f、f'、f''的定性关系
AP 微积分 AB· AP Calculus AB CED — Analytical Applications of Differentiation· 14 分钟阅读
1. f与f'的关系:增减性与临界点★★☆☆☆⏱ 3 min
与的核心关系来源于导数的定义:导数是在任意点处的瞬时斜率。
若区间内所有满足,则是递增的:增大时,增大
若区间内所有满足,则是递减的:增大时,减小
临界点
定义域内任意满足或无定义的点。临界点是唯一可能从递增变为递减(或反之)的位置。
的图像在时为负,时为正,时为负,时为正,恰好仅在、和处穿过x轴,且无间断点。在哪些区间递增?的临界点有哪些?
- 1
根据定义,当时递增。
- 2
为正的区间是和,因此这些就是的递增区间。
- 3
临界点出现在或无定义的位置。本题中,在、、处成立,且没有点使得无定义。
- 4
最终答案:在上递增,临界点为、、。
Exam tip:
在AP考试所有要求写出增减区间的题目中,始终使用开区间。AP阅卷官从不接受该题型的闭区间答案。
2. f与f''的关系:凹凸性与拐点★★☆☆☆⏱ 3 min
凹凸性描述的斜率随增大如何变化,因此它由的导数即决定。
若,则在区间内递增,因此是凹向上(形状像开口向上的杯子)
若,则在区间内递减,因此是凹向下(形状像开口向下的帽子)
拐点
的凹凸性从向上变为向下(或从向下变为向上)的点。对于二阶可导的,这要求在该点改变符号,只有当或无定义时才会发生改变。并非所有满足的点都是拐点。
例:
一个实用结论:的拐点出现在的局部极值点处
对所有实数二阶可导,且的图像在处有局部最大值,在处有局部最小值。的拐点在哪里?证明你的结论。
- 1
的拐点要求发生符号改变,这对应的增减性发生改变。
- 2
在的局部最大值点,从递增(此时)变为递减(此时)。这意味着在处改变符号,因此是的拐点。
- 3
在的局部最小值点,从递减(此时)变为递增(此时)。这意味着也在处改变符号,因此也是的拐点。
- 4
最终答案:在和处有拐点。
Exam tip:
始终通过明确说明凹凸性(或的符号)在该点发生变化来证明拐点。如果你只说明而没有提到符号变化,AP阅卷官会扣分。
3. 局部极值的定性分类★★★☆☆⏱ 3 min
识别出的临界点后,你可以通过两种定性方法将其分类为局部最大值、局部最小值或两者都不是:
一阶导数判别法:适用于所有临界点:从正变负 = 局部最大值;从负变正 = 局部最小值;无符号变化 = 不是极值
二阶导数判别法:仅适用于满足的临界点: = 局部最大值; = 局部最小值; = 判别法无结论,使用一阶导数判别法
二阶可导,在处有一个临界点,满足,。,。对处的临界点进行分类。
- 1
首先应用二阶导数判别法:我们有,且。根据二阶导数判别法,这意味着在处有一个局部最大值。
- 2
用一阶导数判别法验证:检查两侧的符号。
- 3
左侧,,因此在左侧递增。右侧,,因此在右侧递减。
- 4
在处从正变负,因此一阶导数判别法验证了结论:是局部最大值。
Exam tip:
如果FRQ要求你证明局部极值,你必须明确引用你使用的判别法(例如,"根据二阶导数判别法,,因此是局部最大值")。仅给出结论不得分。
4. 根据另一个函数图像绘制目标函数图像★★★☆☆⏱ 3 min
AP的常见题型是给定的图像要求你绘制的图像(或反过来),只使用定性关系。绘制过程遵循三个简单步骤:标出所有关键点,将x轴按关键点划分为区间,然后为每个区间赋予正确的增减性和凹凸性。
的图像是开口向上的抛物线,根在和处,且。为绘制草图,识别的所有关键特征(极值、拐点)。
- 1
首先,找到的增减区间:由于是开口向上的抛物线,它在根之间()为负,在根之外(和)为正。因此在上递增,在上递减,在上递增。
- 2
找到的极值:在处从正变负,因此在处有局部最大值。在处从负变正,因此在处有局部最小值。
- 3
找到的凹凸性和拐点:抛物线的顶点在处,因此在时递减,时递增。这意味着时,时,因此在处改变凹凸性,是拐点。
- 4
最终关键特征:局部最大值在,拐点在,局部最小值在。
Exam tip:
在AP FRQ中要求绘制图像时,你只需要正确标出所有要求的关键特征,保证大致形状正确即可。你不需要标出每个点就能得满分。
5. 概念检查★★★★☆⏱ 2 min
通过这道AP风格的选择题测试你的理解:
函数的二阶导数的图像在时为负,在处穿过x轴,在时为正,在处与x轴相切(不穿过),且在所有时保持为正。在哪些值处有拐点?
A) 仅
B) 仅
C) 和
D) 和
函数对所有实数二阶可导,一阶导数为。(a) 找出的所有临界点。(b) 在哪些区间递减?证明你的结论。(c) 将每个临界点分类为局部最大值、局部最小值或两者都不是。(d) 找出的所有拐点。证明你的结论。
- 1
(a) 临界点出现在或无定义的位置。是多项式,因此处处有定义。令,得到临界点在和。
- 2
(b) 当时递减。对所有实数非负,因此的符号与的符号一致。当时,因此在上递减。
- 3
(c) 对于:时,时。从负变正,因此是局部最小值。对于:时,时,因此没有符号变化。既不是局部最大值也不是局部最小值。
- 4
(d) 要找到拐点,首先计算:
- 5
- 6
令得到和。检验符号:时,时,时。在两个点都改变符号,因此拐点在和。
6. 常见陷阱
错误做法:
仅因为就将称为的拐点,不检查符号是否变化。
原因:
学生记住了拐点出现在的位置,因此假设所有这样的点都符合条件,忘记了需要凹凸性改变的要求。
正确做法:
始终检查两侧的符号;只有当符号改变时才标记为拐点。
错误做法:
当被要求写出递增区间时,声明在上递增。
原因:
学生错误地认为闭区间是可接受的,因为单调性可以延伸到端点。
正确做法:
按照AP考试惯例,始终将增减区间写为开区间。
错误做法:
将图像的y值与的斜率混淆。
原因:
给定的图像时,学生混淆了哪个性质对应的增减性,哪个对应的凹凸性。
正确做法:
立刻给图像标注:,因此对应递增;该图像的斜率等于,因此正斜率对应凹向上。
错误做法:
将所有临界点都分类为局部最大值或最小值。
原因:
学生根据定义假设所有临界点都是极值。
正确做法:
始终检查临界点周围的符号变化;如果没有符号变化,就不是极值。
错误做法:
当二阶导数判别法得到时,得出处不存在极值的结论。
原因:
学生忘记了当时,判别法是无结论,不是不存在极值。
正确做法:
如果,改用一阶导数判别法检查的符号变化。
错误做法:
声称的拐点与的临界点是同一概念。
原因:
学生将凹凸性改变的位置与斜率改变的位置混淆。
正确做法:
记住的拐点对应的极值,而不是的临界点。
7. 速查表
类别 | 法则 | 注释 |
|---|---|---|
在区间上递增 | 对区间内所有成立 | AP考试始终使用开区间;不需要包含端点。 |
在区间上递减 | 对区间内所有成立 | AP不接受该题型的闭区间答案。 |
的临界点 | 或无定义 | 只有定义域内的点才算;并非所有临界点都是极值。 |
在区间上凹向上 | 递增 | 形状像开口向上的杯子;的斜率随增大而增大。 |
在区间上凹向下 | 递减 | 形状像开口向下的帽子;的斜率随增大而减小。 |
的拐点 | 的凹凸性在处改变 | 是必要条件但不充分;必须确认符号改变。 |
极值的一阶导数判别法 | :正变负 = 局部最大值;负变正 = 局部最小值;无变化 = 不是极值 | 适用于所有临界点,即使不存在也能用。 |
极值的二阶导数判别法 | , = 局部最大值;, = 局部最小值 | 若则无结论;这种情况下使用一阶导数判别法。 |
真题中的出现
AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。
- 2022 · MCQ
拐点识别
- 2023 · FRQ
极值分类与证明
下一步
本主题是AP微积分AB中所有微分进一步应用的基础概念框架,包括完整曲线绘制、优化问题和相关变化率,所有这些内容都是AP考试的重点考查内容。掌握、和之间的定性关系,将让你更容易解释数值导数计算的结果,解决需要描述函数随时间变化行为的实际应用问题。接下来,你将把这些概念应用到完整曲线绘制,然后解决优化问题,这些问题使用我们在这里介绍的相同极值识别法则,继续你学习AP微积分AB第5单元的进程。
