学习指南

单调函数、二阶导数判别法

IB 数学 AI HL· 30 分钟阅读

1. 单调函数与一阶导数判别准则★★☆☆☆⏱ 15 min

🚫 计算器禁用

📘 定义

单调函数

如果一个函数在某个区间上整体单调不增或整体单调不减,则该函数在这个区间上是单调的。严格单调函数在整个区间上严格递增或严格递减。

例:

在全体实数上严格单调

要判断函数在区间上是递增还是递减,我们利用一阶导数的符号。判别规则为:若区间内所有都满足 ,则严格递增;若区间内所有都满足 ,则严格递减。若一阶导数符号不发生改变,单独的孤立点不影响单调性。

📐 例题

证明上严格递增,在上严格递减。

  1. 1

    计算的一阶导数:

  2. 2
    f(x)=12x212=12(x21)=12(x1)(x+1)f'(x) = 12x^2 - 12 = 12(x^2 - 1) = 12(x-1)(x+1)
  3. 3

    时:均为负数,因此它们的乘积为正,故

  4. 4

    时:为负,为正,因此乘积为负,故

  5. 5

    时:两个因子均为正,乘积为正,故

  6. 6

    根据一阶导数判别准则,原命题得证。

Exam tip:

一定要检验临界点两侧的符号来确认单调性,不要只依赖临界点处的导数值。

2. 驻点的二阶导数判别法★★★☆☆⏱ 20 min

✓ 计算器

📘 定义

二阶导数判别法

对于满足的驻点

对二阶可导函数,通过计算驻点处二阶导数的符号来对驻点进行分类的方法。

分类规则很简单:若,则该点是局部极大值点;若,则该点是局部极小值点。当二阶导数容易计算时,该方法比一阶导数判别法更快捷。

📐 例题

找出并分类的所有驻点。

  1. 1

    首先计算,求解得到驻点:

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

    ,得到驻点在处。

  4. 4

    接下来计算二阶导数:

  5. 5
    f(x)=6x12f''(x) = 6x - 12
  6. 6

    代入计算:。二阶导数为负说明是局部极大值点。计算坐标:,因此局部极大值点为

  7. 7

    代入计算:。二阶导数为正说明是局部极小值点。计算坐标:,因此局部极小值点为

✓ 快速检测

检验你对符号规则的理解:

  1. ,那么处的驻点如何分类?

    • 局部极大值点

    • 局部极小值点

    • 拐点

    • 无法确定

    显示答案
    局部极大值点

    回答正确!驻点处二阶导数为负说明函数是凹向下(向下弯曲),因此该点是局部极大值点。

Exam tip:

IB考试题目几乎总会要求给出驻点的完整坐标,找到后不要忘记计算值。

3. 局限性与无法确定的情况★★★★☆⏱ 15 min

🚫 计算器禁用

二阶导数判别法仅当二阶导数存在且在驻点处不为零时有效。若驻点处满足,则该判别法无法确定结果,你必须使用一阶导数判别法(检验该点周围的符号变化)来分类。

📐 例题

处的驻点进行分类。

  1. 1

    对于,因此,说明是驻点。,因此,故二阶导数判别法无法确定结果。

  2. 2

    检验两侧的符号:当时,;当时,由负变正,因此是局部极小值点。

  3. 3

    对于,因此,是驻点。,因此,判别法无法确定结果。

  4. 4

    检验两侧的符号:无论还是都有,符号没有改变,因此是驻点型拐点,不是极大值点也不是极小值点。

4. 常见陷阱

错误做法:

默认处的驻点一定是拐点

原因:

单独并不充分,还需要凹凸性发生改变(即符号改变)

正确做法:

时,检验该点周围的符号来对驻点分类

错误做法:

分类驻点后忘记计算坐标

原因:

IB考试题目要求完整坐标才能得满分,大多数学生在这里丢掉了本应拿到的分数

正确做法:

找到坐标后,代回原函数计算得到坐标

错误做法:

混淆符号规则:误认为对应局部极大值点

原因:

混淆了凹凸方向:正的代表凹向上(向上弯曲)

正确做法:

记住:负号像皱眉(极大值点),正号像杯子(极小值点)

错误做法:

认为函数在孤立点处就不是单调函数

原因:

如果一阶导数符号不改变,孤立的零点不影响单调性

正确做法:

检验整个区间上的符号;如果符号保持非正或非负,函数就是单调的

5. 速查表

概念

条件

结论

严格递增

区间内

函数单调递增

严格递减

区间内

函数单调递减

局部极大值点(二阶判别法)

是局部极大值点

局部极小值点(二阶判别法)

是局部极小值点

二阶判别法无法确定

或无定义

使用一阶导数判别法分类

拐点

处变号

处凹凸性改变

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 · 1

    对三次函数的驻点进行分类

  • 2021 · 2

    有理函数的单调性

  • 2023 · 1

    二阶导数判别法无法确定的情况

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下一步

理解单调函数和二阶导数判别法是解决最优化问题的基础,最优化问题是IB数学AI HL考试中最常见的长答题类型之一。这些概念也是绘图的基础,在绘制函数曲线前你需要识别函数的所有关键特征(极大值点、极小值点、拐点)。掌握本子主题能帮助你在大多数微积分题目中拿到满分,而微积分在期末考试中占比很大。