摘要 本课把导数的符号转化为关于整个区间的信息。它用拉格朗日中值定理证明:在一个区间上导数为正的函数在该区间上严格递增,导数非负的函数递增;反过来,递增函数的导数非负,尽管严格递增函数的导数可以为零,本课刻画了这种情形何时发生。由此得出导数为正的函数的可逆性、极值候选点的名称即临界点,以及一阶导数判别法,它根据导数是否变号来判定有无极值。达布定理借助魏尔斯特拉斯定理与费马引理证明,它表明导数即使不连续,也不会跳过中间值:导数没有可去间断与跳跃间断,而且若在一个区间上不为零,就不会在该区间上变号。本课最后用导数比较函数来证明不等式,并兑现导数单元多次预告却无法证明的结论。
学习目标 用中值定理证明区间上导数的符号决定单调性,并能识别严格递增函数何时在某些点处导数为零。 求函数的临界点,并用一阶导数判别法判定其中哪些是极值点,包括没有导数的点。 证明达布定理,并用它说明有跳跃的函数不是任何函数在区间上的导数。 通过研究两函数之差的导数的符号来证明函数之间的不等式,并察觉这种论证何时会陷入循环。 导数的符号与单调性 一点处导数的符号这一命题(出自关于变化率 的那一课)只是把 a a a 附近的每个值与 f ( a ) f(a) f ( a ) 比较,仅此而已:函数 x + 2 x 2 sin 1 x x + 2x^2 \sin \frac{1}{x} x + 2 x 2 sin x 1 ,以 0 0 0 补充定义其在 0 0 0 处的值,具有导数 1 1 1 (在 0 0 0 处),却在任何包含 0 0 0 的区间上都不递增。要得到关于整个区间的信息,必须知道导数在区间所有点处的符号,而中值定理(出自关于费马、罗尔、拉格朗日与柯西定理 的那一课)把这种知识转化为函数值的比较。回顾一下,按照《代数与几何 I》中关于函数的运算 的那一课,函数 f f f 在集合 I I I 上递增,是指对其中所有的点,由 x < y x < y x < y 可推出 f ( x ) ≤ f ( y ) f(x) \leq f(y) f ( x ) ≤ f ( y ) ;严格递增,是指由此可推出 f ( x ) < f ( y ) f(x) < f(y) f ( x ) < f ( y ) :
递减或严格递减,则是指由此可推出 f ( x ) ≥ f ( y ) f(x) \geq f(y) f ( x ) ≥ f ( y ) 或 f ( x ) > f ( y ) f(x) > f(y) f ( x ) > f ( y ) 。
设 f f f 在区间 I I I 上连续,并在 I I I 的每个内点处可导。
若 f ′ ( x ) ≥ 0 f'(x) \geq 0 f ′ ( x ) ≥ 0 对每个内点 x x x 都成立(这些内点属于 I I I ),则 f f f 在 I I I 上递增;若对每个这样的点都有 f ′ ( x ) > 0 f'(x) > 0 f ′ ( x ) > 0 ,则它在 I I I 上严格递增。 若 f ′ ( x ) ≤ 0 f'(x) \leq 0 f ′ ( x ) ≤ 0 对每个内点 x x x 都成立(这些内点属于 I I I ),则 f f f 在 I I I 上递减;若对每个这样的点都有 f ′ ( x ) < 0 f'(x) < 0 f ′ ( x ) < 0 ,则它在 I I I 上严格递减。 对任意两点,中值定理使函数值之差带有某个中间点处导数的符号。
证明
1 设 x < y x < y x < y 是 I I I 中的两点。由于 I I I 是区间,它包含 [ x , y ] \icc{x}{y} [ x , y ] ,而 f f f 在其上连续;( x , y ) \ioo{x}{y} ( x , y ) 中的点都是 I I I 的内点,而 f f f 在这些点处可导。由拉格朗日中值定理,存在 c c c (介于 x x x 与 y y y 之间),使得:
2 因子 y − x y - x y − x 为正,所以差的符号与 f ′ ( c ) f'(c) f ′ ( c ) 相同:若 f ′ ( c ) ≥ 0 f'(c) \geq 0 f ′ ( c ) ≥ 0 ,差非负;若 f ′ ( c ) > 0 f'(c) > 0 f ′ ( c ) > 0 ,差为正。由于 x x x 与 y y y 是 I I I 中满足 x < y x < y x < y 的任意两点,函数递增,或者严格递增。
3 若导数非正,就把以上结论用于 − f -f − f :它在 I I I 上连续,并在每个内点处具有导数 − f ′ ( x ) -f'(x) − f ′ ( x ) ,这由关于求导法则 的那一课中线性组合的导数定理得出。− f -f − f 递增,意味着 f f f 递减。
导数只在内点处要求存在;在属于区间的端点处,连续就够了。因此,x \sqrt{x} x 在 [ 0 , ∞ ) \ico{0}{\infty} [ 0 , ∞ ) 上严格递增,尽管它在 0 0 0 处不可导。这个定理兑现了导数单元的三个预告。关于初等函数的导数 的那一课指出,正切的导数 1 + tan 2 x 1 + \tan^2 x 1 + tan 2 x 为正,而正切在其定义域上并不递增,因为定义域不是区间;在每个区间 ( − π 2 + k π , π 2 + k π ) \ioo{-\frac{\pi}{2} + k\pi}{\frac{\pi}{2} + k\pi} ( − 2 π + k π , 2 π + k π ) 上(k k k 为整数),定理使正切严格递增。关于指数中的变量 的那一课算出了导数 x 1 x ⋅ 1 − ln x x 2 x^{\frac{1}{x}} \cdot \frac{1 - \ln x}{x^2} x x 1 ⋅ x 2 1 − l n x ,它在 ( 0 , e ) \ioo{0}{e} ( 0 , e ) 上为正,在 ( e , ∞ ) \ioo{e}{\infty} ( e , ∞ ) 上为负;由于函数在 ( 0 , ∞ ) \ioo{0}{\infty} ( 0 , ∞ ) 上连续,它在 ( 0 , e ] \ioc{0}{e} ( 0 , e ] 上严格递增,在 [ e , ∞ ) \ico{e}{\infty} [ e , ∞ ) 上严格递减。这重新得到了那一课中关于 x x x 的 1 x \frac{1}{x} x 1 次幂的最大值的命题,而且还能比较位于 e e e 同一侧的两个数:由于 e < 3 < 4 e < 3 < 4 e < 3 < 4 ,有 3 1 3 > 4 1 4 3^{\frac{1}{3}} > 4^{\frac{1}{4}} 3 3 1 > 4 4 1 ,即 3 4 > 4 3 3^4 > 4^3 3 4 > 4 3 。同一课还证明了 ( 1 + 1 x ) x \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x ( 1 + x 1 ) x 的导数对所有 x > 0 x > 0 x > 0 为正:该函数在 ( 0 , ∞ ) \ioo{0}{\infty} ( 0 , ∞ ) 上严格递增。
设 f f f 在区间 I I I 上递增,并在内点 a a a (属于 I I I )处可导。则 f ′ ( a ) ≥ 0 f'(a) \geq 0 f ′ ( a ) ≥ 0 。若 f f f 递减,则 f ′ ( a ) ≤ 0 f'(a) \leq 0 f ′ ( a ) ≤ 0 。 若导数为负,一点处导数的符号这一命题就会在 a a a 的右侧给出小于 f ( a ) f(a) f ( a ) 的值。
证明
1 设 r > 0 r > 0 r > 0 使得 J = ( a − r , a + r ) J = \ioo{a - r}{a + r} J = ( a − r , a + r ) 包含于 I I I ,并设 F F F 是 f f f 在 J J J 上的限制;由关于求导法则的那一课中导数的局部性引理,F F F 在 a a a 处可导,且 F ′ ( a ) = f ′ ( a ) F'(a) = f'(a) F ′ ( a ) = f ′ ( a ) 。假设 f ′ ( a ) < 0 f'(a) < 0 f ′ ( a ) < 0 。由一点处导数的符号这一命题(用于 F F F ,在开区间 J J J 中),存在 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 ,使得:
2 设 ρ \rho ρ 为 δ \delta δ 与 r r r 中较小者。点 a + ρ 2 a + \frac{\rho}{2} a + 2 ρ 属于 J J J 且大于 a a a ;由于 f f f 递增,它在该点的值不小于 f ( a ) f(a) f ( a ) ,这与上面得到的结论矛盾。所以 f ′ ( a ) ≥ 0 f'(a) \geq 0 f ′ ( a ) ≥ 0 。若 f f f 递减,则 − f -f − f 递增,从而 − f ′ ( a ) ≥ 0 -f'(a) \geq 0 − f ′ ( a ) ≥ 0 。
因此,对于在开区间所有点处可导的函数,递增等价于导数非负。逆命题不能推广到严格单调:x 3 x^3 x 3 在 R \mathbb{R} R 上严格递增,而它的导数在 0 0 0 处为零。这个命题也解释了开头的例子:关于变化率的那一课在任意靠近 0 0 0 的地方找到了一些点,使 x + 2 x 2 sin 1 x x + 2x^2 \sin \frac{1}{x} x + 2 x 2 sin x 1 的导数在那里为负,而函数在任何包含这些点的区间上都不可能递增。问题在于这个导数在 0 0 0 处不连续;如果连续,一点处的符号就会延伸到一个区间上。
设 f f f 在开区间 I I I 的每一点处可导,并设 a a a 是 I I I 中的一点,f ′ f' f ′ 在该点连续,且 f ′ ( a ) > 0 f'(a) > 0 f ′ ( a ) > 0 。则存在 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 ,使 f f f 在 ( a − δ , a + δ ) \ioo{a - \delta}{a + \delta} ( a − δ , a + δ ) 上严格递增。 导数在 a a a 附近保持符号,定理就用在保持符号的那个区间上。
证明
1 由于 f ′ f' f ′ 在 a a a 处连续,它在 a a a 处的极限是 f ′ ( a ) > 0 f'(a) > 0 f ′ ( a ) > 0 。由关于函数的极限 的那一课中局部有界性与保号性这一命题,存在 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 ,可以取得使 ( a − δ , a + δ ) \ioo{a - \delta}{a + \delta} ( a − δ , a + δ ) 包含于 I I I ,并且在该区间上 f ′ ( x ) > 0 f'(x) > 0 f ′ ( x ) > 0 。在那里 f f f 可导,因而连续;由定理,它严格递增。
导数非负的函数何时严格递增?x 3 x^3 x 3 的例子表明导数可以在个别点处为零;它不能做到的,是在整个区间上为零。
设 f f f 在区间 I I I 上连续,并在 I I I 的每个内点处可导,且在每个内点处 f ′ ( x ) ≥ 0 f'(x) \geq 0 f ′ ( x ) ≥ 0 。则 f f f 在 I I I 上严格递增,当且仅当不存在任何区间 ( p , q ) \ioo{p}{q} ( p , q ) (其中 p < q p < q p < q ),它包含于 I I I ,并且 f ′ f' f ′ 在它的所有点处都为零。特别地,若 f ′ f' f ′ 只在有限个点处为零,则 f f f 在 I I I 上严格递增。 递增但不严格递增的函数会重复取某个值,并且在重复取该值的两点之间是常数。
证明
1 假设 f ′ f' f ′ 在区间 ( p , q ) \ioo{p}{q} ( p , q ) (包含于 I I I )的所有点处为零,并设 p < s < t < q p < s < t < q p < s < t < q 。在 [ s , t ] \icc{s}{t} [ s , t ] 上,函数连续,且在 ( s , t ) \ioo{s}{t} ( s , t ) 的点处导数为零;由关于费马、罗尔、拉格朗日与柯西定理的那一课中区间上导数为零这一推论,它在 [ s , t ] \icc{s}{t} [ s , t ] 上是常数,因而不是严格递增的。
2 反过来,假设 f f f 不严格递增。由定理,它递增,所以存在 s < t s < t s < t (属于 I I I ),使得 f ( s ) = f ( t ) f(s) = f(t) f ( s ) = f ( t ) ;每个中间值都夹在两个相等的值之间,故 f f f 在 [ s , t ] \icc{s}{t} [ s , t ] 上是常数。
3 设 x x x 属于 ( s , t ) \ioo{s}{t} ( s , t ) 。f f f 在 ( s , t ) \ioo{s}{t} ( s , t ) 上的限制是常数,在 x x x 处导数为零;由导数的局部性引理,f ′ ( x ) = 0 f'(x) = 0 f ′ ( x ) = 0 。导数在整个区间 ( s , t ) \ioo{s}{t} ( s , t ) 上为零,而该区间包含于 I I I 。若 f ′ f' f ′ 只在有限个点处为零,就不存在这样的区间,因为每个区间 ( p , q ) \ioo{p}{q} ( p , q ) (其中 p < q p < q p < q )都含有无穷多个点。
函数 x + sin x x + \sin x x + sin x (出自关于反函数的导数 的那一课的例题 1)的导数是 1 + cos x ≥ 0 1 + \cos x \geq 0 1 + cos x ≥ 0 ,它在无穷多个点 π + 2 k π \pi + 2k\pi π + 2 k π 处为零;在其中相邻的两点之间导数为正,没有哪个区间全由零点组成。这个命题使它在 R \mathbb{R} R 上严格递增,那一课是用两个正弦之差的公式得到这一点的,当时还显得出人意料。同样的推理也允许有限个没有导数的点:若 f f f 在 I I I 上连续,并且在除 x 1 < ⋯ < x k x_1 < \dots < x_k x 1 < ⋯ < x k 以外的所有内点处导数为正,那么定理使它在这些点中每相邻两点之间的区间上(以及两端的部分上)严格递增,而各个不等式可以首尾相接。于是,x 3 \sqrt[3]{x} 3 x 在 R \mathbb{R} R 上严格递增,尽管它在 0 0 0 处不可导。连续性不能去掉(练习题 1)。
设 f f f 在含有不止一个点的区间 I I I 上连续,并在 I I I 的每个内点处可导,且在每个内点处 f ′ ( x ) > 0 f'(x) > 0 f ′ ( x ) > 0 ,或在每个内点处 f ′ ( x ) < 0 f'(x) < 0 f ′ ( x ) < 0 。则 f f f 在 I I I 上严格单调,它的像 J = f ( I ) J = f(I) J = f ( I ) 是区间,反函数 f − 1 : J → I f^{-1} \colon J \to I f − 1 : J → I 连续;在每个点 b = f ( a ) b = f(a) b = f ( a ) 处(a a a 为 I I I 的内点),反函数可导,且 ( f − 1 ) ′ ( b ) = 1 f ′ ( a ) \left(f^{-1}\right)'(b) = \frac{1}{f'(a)} ( f − 1 ) ′ ( b ) = f ′ ( a ) 1 。 定理给出严格单调性,这正是反函数的导数定理的条件。
证明
1 由定理,f f f 在 I I I 上严格递增或严格递减。由关于介值定理 的那一课中区间的像与反函数的连续性这两个推论,J J J 是区间,且 f − 1 f^{-1} f − 1 在 J J J 上连续。
2 若 a a a 是内点,则 f f f 在 a a a 处可导且 f ′ ( a ) ≠ 0 f'(a) \neq 0 f ′ ( a ) = 0 ,而关于反函数的导数的那一课中反函数的导数定理给出 f − 1 f^{-1} f − 1 在 b = f ( a ) b = f(a) b = f ( a ) 处的导数。
导数单元的测评曾把 x 5 + x x^5 + x x 5 + x 与 x 3 + 2 x + 1 x^3 + 2x + 1 x 3 + 2 x + 1 在 R \mathbb{R} R 上严格递增当作已知;现在只需注意它们的导数 5 x 4 + 1 5x^4 + 1 5 x 4 + 1 与 3 x 2 + 2 3x^2 + 2 3 x 2 + 2 都为正。而关于 x e x x e^x x e x 的反函数的挑战题(出自那个单元的总结 )要求不用导数的符号证明该函数在 [ − 1 , ∞ ) \ico{-1}{\infty} [ − 1 , ∞ ) 上严格递增,现在一行就能解决:它在那里连续,其导数 ( 1 + x ) e x (1 + x) e^x ( 1 + x ) e x 在 ( − 1 , ∞ ) \ioo{-1}{\infty} ( − 1 , ∞ ) 上为正。
本课节其余部分
临界点与一阶导数判别法 达布定理 用单调性证明不等式 例题 尖点处的极大值 正弦与余弦的相继不等式 正弦在其弦之上 判别法发现不了的极小值 不是导数的跳跃 练习题 不是区间的定义域与一个跳跃 一族三次多项式 伴随数列:实变量的情形 实数指数的伯努利不等式 只取 1 或负 1 的导数 使用免费账户继续阅读
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