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微分的分析性应用

AP 微积分 BC · 知识点 5

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9:33

使用中值定理

你在两小时内驾驶了两百公里。你的平均速度是一百公里每小时。现在有一个声明。在那次驾驶期间的某个时刻……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

5.1

运用中值定理

教学大纲

持久理解 (FUN-1): 存在性定理使我们能够在不精确定位具体位置的情况下,推断函数在某个区间上的行为特征。

学习目标 FUN-1.B: 通过在区间上应用中值定理,对函数的性质作出合理论证。

  • FUN-1.B.1 如果函数 $f$ 在闭区间 $[a, b]$ 上连续,且在开区间 $(a, b)$ 上可导,则中值定理保证在该开区间内至少存在一点,使得该点的瞬时变化率等于函数在整个区间上的平均变化率。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
The Mean Value Theorem

The Mean Value Theorem 中值定理 (MVT) links the average rate of change 平均变化率 to an instantaneous one:

If $f$ is continuous 连续 on $[a,b]$ and differentiable 可导 on $(a,b)$, then there is at least one point $c$ in $(a,b)$ where

$$f'(c) = \frac{f(b)-f(a)}{b-a}.$$

In words: somewhere inside the interval 区间, the instantaneous rate equals the average rate. Geometrically, some tangent line 切线 is parallel 平行 to the line joining the endpoints 端点.

The Mean Value Theorem: some tangent is parallel to the secant over the interval
The Mean Value Theorem: some tangent is parallel to the secant over the interval

Exam skill. Like the IVT, the MVT is an existence theorem, and questions ask you to justify. Full credit needs: (1) state $f$ is continuous on $[a,b]$ and differentiable on $(a,b)$; (2) compute the average rate $\frac{f(b)-f(a)}{b-a}$; (3) conclude “by the MVT there is a $c$ in $(a,b)$ with $f'(c)$ equal to that value.” Both hypotheses must be named.

Worked example. For $f(x)=x^2$ on $[1,3]$ the average rate is $\dfrac{9-1}{2}=4$; setting $f'(c)=2c=4$ gives $c=2$, which lies in $(1,3)$ – the guaranteed point.

Why both hypotheses matter. Take $f(x)=|x|$ on $[-1,1]$. It is continuous, and the average rate is $\dfrac{f(1)-f(-1)}{1-(-1)}=\dfrac{1-1}{2}=0$. But $f'(x)$ is $-1$ or $1$ everywhere it exists, never $0$. The MVT does not apply, because $f$ is not differentiable at $x=0$, which is inside $(-1,1)$.

探索

中值定理的实际应用

y = ax³ + bx² + cx + d

中值定理保证在区间内存在一点,使得切线平行于割线——即瞬时速率等于区间内某处的平均速率。

词汇 训练
English 中文 拼音
Mean Value Theorem/miːn ˈvæljuː ˈθɪərəm/ 中值定理 zhōng zhí dìng lǐ
average rate of change/ˈævrɪdʒ reɪt ɒv tʃeɪndʒ/ 平均变化率 píng jūn biàn huà lǜ
continuous/kənˈtɪnjuːəs/ 连续 lián xù
differentiable/ˈdɪfərenʃɪəbl/ 可导 kě dǎo
interval/ˈɪntəvl/ 区间 qū jiān
tangent line/ˈtændʒənt laɪn/ 切线 qiè xiàn
parallel/ˈpærəlel/ 平行 píng xíng
endpoints 端点 duān diǎn
5.2

极值定理、整体极值与局部极值以及临界点

教学大纲

持久理解 (FUN-1): 存在性定理使我们能够在不精确定位函数行为的情况下,推断出函数在某个区间上的行为。

学习目标 FUN-1.C: 通过应用极值定理来论证关于函数的结论。

  • FUN-1.C.1 如果函数 $f$ 在区间 $(a, b)$ 上连续,则极值定理保证 $f$ 在闭区间 $[a, b]$ 上至少有一个最小值和一个最大值。
  • FUN-1.C.2 函数的一阶导数等于零或不存在的那些点是该函数的临界点。
  • FUN-1.C.3 所有的局部(相对)极值都出现在函数的临界点上,但并非所有的临界点都是局部极值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
A mountain peak: extrema and critical points mark highest and lowest values
A mountain peak: extrema and critical points mark highest and lowest values

The Extreme Value Theorem 极值定理 (EVT) guarantees extremes exist: a function continuous on a closed interval 闭区间 $[a,b]$ attains both an absolute maximum 最大值 and an absolute minimum 最小值 on it.

At a maximum or minimum the derivative is zero
At a maximum or minimum the derivative is zero

A critical point 临界点 is an interior point 内点 of the function's domain 定义域 where $f'(x)=0$ or $f'(x)$ does not exist. All local (relative) extrema 局部极值 occur at critical points – but not every critical point is an extremum 极值. So critical points are the candidates 候选点; you must test each.

词汇 训练
English 中文 拼音
Extreme Value Theorem/ekˈstriːm ˈvæljuː ˈθɪərəm/ 极值定理 jí zhí dìng lǐ
closed interval 闭区间 bì qū jiān
absolute maximum 最大值 zuì dà zhí
absolute minimum 最小值 zuì xiǎo zhí
critical point/ˈkrɪtɪkl pɔɪnt/ 临界点 lín jiè diǎn
interior point 内点 nèi diǎn
domain/dəˈmeɪn/ 定义域 dìng yì yù
local (relative) extrema/ˈləʊkl ekˈstremə/ 局部极值 jú bù jí zhí
extremum 极值 jí zhí
candidates 候选点 hòu xuǎn diǎn
5.3

确定函数递增或递减的区间

教学大纲

持久理解(FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的某些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的性质,论证关于函数性质的结论。

  • FUN-4.A.1 函数的一阶导数可提供关于该函数及其图像的信息,包括函数单调递增或递减的区间。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The first derivative 一阶导数 tells you where $f$ rises or falls:

  • $f'(x) > 0$ on an interval $\Rightarrow$ $f$ is increasing 递增 there;
  • $f'(x) < 0$ $\Rightarrow$ $f$ is decreasing 递减.

On the exam, “find the intervals where $f$ is increasing” means: find the critical points, then test the sign of $f'$ between them, and justify with the sign of $f'$ (a stated reason, not just an interval).

词汇 训练
English 中文 拼音
first derivative 一阶导数 yī jiē dǎo shù
increasing/ɪnˈkriːsɪŋ/ 递增 dì zēng
decreasing/ˈdiːkriːsɪŋ/ 递减 dì jiǎn
5.4

用一阶导数判别法确定相对(局部)极值

教学大纲

持久理解 (FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的一些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的行为论证关于函数行为的结论。

  • FUN-4.A.2 函数的一阶导数可以确定该函数相对(局部)极值的位置。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

To classify a critical point $x=c$ as a local max, local min, or neither, check how $f'$ changes sign there:

  • $f'$ changes $+$ to $-$ at $c$ $\Rightarrow$ local maximum 极大值;
  • $f'$ changes $-$ to $+$ at $c$ $\Rightarrow$ local minimum 极小值;
  • $f'$ does not change sign $\Rightarrow$ neither.

Always state the sign change 符号变化 as your justification 理由.

Worked example. For $f(x)=x^3-3x^2$, $f'(x)=3x(x-2)$ is zero at $x=0,2$. Signs give $+,-,+$, so $x=0$ is a local maximum ($f=0$) and $x=2$ a local minimum ($f=-4$).

Common mistakes. Justifying with “$f'(0)=0$” alone: a zero of $f'$ only makes $x=0$ a candidate; the reason is the sign change of $f'$. Testing the sign of $f$ instead of $f'$. Giving the $x$-value when the question asks for the maximum value ($f(0)=0$), or the reverse.

The sign of f-prime sets where a function increases or decreases and locates its local extrema
Where $f' > 0$ the graph rises and where $f' < 0$ it falls; a local max sits where $f'$ turns $+$ to $-$, a local min where it turns $-$ to $+$.
词汇 训练
English 中文 拼音
local maximum/ˈləʊkl ˈmæksɪməm/ 极大值 jí dà zhí
local minimum/ˈləʊkl ˈmɪnɪməm/ 极小值 jí xiǎo zhí
sign change/saɪn tʃeɪndʒ/ 符号变化 fú hào biàn huà
justification 理由 lǐ yóu
5.5

用候选点判别法确定绝对(整体)极值

教学大纲

持久理解 (FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的一些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的行为论证关于函数行为的结论。

  • FUN-4.A.3 函数在闭区间上的绝对(全局)极值只能出现在临界点或端点处。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

On a closed interval, absolute (global) extrema occur only at critical points or endpoints. The candidates test 候选点判别法:

  1. List all critical points in $[a,b]$ and the two endpoints.
  2. Evaluate $f$ at each candidate.
  3. The largest output is the absolute maximum; the smallest is the absolute minimum.

Show the table of values – the comparison is the argument.

Worked example. Find the absolute maximum and minimum of $f(x)=x^3-3x^2$ on $[1,4]$.

$f'(x)=3x(x-2)$ is zero at $x=0$ and $x=2$. Only $x=2$ lies in $[1,4]$, so the candidates are $x=1$, $x=2$ and $x=4$:

$x$ $1$ (endpoint) $2$ (critical point) $4$ (endpoint)
$f(x)$ $1-3=-2$ $8-12=-4$ $64-48=16$

The absolute maximum is $16$, at $x=4$; the absolute minimum is $-4$, at $x=2$. The maximum is at an endpoint where $f'(4)=24\neq 0$: this is why the endpoints must be on the list.

词汇 训练
English 中文 拼音
candidates test/ˈkændɪdeɪts test/ 候选点判别法 hòu xuǎn diǎn pàn bié fǎ
5.6

确定函数在其定义域上的凹凸性

教学大纲

持久理解(FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的某些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的性质论证关于函数性质的结论。

  • FUN-4.A.4 若函数在开区间上的导数递增(递减),则该函数在该区间上为凹向上(凹向下)。
  • FUN-4.A.5 函数的二阶导数提供了关于该函数及其图像的信息,包括凹向上或凹向下的区间。
  • FUN-4.A.6 函数的二阶导数可用于定位原函数图像的拐点。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The second derivative 二阶导数 describes bending:

  • $f'' > 0$ $\Rightarrow$ $f$ is concave up 上凹 (curving like a cup; $f'$ is increasing);
  • $f'' < 0$ $\Rightarrow$ $f$ is concave down 下凹 ($f'$ is decreasing).

A point of inflection 拐点 is where concavity changes, i.e. where $f''$ changes sign (not merely where $f''=0$). Report its $x$-coordinate and justify with the sign change of $f''$.

Concavity comes from the sign of the second derivative; it flips at an inflection point
Concavity comes from the sign of the second derivative; it flips at an inflection point
探索

找出凹凸性翻转的位置

y = ax³ + bx² + cx + d

凹凸性是二阶导数的符号:曲线盛水处凹向上,漏水处凹向下。拐点是其发生切换的位置。

词汇 训练
English 中文 拼音
second derivative/ˈsekənd dɪˈrɪvətɪv/ 二阶导数 èr jiē dǎo shù
concave up/kɒnˈkeɪv ʌp/ 上凹 shàng āo
concave down/kɒnˈkeɪv daʊn/ 下凹 xià āo
point of inflection/pɔɪnt ɒv ɪnˈflekʃn/ 拐点 guǎi diǎn
5.7

用二阶导数判别法确定极值

教学大纲

持久理解(FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的某些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的性质论证关于函数性质的结论。

  • FUN-4.A.7 函数的二阶导数可以判定临界点是否为相对(局部)最大值或最小值的位置。
  • FUN-4.A.8 当连续函数在其定义域的某个区间上仅有一个临界点,且该临界点对应于函数在该区间上的相对(局部)极值时,则该临界点也对应于函数在该区间上的绝对(全局)极值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

An alternative way to classify a critical point $c$ where $f'(c)=0$:

  • $f''(c) > 0$ $\Rightarrow$ concave up $\Rightarrow$ local minimum;
  • $f''(c) < 0$ $\Rightarrow$ concave down $\Rightarrow$ local maximum;
  • $f''(c) = 0$ $\Rightarrow$ the test is inconclusive 无法判定 – fall back on the first derivative test 一阶导数判别法.

Special case: if a continuous function has only one critical point on an interval and it is a local extremum, that point is also the absolute extremum there.

词汇 训练
English 中文 拼音
inconclusive/ɪŋkənˈkluːsɪv/ 无法判定 wú fǎ pàn dìng
first derivative test/fɜːst dɪˈrɪvətɪv test/ 一阶导数判别法 yī jiē dǎo shù pàn bié fǎ
5.8

绘制函数及其导数的图像

教学大纲

持久理解 (FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的某些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的行为论证关于函数行为的结论。

  • FUN-4.A.9 可以识别并关联函数及其导数的关键特征,并将其与图形、数值和分析表示联系起来。
  • FUN-4.A.10 可以利用来自 $f'$ 和 $f''$ 的图形、数值和分析信息来预测和解释 $f$ 的行为。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Key features of $f$, $f'$, and $f''$ mirror each other. To sketch or read graphs:

  • $f$ increasing $\Leftrightarrow$ $f'$ above the axis; $f$ has a local max $\Leftrightarrow$ $f'$ crosses from $+$ to $-$.
  • $f$ concave up $\Leftrightarrow$ $f'$ increasing $\Leftrightarrow$ $f''$ above the axis; $f$ has an inflection point $\Leftrightarrow$ $f'$ has a local extremum $\Leftrightarrow$ $f''$ crosses zero.
5.9

联系函数、一阶导数与二阶导数

教学大纲

持久理解 (FUN-4): 函数的导数可用于理解该函数的一些性质。

学习目标 FUN-4.A: 基于导数的性质,论证关于函数性质的结论。

  • FUN-4.A.11 $f$、$f'$ 和 $f''$ 的图像的关键特征相互关联。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

This is the skill of reading one graph to describe another. A very common exam setup gives the graph of $f'$ and asks about $f$: where is $f$ increasing (where $f'>0$), where are $f$'s extrema (where $f'$ crosses zero, with a sign change), where is $f$ concave up (where $f'$ is increasing). Answer questions about $f$ using the height and slope of the $f'$ graph.

Common mistake. Reading a graph of $f'$ as if it were $f$: “$f$ is increasing where the graph rises” is wrong. $f$ increases where the graph of $f'$ lies above the axis, and $f$ has an inflection point where the graph of $f'$ turns.

探索

从图形读取斜率和弯曲度

y = ax³ + bx² + cx + d

当 $f'>0$ 时函数上升;当 $f''>0$ 时它向上弯曲。滑动切线以将 $f$ 的形状与其一阶和二阶导数的符号联系起来。

5.10

最优化问题引入

教学大纲

持久理解 (FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的一些性质。

学习目标 FUN-4.B: 在实际应用或函数分析中计算最小值和最大值。

  • FUN-4.B.1 导数可用于解决优化问题;即求给定区间上函数的最小值或最大值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Optimisation: the best box

Optimization 最优化 uses the derivative to find the largest or smallest value of a quantity on an interval. It is the candidates/derivative-test machinery applied to a real goal.

Fenced enclosures: optimization finds the dimensions that maximise area for a fixed fence length
Fenced enclosures: optimization finds the dimensions that maximise area for a fixed fence length
探索

面积作为一条开口向下的抛物线

y = ax² + bx

利用约束条件后,面积变为$A=10x-x^2$——一条开口向下的抛物线,只有一个峰值需要寻找。

词汇 训练
English 中文 拼音
Optimization/ˌɒptɪmaɪˈzeɪʃn/ 最优化 zuì yōu huà
5.11

求解最优化问题

教学大纲

持久理解(FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的一些性质。

学习目标 FUN-4.C: 解释在实际应用背景中计算出的最小值和最大值。

  • FUN-4.C.1 函数的最小值和最大值在实际应用背景中具有特定含义。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A dependable procedure:

  1. Write the quantity to optimize as a function of one variable (use a constraint 约束条件 equation to eliminate extras).
  2. State the interval of allowed inputs.
  3. Find critical points ($f'=0$ or undefined) and test them (first- or second-derivative test, or candidates test if the interval is closed).
  4. Answer the question asked, with units and interpretation in context – the maximum area, the minimum cost, etc.

Worked example. With $100\ \text{m}$ of fence for a rectangular pen against a wall (only three sides fenced), let the ends be $x$ and the far side $y=100-2x$. The area $A(x)=x(100-2x)=100x-2x^2$ has $A'(x)=100-4x=0$ at $x=25$; since $A''=-4<0$ this is the maximum, giving $y=50$ and $A=1250\ \text{m}^2$.

Common mistakes. Trying to optimize a function of two variables without using the constraint to remove one; skipping the justification that $x=25$ gives a maximum (here $A''<0$); and stopping at $x=25$ when the question asks for the largest area.

探索

面积有一个单一峰值

y = ax² + bx

面积抛物线开口向下,有一个单一峰值——顶点处导数为零,是最大值。

词汇 训练
English 中文 拼音
constraint/kənˈstreɪnt/ 约束条件 yuē shù tiáo jiàn
5.12

探究隐式关系的性态

教学大纲

持久理解(FUN-4): 函数的导数可用于理解函数的某些性质。

学习目标 FUN-4.D: 确定隐式关系的临界点。

  • FUN-4.D.1 在隐式关系上,若某点的一阶导数等于零或不存在,则该点为函数的临界点。

学习目标 FUN-4.E: 基于导数提供的证据,对隐式定义函数的性质进行论证。

  • FUN-4.E.1 导数的应用可推广至隐式定义的函数。
  • FUN-4.E.2 涉及隐式求导的二阶导数可能是 $x$、$y$ 和 $\dfrac{dy}{dx}$ 之间的关系式。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

All of this extends to implicitly defined 隐式定义 relations. A critical point of an implicit relation is where $\dfrac{dy}{dx}=0$ (horizontal tangent 水平切线) or is undefined 无定义 (vertical tangent 竖直切线). Because $\dfrac{dy}{dx}$ is usually a relation in $x$ and $y$, and the second derivative involves $x$, $y$, and $\dfrac{dy}{dx}$, substitute your first-derivative expression back in when finding $\dfrac{d^2y}{dx^2}$, then reason about concavity from its sign.

探索

圆上的切线

y = √(25 − x²)(上半部分)

在$x^2+y^2=25$上,顶部和底部有水平切线;左侧和右侧有垂直切线。

词汇 训练
English 中文 拼音
implicitly defined/ɪmˈplɪsɪtli dɪˈfaɪnd/ 隐式定义 yǐn shì dìng yì
horizontal tangent 水平切线 shuǐ píng qiè xiàn
undefined 无定义 wú dìng yì
vertical tangent/ˈvɜːtɪkl ˈtændʒənt/ 竖直切线 shù zhí qiè xiàn
5.12

考试技巧

English
  • $f'>0$ means increasing, $f'<0$ decreasing; candidates for extrema are where $f'=0$ or is undefined.
  • Classify a critical point with the first-derivative sign change or the second-derivative test 二阶导数判别法 ($f''>0$ minimum, $f''<0$ maximum).
  • $f''>0$ is concave up, $f''<0$ concave down; a point of inflection is where concavity changes ($f''$ changes sign).
  • For an absolute extremum on a closed interval, also check the endpoints.
  • Justify every conclusion by citing the sign of $f'$ or $f''$ — the exam demands the reasoning, not just the answer.
词汇 训练
English 中文 拼音
second-derivative test 二阶导数判别法 èr jiē dǎo shù pàn bié fǎ

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