学习指南

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。

📘 定义

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:

  1. 如果处由正变负,则处有一个相对极大值

  2. 如果处由负变正,则处有一个相对极小值

  3. 如果处符号不变,则没有相对极值

📐 例题

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. 1

    计算一阶导数:

    f(x)=3x212x+9=3(x1)(x3)f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 = 3(x-1)(x-3)
  2. 2

    识别临界点:对所有实数都有定义,因此令得到临界点,两者都在定义域内部。

  3. 3

    符号分析:将定义域分为, , ,在每个区间测试一个点:

  4. 4
    • At :
      - At :
      - At :
  5. 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。

📐 例题

Let . Find all critical points and classify each using the First Derivative Test.

  1. 1

    使用乘积法则计算

    f(x)=23x1/3(x4)+x2/3=5x83x1/3f'(x) = \frac{2}{3}x^{-1/3}(x - 4) + x^{2/3} = \frac{5x - 8}{3x^{1/3}}
  2. 2

    识别临界点:处不存在,且(因此的定义域中),所以它是一个有效的临界点。令分子等于零得到,此处有定义,因此也是一个临界点。

  3. 3

    对区间, , 进行符号分析:

  4. 4
    • At :
      - At :
      - At :
  5. 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.

📐 例题

Find all relative extrema of on the closed interval , including endpoints.

  1. 1

    Find interior critical points: , so interior critical points at and .

  2. 2

    Sign analysis for interior points: Intervals , , . Testing gives , , . So is a relative maximum, is a relative minimum.

  3. 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. 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

✓ 快速检测

用这道AP风格的选择题测试你的理解:

  1. 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。

📐 例题

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. 1

    (a) Use the quotient rule to compute the first derivative:

    f(x)=(2x)(x2)x2(1)(x2)2=x(x4)(x2)2f'(x) = \frac{(2x)(x-2) - x^2(1)}{(x-2)^2} = \frac{x(x-4)}{(x-2)^2}
  2. 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. 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. 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 .

📐 例题

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. 1

    Compute the first derivative:

    P(x)=0.003x2+0.24x+3P'(x) = -0.003x^2 + 0.24x + 3
  2. 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. 3

    Sign analysis: Test : . Test : .

  4. 4

    Classification: changes from positive to negative at , so this is a relative maximum. dollars.

  5. 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:

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。