一阶导数判别法判断相对极值
AP 微积分 BC· AP 微积分 BC CED — 微分的分析应用· 14 分钟阅读
1. 一阶导数判别法的核心概念★★☆☆☆⏱ 3 min
一阶导数判别法(也称为局部/相对极值判别法)是AP微积分BC第5单元的核心方法,在选择题和自由作答题中都会出现,占考试总分的4-7%。
该方法利用一阶导数的几何意义:告诉我们是递增()还是递减()。通过分析临界点周围的符号变化,我们可以将该点分类为相对极大值、相对极小值或两者都不是。
临界点
, interior
函数定义域的一个内点,满足要么,要么不存在。临界点是相对极值仅可能出现的位置。
Exam tip:
在AP自由作答题中,你必须明确提及一阶导数的符号变化,才能获得极值分类的全部证明分数。
2. 内部临界点的符号分析★★☆☆☆⏱ 4 min
要对内部临界点应用一阶导数判别法,将的定义域按临界点分割为多个区间,在每个区间内取一点测试的符号,然后使用以下符号变化规则进行分类:
如果在处由正变负,则在处有一个相对极大值
如果在处由负变正,则在处有一个相对极小值
如果在处符号不变,则在处没有相对极值
求的所有临界点,并使用一阶导数判别法对每个临界点分类。
- 1
计算一阶导数:
- 2
识别临界点:对所有实数都有定义,因此令得到临界点和,两者都在定义域内部。
- 3
符号分析:将定义域分为, , ,在每个区间测试一个点:
- 4
- At :
- At :
- At :
- At :
- 5
根据符号变化分类:在处,由正变负 → 处为相对极大值。在处,由负变正 → 处为相对极小值。
Exam tip:
仅说明不足以证明自由作答题中的极值存在。
3. $f'$不存在处的临界点★★★☆☆⏱ 4 min
只要在的定义域中,即使不存在,也可能是临界点。一阶导数判别法对这些点的处理流程与的点完全相同。这种情况常见于绝对值函数、根式函数和分段函数,在AP考试中经常出现。
Let . Find all critical points and classify each using the First Derivative Test.
- 1
使用乘积法则计算:
- 2
识别临界点:在处不存在,且(因此在的定义域中),所以它是一个有效的临界点。令分子等于零得到,此处且有定义,因此也是一个临界点。
- 3
对区间, , 进行符号分析:
- 4
- At :
- At :
- At :
- At :
- 5
分类:在处,由正变负 → 处为相对极大值。在处,由负变正 → 处为相对极小值。
Exam tip:
在将不存在的点称为临界点之前,一定要确认该点在的定义域中。
4. 端点极值的一阶导数判别法★★★☆☆⏱ 4 min
在闭区间上,端点和可以是相对极值,因为定义相对极值时我们只考虑区间内的函数值。一阶导数判别法可以自然推广到端点,只需检查端点内侧的符号即可:
Left endpoint : If just right of , is a relative maximum. If just right of , is a relative minimum.
Right endpoint : If just left of , is a relative maximum. If just left of , is a relative minimum.
Find all relative extrema of on the closed interval , including endpoints.
- 1
Find interior critical points: , so interior critical points at and .
- 2
Sign analysis for interior points: Intervals , , . Testing gives , , . So is a relative maximum, is a relative minimum.
- 3
Classify endpoints: Left endpoint has positive just right of , so increases away from → relative minimum at . Right endpoint has positive just left of , so increases towards → relative maximum at .
- 4
Final result: Relative minima at and ; relative maxima at and .
Exam tip:
When asked to find all relative extrema on a closed interval, don't forget to classify endpoints—this is a common AP exam point trap.
5. AP风格的额外例题★★★★☆⏱ 6 min
用这道AP风格的选择题测试你的理解:
Let on the interval . How many relative extrema does have on this interval, including endpoints?
1
2
3
4
显示答案
4 —回答正确:共有2个内部极值加上2个端点极值,总计4个。如果你得到2,说明你忘记对端点分类了。
Let . (a) Find all critical points of . Justify your answer. (b) Classify each critical point as a relative maximum, relative minimum, or neither using the First Derivative Test. Justify your answer. (c) Identify all relative extrema of on the interval , including endpoints.
- 1
(a) Use the quotient rule to compute the first derivative:
- 2
The domain of excludes , so even though is undefined at , it is not a critical point. at and , both in the domain of , so critical points are and .
- 3
(b) The denominator is always positive for , so the sign of matches the sign of . Testing intervals: for , for and , and for . At , changes from positive to negative → relative maximum. At , changes from negative to positive → relative minimum.
- 4
(c) On , endpoints are and , which we already classified, and is not in the domain. The relative extrema are: relative maximum at and relative minimum at .
A small business models its daily profit from selling units of a product as , where is measured in dollars, and . Use the First Derivative Test to find the production level that gives a relative maximum daily profit, and interpret your result.
- 1
Compute the first derivative:
- 2
Find critical points: Set , which simplifies to . Solving with the quadratic formula gives one positive critical point at , which is inside the interval .
- 3
Sign analysis: Test : . Test : .
- 4
Classification: changes from positive to negative at , so this is a relative maximum. dollars.
- 5
Interpretation: Producing approximately 91 units per day gives the business a relative maximum daily profit of roughly $482.
6. 常见陷阱
错误做法:
将不存在且也不存在的称为临界点
原因:
学生自动将任何不存在的点标记为临界点,而不检查的定义域
正确做法:
对于任何不存在的点,在将其标记为待测试的临界点之前,确认存在
错误做法:
仅通过说明来证明相对极值存在,而不提及的符号变化
原因:
学生混淆了临界点的条件和极值的证明要求
正确做法:
在所有自由作答题中,明确说明周围一阶导数的符号变化,才能获得全部证明分数
错误做法:
在闭区间上求解时,忘记检查端点处的相对极值
原因:
学生学到临界点是内点,因此在分类相对极值时完全忽略端点
正确做法:
当定义域给定为闭区间时,一定要将端点添加到需要用推广的一阶导数判别法分类的点列表中
错误做法:
因为测试点的值为零就得出符号没有变化的结论
原因:
学生有时会不小心测试了临界点而非区间内的点,得到导数为零,错误得出符号不变的结论
正确做法:
测试两个临界点之间的区间时,一定要选择严格在区间内部的测试点,不要等于任何一个临界点
错误做法:
分类极值时使用的符号而非的符号
原因:
学生在考试日快速解题时会混淆函数值和导数值
正确做法:
符号分析时,始终明确计算的符号,而非的符号
7. 速查表
分类 | 规则 | 注释 |
|---|---|---|
内部临界点 | is critical if: or ( undefined and defined) | Only interior domain points count as critical points |
内部相对极大值 | left of , right of | Works for all critical points, including where is undefined |
内部相对极小值 | left of , right of | Same broad applicability as the maximum rule |
No Relative Extremum | has the same sign on both sides of | Common for horizontal inflection points like at |
左端点相对极大值 | just right of | 函数远离端点递减 |
左端点相对极小值 | just right of | 函数远离端点递增 |
右端点相对极大值 | just left of | 函数向端点递增 |
右端点相对极小值 | just left of | 函数向端点递减 |
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
对有理函数的临界点进行分类
- 2023 · FRQ
证明函数的相对极值分类
下一步
一阶导数判别法是AP微积分BC中所有极值和曲线绘图后续学习的基础工具。掌握符号分析和极值分类的证明方法,是获得许多占总分很大比例的自由作答题满分的必要条件。掌握本主题后,你接下来将学习极值的二阶导数判别法,这是一种对二阶导数存在且非零的临界点进行分类的替代方法。你还会应用一阶导数判别法寻找闭区间上的绝对极值,这是一个常见的FRQ考点,并为曲线绘图和优化问题打下基础。本主题也是本课程后续参数和极坐标背景下运动分析的基础。
