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第四章 微分中值定理及其应用

选择题​

  1. 设 在 处连续,且

则 在 处

A. 不可导;    B. 可导且 ;    C. 有极大值;    D. 有极小值。
查看答案与解析

答案: D

解析: 由

可知当 时

又因为 在 处连续,而上式右端趋于 ,所以

当 且充分接近 时,

从而 。因此 是 的严格极小值点,故选 D。

此外,

因而 A、B 均错误;C 与实际极值类型相反。


  1. 若

且 , 在 连续,则下列正确的是

A. 是曲线 的拐点;
B. 是 的极小值;
C. 不是 的极值, 也不是 的拐点;
D. 是 的极大值。
查看答案与解析

答案: D

解析: 当 时,将原式除以 ,得

令 。由于 在 处连续,故 在 处连续;结合 ,有

因而

由二阶导数判别法, 是 的严格极大值点,所以 D 正确,B、C 错误。

又因 在 处连续且 ,故在 的某邻域内恒有 ,曲线在该点两侧凹凸性不发生改变,因此 不是拐点,A 错误。


  1. 设 在 定义,,则下列命题中正确的是
A. 若 在 单调增加且可导,则 ;
B. 若 是曲线 的拐点,则 ;
C. 若 ,,,则 一定不是 的极值点;
D. 若 在 处取极值,则 。
查看答案与解析

答案: C

解析: 由 及前三阶导数在 处存在,利用带皮亚诺余项的泰勒公式,

当 从 左侧变到右侧时,主项

改变符号,因此 在 两侧异号, 不可能是极值点,故 C 正确。

对其余选项:单调增加的可导函数只能保证 ,例如 单调增加但 ,故 A 错误;拐点处二阶导数可能不存在,例如 在原点凹凸性改变,故 B 错误;D 缺少“在 处可导”的条件,例如 在 处取极小值但导数不存在。


  1. 设 可导、恒正,且 时恒有 ,则
A. ;    B. ;    C. ;    D. 。
查看答案与解析

答案: C

解析: 构造辅助函数

则

因此 在 上严格单调增加。于是对 ,

第一部分给出

又因 且 ,有

从而

故 C 正确。

同时,由 得 ,所以 A 错误;由 得 ,与 B 的方向相反;D 也与 所反映的大小关系不符。


  1. 若函数 在 上连续,在 内可导,且 ,,则在 内
A. 没有零点;    B. 至少有一个零点;    C. 只有一个零点;    D. 有无零点不能确定。
查看答案与解析

答案: C

解析: 对任意 ,由拉格朗日中值定理,存在 ,使得

因而

当 时,右端为正,所以存在某个 使 。结合 以及 在 上连续,由零点定理知 内至少有一个零点。

另一方面,,所以 在 上严格单调增加,零点至多一个。综上, 在 内恰有一个零点,故选 C。


  1. 曲线

渐近线的条数是

A. 1;    B. 2;    C. 3;    D. 4。
查看答案与解析

答案: A

解析: 函数的定义域为

当 时,

因而

所以曲线有一条水平渐近线

当 或 时,分式趋于 ,但

为有限值,因此 和 都不是竖直渐近线。函数整体有界,也不可能存在斜渐近线。故渐近线只有一条,选 A。


  1. 曲线

的拐点有

A. 1 个;    B. 2 个;    C. 3 个;    D. 4 个。
查看答案与解析

答案: B

解析: 函数定义域为

求导得

进一步有

对 作符号分析:

  • 在 上,;
  • 在 上,;
  • 在 上,;
  • 在 上,;
  • 在 上,。

虽然凹凸性在 两侧发生变化,但这两点不在函数定义域内,不能成为拐点。凹凸性在定义域内的 与 处均发生改变,因此共有两个拐点:

故选 B。

填空题​

  1. 函数

的极大值点是 ,极小值点是 。

查看答案与解析

答案: ;

解析: 当 时,

令 ,得到

此外,

所以 也是驻点。

根据 的符号:

可知 均为极小值点。

又当 时,,故

因而 是极大值点。


  1. 曲线

的渐近线方程为 。

查看答案与解析

答案: ,

解析: 函数定义域为 。当 时,

从而 ,故

是竖直渐近线。

当 时,

所以

是斜渐近线。


  1. 曲线

的拐点是 。

查看答案与解析
答案:

解析: 将函数写为

两次求导,得

令 ,得

因为因子 在 两侧不改变符号,故 在 两侧均为负, 不是拐点。

在 两侧,因子 改变符号,曲线凹凸性发生改变,所以这两点是拐点。代入 ,有

因而拐点为


  1. 数列

的最大项为 。

查看答案与解析

答案:

解析: 考虑连续函数

取对数得

因而

所以 在 上单调增加,在 上单调减少。由于

故整数项中的最大值只需比较 两项。又

因而

所以数列的最大项为 。

计算题与证明题​

  1. 设

讨论 与 的极值。

查看答案与解析
答案:

解析: 先讨论 。当 时,

因为 ,所以

因而 在 处由减变增,取得极小值

当 时,

故在 上无极值。

虽然 在 处不连续,因为

但极值并不要求函数在该点连续。对充分接近 的 ,有

因而

所以 是 的严格极大值点。

再讨论 。当 时,

因而 在 上递减,在 上递增,所以

是极小值。

当 时,

故无极值。对于 ,有 。当 且接近 时,

而当 时,

因此 既不是极大值点,也不是极小值点。


  1. 求函数

的单调区间、极值点、凹凸性区间与拐点。

查看答案与解析

答案: 定义域为 。函数在

上单调减少,在

上单调增加;极小值点为 ,无极大值点。曲线在

上向下凸,在

上向上凹;拐点为

解析: 函数的定义域为

求导得

因此

从而函数在 和 上单调减少,在 上单调增加。由于导数在 两侧由负变正,故 为极小值点,且

函数没有极大值点。注意 不在定义域内,不能作为极值点。

再求二阶导数:

因为 ,故 的符号由 决定:

因而曲线在 上向下凸,在 与 上向上凹。由于 在 两侧变号,且函数在该点连续,所以该点为拐点。其纵坐标为


  1. 作函数

的图形。

查看答案与解析

答案: 函数定义域为 ,有竖直渐近线 和水平渐近线 ;图像经过 ,在 上单调增加,在 上单调减少,在

处取得最大值;拐点为

解析: 函数的定义域为

当 时,令 ,则

所以 是竖直渐近线。当 时,

所以 是水平渐近线。

一阶导数为

因此

故函数在 上单调增加,在 上单调减少,并在 处取得最大值

又

所以图像与 轴交于 。

二阶导数为

因此

曲线在 上向下凸,在 上向上凹,拐点为

根据以上信息即可作出图形:曲线从 附近的负无穷开始上升,经过 ,到 达到最高点,随后下降并从上方趋近于水平渐近线 。


  1. 设 在 内可导,,且

证明:存在常数 ,使得 ,。

查看答案与解析

答案: 存在常数 ,使得

解析: 由行列式恒等于零,得

又因为 ,所以函数

在 内可导,并且

根据拉格朗日中值定理,导数在区间 内恒为零的函数必为常数。因此存在常数 ,使得

即


  1. 证明:
查看答案与解析
答案:

解析: 令

对任意实数 ,都有

故 在全体实数上有定义。

先计算导数:

设

则

因而

所以

根据拉格朗日中值定理, 为常数。又

故该常数为零,从而


  1. 设 在 二次可导且 ,。求证: 在 单调下降。
查看答案与解析

答案: 函数

在 上严格单调下降。

解析: 对 ,有

令

则

因为 且 ,所以

又由 得

因而对任意 ,均有

所以

故 在 上严格单调下降。

也可以由拉格朗日中值定理理解这一结论:对每个 ,存在 ,使

因为 ,所以 严格下降;随着区间右端点右移,割线斜率也随之下降。


  1. 设 在 连续且为负值, 在 连续,在 满足

且 ,求证: 在 单调增加。

查看答案与解析

答案: 在 上严格单调增加。

解析: 取积分因子

则在 内

因此 严格单调增加。对任意 ,有

由于 ,故

又因为 ,所以

由已知不等式

因而 在 上严格单调增加。再结合 在 上连续,且任意 时 ,可知 在 上严格单调增加。


  1. 设 在 连续, 在 二阶可导,,且对 满足

求证:。

查看答案与解析
答案:

解析: 采用反证法。假设 不恒为零。由于 在闭区间 上连续,所以它能取得最大值和最小值;又因为

若 不恒为零,则以下两种情形至少有一种发生。

第一种情形: 在某点取正值。此时最大值

因端点函数值均为零,最大值必在某个内点 取得。由极值的必要条件和二阶导数判别的必要性质,

但由微分方程

得

与 矛盾。

第二种情形: 在某点取负值。此时最小值

必在某个内点 取得,于是

由微分方程得

这又与 矛盾。

两种可能均导致矛盾,因此假设不成立,只能有


  1. 设 在 连续,在 可导,,且 不恒为常数。求证:在 内存在一点 ,使得 。
查看答案与解析

答案: 存在 ,使得

解析: 因为 不恒为常数,所以存在 ,使得

分两种情形讨论。

若

则在区间 上应用拉格朗日中值定理,存在 ,使得

若

则在区间 上应用拉格朗日中值定理,存在 ,使得

两种情形下都能找到 ,满足


  1. 证明方程

至少有一个正根不超过 。

查看答案与解析

答案: 方程在区间 内至少有一个实根。

解析: 令

函数 在闭区间 上连续,并且

另一方面,

因为

因此,由零点定理,至少存在一点

使得

又由于 ,故 ,从而

因此原方程至少有一个正根,且该正根不超过 。


  1. 求证:

恰有两个根。

查看答案与解析

答案: 该方程恰有两个实根,且这两个根互为相反数。

解析: 令

显然 是偶函数,因此若 是根,则 也是根。

先考察正半轴。由于

且

所以由零点定理,方程在 内至少有一个根。

再证明正根至多一个。对 ,有

因为当 时

故

从而

因此 在 上严格单调增加,所以正根恰有一个。

由 的偶性,负半轴上也恰有一个根,并且它与正根互为相反数。又因 ,故原方程恰有两个实根。


  1. 设当 时,方程

有且仅有一个解,求 的取值范围。

查看答案与解析
答案:

解析: 由原方程得

令

则问题转化为直线 与曲线 在 内恰有一个交点。

求导得

因此, 在 上严格增加,在 上严格减少,并且

根据函数图像及单调性:

  1. 当 时,方程在 内恰有一个解;
  2. 当 时,唯一解为 ;
  3. 当

时,方程有两个正解; 4. 当

时,唯一解为 ; 5. 当

时,方程无解。

综上,使原方程有且仅有一个正解的参数范围为


  1. 讨论曲线

与

在 内的交点个数(其中 为常数)。

查看答案与解析
答案:

解析: 两曲线交点满足

即

令

则 ,原方程化为

求导得

令

则

因而

所以

即 在 上严格增加,在 上严格减少,并在 处取得唯一最大值

此外,

因此水平直线 与曲线 的交点个数为:

当 时,唯一交点对应


  1. 证明:
查看答案与解析

答案: 对任意 ,恒有

解析: 分别证明两侧不等式。

先证明右侧不等式。令

则

且

因此 在 上严格增加,从而

即

再证明左侧不等式。令

则

且

因此 在 上严格增加,所以

即

两式合并即得


  1. 已知不等式:当 时

证明: 时

查看答案与解析

答案: 当 时,恒有

解析: 令

求导得

由已知不等式

可得

因而

所以 在 上严格单调下降。

再计算区间两端的极限。由洛必达法则,

同时,

因为 严格下降,所以当 时,

即


  1. 设 在 可导,

在 的 子区间上不恒等,又 ,其中 为常数,求证:

查看答案与解析

答案: 对任意 ,均有

解析: 展开已知不等式,得

即

构造辅助函数

由于 ,有

因此 在 上单调不增加。

题设还说明原不等式在 的任意子区间上都不恒为等式。因此 不可能在任何子区间上恒成立,从而 实际上严格单调下降。故对任意 ,

即

因为 ,两边同除以 ,得到


  1. 设 ,,求证:
查看答案与解析

答案: 当 , 时,恒有

解析: 对函数 在区间 上应用拉格朗日中值定理,存在 ,使得

由于 且 ,故

从而

再对函数 在 上应用拉格朗日中值定理,存在 ,使得

因为

所以

因而

又因 ,由式 得

再结合式 ,即有


  1. 设 , 在 可导,证明:在 内至少存在一个 ,使得
查看答案与解析

答案: 存在 ,使得

解析: 令

两函数在 上连续,在 内可导,并且

由柯西中值定理,存在 ,使得

右端为

左端经过整理,得到

因此


  1. 设 在 可导且

求证:存在 ,使得

查看答案与解析

答案: 按当前题干,命题不成立。反例可取

若原题积分上限应为 ,则命题成立。

解析: 先检验当前题干。取

则

同时

因此该函数满足题设积分条件。然而

从而

所以在 内不存在 使

这说明按当前录入的积分上限 ,原命题不成立。

与结论相匹配的常见题型是把积分上限改为 ,即

此时令

由积分中值定理,存在 ,使得

题设条件于是化为

由罗尔定理,存在 ,使得

而

且指数因子恒正,故

即


  1. 已知以 为周期的周期函数 在 上有二阶导数,且 。设

证明:存在 ,使得

查看答案与解析

答案: 存在 ,使得

解析: 由于 以 为周期,且 ,所以

因而

又因为

所以

函数 在闭区间

上连续,在开区间内可导。由罗尔定理,存在

使得

另一方面,

当 时,,故

于是函数 在闭区间

上连续,在其内部可导,且两端函数值相等。再次应用罗尔定理,存在

使得


  1. 设 , 在 上连续,在 内可导,,求证:存在 ,使得
查看答案与解析

答案: 存在 ,使得

解析: 先对函数 在区间 上应用拉格朗日中值定理。存在

使得

再对函数 与 在 上应用柯西中值定理。由于

且 ,故对任意 均有 。因此存在

使得

即

由式 得

再结合式 ,可得


  1. 设 在 的某邻域内有连续的一阶导数,且 , 存在。求证:
查看答案与解析
答案:

解析: 当 时,。由拉格朗日中值定理,在 与 之间存在一点 ,使得

因此

因为 位于 与 之间,而

所以

又由 及 存在,得

因而

此外,

将以上三个极限代入式 ,得到


  1. 设有参数方程

(Ⅰ)求证该参数方程确定 ,并求定义域;

(Ⅱ)讨论 的可导性与单调性;

(Ⅲ)讨论 的凹凸性。

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)该参数方程确定单值函数

(Ⅱ)函数在

内可导,在 处不可导;在 上单调增加,在 上单调减少。

(Ⅲ)在区间

内均有 ,曲线均为开口向上的凹弧; 不是拐点。

解析: (Ⅰ)确定函数及定义域

在 上, 严格单调减少,因此

也严格单调减少,并将 一一映射到 。所以每个 对应唯一的参数 ,从而参数方程确定单值函数 。

由

以及在 上 ,有

因而

故定义域为

(Ⅱ)可导性与单调性

当 ,即

有

因此

所以函数在

内可导。

当 时,,于是

当 时,,于是

因而 处导数不存在,曲线在点 处有竖直尖点。

在 时,,且

故 在 上单调减少。

在 时,,且

故 在 上单调增加。

(Ⅲ)凹凸性

由

可得

因而

当

时,,所以

因此曲线在 与 上均为开口向上的凹弧。由于 两侧凹凸性没有改变,所以 不是拐点。


  1. 设

(Ⅰ)求 ;

(Ⅱ)求证:

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)

在

处取得。

(Ⅱ)

解析: (Ⅰ)求最大值

对

求导,得

在 内,因 ,故 的符号由

决定。因此

所以 在 处取得最大值。又

且

因而

(Ⅱ)证明最大值小于

对任意 ,有基本不等式

令

则

两边乘以 ,得

指数化后有

取倒数,得到

因此


  1. (Ⅰ)设 在 (或 )连续,在 (或 )可导,又

求证:

(Ⅱ)设 在 连续,在 可导,又

求证:。

(Ⅲ)设 在 可导, 是 的间断点,求证: 是 的第二类间断点。

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ) 必为导函数 的第二类间断点。

解析: (Ⅰ)证明单侧导数存在并等于导函数的单侧极限

以右侧情形为例。任取 ,由 在 上连续、在 内可导,根据拉格朗日中值定理,存在

使得

当 时,由

可知 。于是

因此

左侧情形同理:对 在区间 上应用拉格朗日中值定理,即得

(Ⅱ)证明

由

可知左右极限均存在且均等于 。由(Ⅰ)分别得到

因此左右导数存在且相等,从而 在 处可导,并且

(Ⅲ)证明导函数的间断点只能是第二类间断点

反设 是 的第一类间断点。则有限的单侧极限

均存在。

由于 在 可导,所以在 处连续。由(Ⅰ)可知

又因 存在,故

从而

即 在 处连续,与题设矛盾。

因而 不可能是第一类间断点,只能是第二类间断点。这也体现了导函数的达布性质:导函数即使不连续,也不会发生跳跃间断。


  1. 设 在 内可导,求证:

(Ⅰ)若 ,,则

(Ⅱ)若

则

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析: (Ⅰ)利用拉格朗日中值定理估计函数增长速度

任取 。由拉格朗日中值定理,存在

使得

因 ,由题设

所以

当 时,右端趋于 ,故由比较可得

(Ⅱ)将导数极限转化为一致的正下界

由于

取

则存在 ,使得当 时,

因而

由(Ⅰ),令 ,立即得到


  1. 证明奇次方程

一定有实根,其中常数 。

查看答案与解析

答案: 该奇次方程至少有一个实根。

解析: 设

多项式 在 上连续。

当 时,最高次项起决定作用,即

因为 是奇数,所以 在正负无穷处异号。

若 ,则

因而存在充分大的 ,使得

若 ,则相反有

对充分大的 成立。

无论哪种情况, 与 均异号。由零点定理,存在

使得

因此任意实系数奇次方程至少有一个实根。


  1. 设 在 可导,且

求证:存在 ,使得 。

查看答案与解析

答案: 存在

使得

解析: 若 ,则对任意 ,均有

以下设 不恒等于 。则存在某点 ,使得

情形一:

令

由

可取 ,使得

因而

同理

由于 在闭区间 上连续,故必取得最大值;又端点函数值均小于内部点 的函数值,所以最大值必在某个内点 处取得。由费马定理,

情形二:

同理,可取 ,使得

因此 在 上的最小值在某个内点 处取得,由费马定理仍有

综上,必存在 ,使得 。


  1. 设

(Ⅰ)求 ;

(Ⅱ)证明: 是 的极大值点;

(Ⅲ)令 ,考察 是正的还是负的, 为非零整数;

(Ⅳ)证明:对 , 在 上不单调上升,在 上不单调下降。

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)

(Ⅱ) 是 的严格极大值点,且极大值为

(Ⅲ)

具体地:

  • 为非零偶数时,;
  • 为正奇数时,;
  • 时,;
  • 为负奇数时,。

(Ⅳ)任意 , 在 上不单调上升,在 上不单调下降。

解析: (Ⅰ)求导数

当 时,

因而

在 处,按定义

因为

所以

(Ⅱ)证明 为严格极大值点

对任意 ,有

因此

从而

故 是 的严格极大值点,极大值为 。

(Ⅲ)判断 的符号

由

得

因而

当 为非零偶数时,。若 ,则 ,故

若 ,则

所以偶数情形均有 。

当 为奇数时,

当 为奇数时,令 ,则

当 ,即 时,

当 时,

(Ⅳ)证明任意单侧邻域内均不具有所述单调性

任取 。

先证 在 上不可能单调上升。取充分大的正奇数 ,令

则

且由(Ⅲ)知

若 在 上单调上升,则在每个可导内点均应有 ,与上式矛盾。因此 在 上不单调上升。

再证 在 上不可能单调下降。取充分大的正偶数 ,使得

由(Ⅲ)知

若 在 上单调下降,则在每个可导内点均应有 ,矛盾。因此 在 上不单调下降。

这说明:虽然 是严格极大值点,但函数在其任意左、右邻域内均不断振荡,不能据此断言函数在左侧单调增加、右侧单调减少。


  1. 设 在 内可导,且

求证:存在 ,使得

查看答案与解析

答案: 必存在 ,使得

解析: 在闭区间 上定义辅助函数

由题设

可知 在 上连续,并且在 内可导,且

因此,函数 满足罗尔定理的全部条件。故至少存在一点

使得

又因为 在 内成立,所以

最值问题​

  1. 求函数

的最小值。

查看答案与解析

答案: 当

时,函数取得最小值

解析: 函数在 上可导,且

令 ,得

右端为正,因此 。两边平方,得

从而

又

所以 在整个实数域上为严格凸函数,上述驻点是唯一的全局最小值点。

代入可得


  1. 将长为 的一段铁丝截成两段,用一段围成正方形,另一段围成圆,为使两段面积之和最小,问两段铁丝各长多少?
查看答案与解析

答案: 围成正方形的铁丝长度为

围成圆的铁丝长度为

解析: 设用于围正方形的铁丝长度为 ,则用于围圆的长度为 ,其中

正方形边长为 ,面积为

圆的半径为

面积为

因此总面积为

求导得

令 ,则

从而

此时

又

故上述分法使总面积取得唯一最小值。


  1. 求从点 到抛物线 的最短距离。
查看答案与解析

答案: 最短距离为

最近点为

解析: 设抛物线上任一点为

则点 到 的距离平方为

令

则

配方得

因而当

时, 取得最小值 。于是

由 ,得

且

所以最近点为


  1. 求圆 的一条切线,使此切线与抛物线 所围面积最小,并求此最小值。
查看答案与解析

答案: 满足条件的切线有两条:

所围面积的最小值为

解析: 设圆的一条非竖直切线为

直线到原点的距离等于圆半径 ,所以

即

直线与抛物线的交点横坐标满足

即

设两交点横坐标为 。在两交点之间,直线位于抛物线上方,所围面积为

由于

故

而二次方程两根之差为

因此

情形一:

此时

情形二:

令

则

等号成立当且仅当

即

因此所求切线为

或

此时


  1. 要建一个圆柱形无盖水池,使其容积为 ,底的单位面积造价是周围的两倍,问底半径 与高 各是多少,才能使水池造价最低?
查看答案与解析
答案:

解析: 设水池侧面的单位面积造价为 ,则底面的单位面积造价为 。

圆柱形无盖水池的侧面积为

底面积为

因而总造价为

由容积条件

得

代入总造价函数:

求导得

令 ,则

从而

又

所以上述驻点为严格极小值点。并且当 或 时,,故它也是唯一的全局最小值点。

最后


  1. 设 在 可导,,,问 取何值时,图中阴影部分的面积最大?最小?
查看答案与解析

答案: 阴影面积在

时取得唯一最小值。

最大值必在端点 或 处取得。具体地,令

则:

  • 当 时, 处面积最大;
  • 当 时, 处面积最大;
  • 当 时, 与 处同时取得最大值。

解析: 由图 4.3,阴影部分由两块组成:在 上为直线 与曲线 之间的面积;在 上为曲线 与直线 之间的面积。因此

对 求导。第一项满足

第二项满足

故

由于

所以

而

因而 在 上严格减少,在 上严格增加,所以

是唯一的最小值点。

最大值只能在两个端点中取得。计算得

两者之差为

因此根据 的正负即可确定最大值所在端点。仅由 不能进一步断定 与 谁更大。