例如 f(x)=x−lnx 的定义域是 x>0,不能把 x<0 的部分写进单调区间。

⚠易错点二阶导判别法在 f′′(x0)=0 时失效

此时不能用第二充分条件,必须回到第一充分条件(看 f′ 是否变号),或用更高阶导数。直接写「f′′(x0)=0,故不是极值」是错的。

⚠易错点斜渐近线要分别看 x→+∞ 与 x→−∞

两侧的 k,b 可能不同。例如 y=x2x+1 只有一条斜渐近线,但 y=x+1x 两侧相同;含 x2+x 的题两侧往往不同,必须分开算。

⚠易错点用中值定理时忽略「ξ 在开区间内」

结论是 ξ∈(a,b),不是 [a,b]。有些证明需要 ξ≠a 或 ξ≠b,必须在开区间上取。

典型例题#

✎例题例 1|单调性证明双边不等式

证明:当 x>0 时,x1+x<ln(1+x)<x。

思路:两侧分别构造辅助函数,证其单调递增且左端点为 0。

解:

右半边:令 f(x)=x−ln(1+x),则 f(0)=0,且

f′(x)=1−11+x=x1+x>0(x>0).

故 f 在 [0,+∞) 上严格递增,x>0 时 f(x)>f(0)=0,即 ln(1+x)<x。

左半边:令 g(x)=ln(1+x)−x1+x,则 g(0)=0,且

g′(x)=11+x−1(1+x)2=x(1+x)2>0(x>0).

故 g(x)>g(0)=0,即 x1+x<ln(1+x)。

综上,不等式成立。

点评:这类题的标准动作是「移项 → 求导 → 判断符号 → 用端点值」。注意两个方向要分别构造,不能只证一半。

✎例题例 2|拉格朗日中值定理证明不等式

证明:当 a>0,b>0 时,|a−b|max(a,b)≤|lna−lnb|。

思路:lna−lnb 是函数 lnx 在两点处的差,正好是拉格朗日的形式。

解:不妨设 a>b>0,在 [b,a] 上对 f(x)=lnx 用拉格朗日定理,存在 ξ∈(b,a) 使

lna−lnb=1ξ(a−b).

因为 b<ξ<a,所以 1a<1ξ<1b,从而

a−ba<lna−lnb<a−bb.

由 max(a,b)=a,得 |a−b|max(a,b)=a−ba<|lna−lnb|。a<b 时对称同理。

点评:得到 1ξ 后,用 ξ 的范围放缩,是这类题的固定收尾动作。

✎例题例 3|罗尔定理 + 辅助函数

设 f 在 [0,1] 上连续,在 (0,1) 内可导,且 f(0)=f(1)=0。证明:存在 ξ∈(0,1),使 f′(ξ)=f(ξ)。

思路:结论 f′−f=0 正是 (e−xf(x))′=0 的展开,于是构造 F(x)=e−xf(x)。

解:令 F(x)=e−xf(x)。则 F 在 [0,1] 连续、(0,1) 可导,且

F(0)=f(0)=0,F(1)=e−1f(1)=0.

由罗尔定理,存在 ξ∈(0,1) 使 F′(ξ)=0。而

F′(x)=e−x[f′(x)−f(x)],

故 e−ξ[f′(ξ)−f(ξ)]=0,即 f′(ξ)=f(ξ)。

点评:见到 f′+kf 就想 ekxf;见到 xf′+f 就想 xf。这个对应关系要背下来,考场上没时间现推。

✎例题例 4|极值、凹凸与渐近线综合

设 f(x)=x2+xx−1,求其单调区间、极值、凹凸区间与渐近线。

解:先做多项式除法:

f(x)=x+2+2x−1,x≠1.

导数:

f′(x)=1−2(x−1)2=(x−1)2−2(x−1)2=(x−1−2)(x−1+2)(x−1)2.

令 f′=0 得 x=1±2。列表可知:

  • 在 (−∞,1−2) 与 (1+2,+∞) 上 f′>0,递增;
  • 在 (1−2,1) 与 (1,1+2) 上 f′<0,递减。

故 x=1−2 为极大值点,f(1−2)=2−22;x=1+2 为极小值点,f(1+2)=2+22。

凹凸:

f′′(x)=4(x−1)3.

x>1 时 f′′>0(凹),x<1 时 f′′<0(凸)。x=1 不在定义域内,故无拐点。

渐近线:limx→1f(x)=∞,故 x=1 为垂直渐近线;由 f(x)=x+2+2x−1 知 y=x+2 为斜渐近线,无水平渐近线。

点评:先做除法把有理函数拆成「多项式 + 真分式」,求导和渐近线都会变简单,这是通用技巧。

✎例题例 5|最值的实际应用

用一块边长为 a 的正方形铁皮,四角各剪去一个边长为 x 的小正方形,折成一个无盖盒子。求 x 为多少时容积最大。

解:容积

V(x)=x(a−2x)2,0<x<a2.

求导:

V′(x)=(a−2x)2−4x(a−2x)=(a−2x)(a−6x).

令 V′=0,得 x=a6(x=a2 不在开区间内,舍去)。

当 0<x<a6 时 V′>0,当 a6<x<a2 时 V′<0,故 x=a6 为极大值点,也是开区间内唯一驻点,即最大值点。

最大容积 V(a6)=a6⋅(2a3)2=2a327。

点评:实际问题的定义域是开区间,唯一驻点即最值点——这句话要写出来,否则会被认为没验证。

自测清单#