摘要
本课开启课程的最后一个单元,这一单元从导数在一点处所说的,过渡到它在一个区间上所说的。本课介绍本单元的进程:魏尔斯特拉斯定理保证在有界闭区间上连续的函数取得最大值与最小值;费马引理把它们定位在导数为零的地方;罗尔、拉格朗日与柯西的定理把导数的符号转化为关于整个区间的信息,由它们得出洛必达法则、单调性、极值判别法、凹凸性、曲率、最优化与牛顿-拉弗森方法。本课重构这些结果的历史,从费马求极大值的方法到达布定理,其顺序几乎与本单元的顺序相反;提出贯穿本单元的问题,即从局部到整体的过渡,并用有理数中的一个例子说明这一过渡依赖于实数的完备性。最后指出这些应用在本网站其他课程以及科学与技术中的用处。
学习目标
- 描述本单元的进程,说明每一课证明了什么、利用了前面哪些结果。
- 解释为什么关于函数的整体结论,如最大值的存在、单调性或某一方法的收敛性,除了导数之外还需要实数的完备性。
- 把本单元的结果置于其历史背景中,从费马求极大值的方法到达布定理,并区分它们被发现的顺序与被证明的顺序。
- 指出导数的应用在其他课程以及科学和技术应用中的作用。
入门测评
在学习本单元之前,最好先测一测起点。这份自测不计分:它的作用是让你知道该在哪里多停留。前九题依次对应本单元讲授内容的九课,每课一题,考查对其核心结果的理解(它保证什么、在什么条件下、不保证什么),而不是对某个表述的记忆;同样的技能会在最后的总结课中用别的数据再次考查。后五题检查本单元从前两个单元中默认已知的内容:波尔查诺定理、一点处导数的符号、二阶导数、隐函数求导与等价无穷小。
开始本单元之前,先测一测你的起点。这是一次简短的自我测评:不计分,结果只保存在你的浏览器中。
第 1 题在下列哪种情形中,魏尔斯特拉斯定理保证函数在所给集合上取得最大值?
函数连续且有界,但 不是有界区间,定理不适用。事实上没有最大值:函数值趋近 而达不到它。区间不是闭的:缺少端点 ,最大值本应在那里取得。函数值趋近 而达不到它。区间是有界闭区间,但函数在 处不连续:它的左极限是 ,而函数值是 。函数值趋近 而达不到它。函数连续,因为它是多项式的绝对值;区间是有界闭区间。定理不要求可导: 在 处不可导,它在那里取得最小值 ,而它的最大值 在 处取得。复习: 魏尔斯特拉斯最值定理
第 2 题函数 在 上可导,,且 对任意 成立。关于 能断定什么?
这里假定了导数在整个区间上等于 ;条件只是给出它的界。常函数 满足条件,而它的值为 (在 处)。界定的是函数值而不是增量:中值不等式界定的是 ,而不是 。函数 满足条件,其值为 (在 处)。不需要知道:中值定理把导数的界变成增量的界,而不必知道在哪一点切线的斜率等于弦的斜率。由中值定理,,其中 是 中的某个数,并且 :这就是中值不等式。两端的界都能取到,分别对应 与 ,所以不能断定更多。复习: 费马、罗尔、拉格朗日与柯西定理
第 3 题计算 。
洛必达法则断言:若导数之比有极限,则函数之比有同一极限;若没有,法则什么也没说,而极限可能存在。这个因子振荡,但有界,并且乘以 ,而后者趋于 的速度快于 。把 换成了 ,仿佛它们是等价无穷小。正弦与其自变量的等价在自变量趋于 时成立,而 并不趋于 。当 靠近 时,商为 :第一个因子趋于 ,第二个趋于 ,因为 。洛必达法则不能判定:导数之比 没有极限。复习: 洛必达法则
第 4 题在 上,函数 是否严格递增?
妨碍严格单调的不是导数零点的个数,而是导数在整个区间上为零;这里的零点是孤立的。正的导数足以保证严格递增,但不是必要的: 在 上严格递增,而它的导数在 处为零。余弦振荡,但下降的速度从不超过 上升的速度:和的导数 从不为负。导数只在孤立点 处为零,其中 为整数。由导数非负时的严格单调性这一命题, 在 上严格递增。复习: 单调性与一阶导数判别法
第 5 题函数 在 上连续,在 的每一点处可导,只有 除外,并且它的导数只在 处为零。若 、、、、,则它在 上的最大值与最小值是多少?
遗漏了函数不可导的点,它们也是临界点:在 处函数等于 。只比较了区间端点处的值;最值也可能在内部的临界点处取得。候选点处的值就足够了:这一命题保证最值在其中某一点取得,并且给出了所有候选点。由有界闭区间上的最值这一命题,最值存在,并在 、 或临界点处取得:在 处(那里导数不存在)或在 处(那里导数为零)。只需比较 、、 与 ;在 处的值无关紧要,因为该点不是候选点。复习: 函数的极值与最值
第 6 题 的拐点是哪些?
为零是必要的,但不充分:还需要凹凸性改变,而 在 处表明它可能不变。它们是临界点,切线在那里是水平的。拐点是凹凸性改变的点,这由二阶导数决定,而不是一阶导数。三阶导数判别法给出的是充分条件,不适用时它什么也不能判定。在 处它适用:,不为零。二阶导数 在 处变号;在 处不变号,因为两侧都为负。在 附近函数两侧都是上凸的, 不是拐点,尽管 在那里为零。复习: 凹凸性与拐点
第 7 题 的图像在点 处的密切圆是哪一个?
它有相同的切线和正确的半径,但向另一侧弯曲:它的圆心在该点下方,而由于 ,曲率中心在该点上方。数 是曲率而不是半径:曲率半径是它的倒数。把 当作半径,并把圆心放在过该点的竖直线上,这只在切线水平时才成立。这里斜率为 ,因子 不等于 。由 与 ,半径为 ,圆心在法线上,即直线 上,与该点相距这一距离,并位于图像弯曲的一侧:在该点上方,因为 。复习: 曲率与曲率半径
第 8 题抛物线 上离点 最近的点是哪些?
它是抛物线的最低点,但不是离 最近的点:它的距离是 ,而纵坐标为 的点的距离是 。临界点 (就函数 而言)是极大值点。把负根舍去了,仿佛 是长度。它是横坐标,可以为负,而关于纵轴对称的点与给定点的距离相同。点到函数图像的距离这一命题,对在包含端点的区间(如 )上连续的函数保证最小值存在:远处的点离得远,最小值在一个有界闭区间上寻找。只需使距离的平方 最小,由点到函数图像的距离这一命题,它在 上取得最小值。它的导数 在 与 处为零,而在后两点处的值 小于 。复习: 最优化问题
第 9 题函数 在 上递增且下凸,它的根是 ,接近 。从 出发,牛顿-拉弗森迭代值如何变化?
在根的左侧,递增的下凸函数的切线与横轴的交点位于根的右侧,因为切线位于图像下方。单调逼近要求从 为正的点出发。定理不能从 出发应用,但可以从 出发应用:推论表明第一次修正就到达正确的一侧。只有第一次修正越过根;从 起,所有迭代值都留在根的右侧。在 处函数为负:这是错误的一侧。由初始点在错误的一侧这一推论,第一个迭代值落在 为正的地方,从它开始,单调收敛定理给出递减地趋于根的迭代值;第二个迭代值是 ,接近 。复习: 牛顿-拉弗森方法
第 10 题来自前面的单元函数 在 上连续,,。能断定什么?
定理保证存在性,而不是唯一性: 满足条件,并在三个点处为零。要得到唯一性还需要更多条件,例如函数严格单调。两个值不能判定单调性:在两者之间函数可以时升时降,例如 。中点是二分法考察的第一个点,但根可能在别处: 满足条件,并在 处为零。这是波尔查诺定理:在有界闭区间上连续、在端点处取值异号的函数,在内部某一点处为零。复习: 介值定理
第 11 题来自前面的单元函数 在包含 的某个开区间上有定义,并且 。能断定什么?
一点处的导数不能控制该点附近的单调性:函数取值 (若 )、取值 (在 处),它的导数为 (在 处),并且在包含 的任何开区间上都不递增。这一命题是局部的:只在 附近成立。正弦的导数为 (在 处),而它的值为 (在 处)。条件只涉及 处的导数: 在邻近的点可能不可导,即使可导,它的导数在 处也可能不连续。这是一点处导数的符号这一命题:差商在 附近保持其极限的符号。它把每个邻近的值与 比较,而不是把邻近的值相互比较。复习: 变化率与相关变化率
第 12 题来自前面的单元计算 ,其中 。
这是 ,即一阶导数:还需要再求一次导。漏掉了加项 ( 中的)的导数,它等于 。把两个因子的二阶导数相乘了,。乘积的二阶导数不是二阶导数的乘积。由乘积法则,,再求一次导,;在 处对数为零。复习: 高阶导数与微分
第 13 题来自前面的单元方程 在点 附近确定一个可导函数 ,且 。 等于多少?
求 的导数时把 当作常数:缺少乘积法则中的项 。把 的导数求成了 ,没有乘以 : 依赖于 ,链式法则给出 。解出未知量时丢了符号:由 得 。对 求导,对 用乘积法则,对 用链式法则,得到 ;在点 处得到 。复习: 反函数的导数与隐函数求导
第 14 题来自前面的单元计算 。
把 当作 的等价量;等价量是 。这是倒过来的商的极限:分子与分母弄反了。这种形式只表明商的极限定理不适用;极限可能存在,这里就存在。当 时,,;把分子与分母换成它们的等价量,商为 。复习: 等价无穷小与等价无穷大
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