MA.3.5 函数单调性和凸性

函数单调性与极值

单调性

f 在区间 I 可导,则:

  1. 如果 f(x)>0,则 f(x)I 严格单调增加。
  2. 如果 f(x)<0,则 f(x)I 严格单调减少。

Proof
#Lagrange中值定理
f(x1)f(x2)=f(ξ)(x1x2)

π2<sinxx<1x(0,2π)

Analysis
π2:
1:lim

Proof
f={sinxx,0<xπ21,x=0
fC[0,π2]
f(x)=(sinxx)=xcosxsinxx2=cosx(xtanx)x2<0 (x(0,π2))
f(x)(0,π2)

Proposition

ln(1+x)<x1+x

left=-1
right=4
top=3
bottom=-3
---
\ln(1+x)
\frac x{\sqrt{1+x}}

Proof
F(x):=ln(1+x)x1+x, F(0)=00=0
F(x)=11+x1+xx1+x1+x=11+x2+x21+x(1+x)=21+x(2+x)21+x(1+x)=[(1+x)21+x+1]221+x(1+x)=(1+x+1)221+x(1+x)<0

函数极值判别法

#Fermat引理

可导的极值点必为驻点
极值也可在不可导点取得,故
极值点必包含于驻点和不可导点中.

fCU(x0),且fDU˚(x0)对于 x(a,b) 有:

  1. 若在 x0 的左侧,f(x)<0;在 x0 的右侧,f(x)>0,则 f(x0) 为极小值;

  2. 若在 x0 的左侧,f(x)>0;在 x0 的右侧,f(x)<0,则 f(x0) 为极大值;

  3. 若在 x0 的两侧 f(x) 不变号,则 f(x0) 不是极值。

Example

f(x)=ex2的单调区间和极值.

f(x)=2xex2=0x=0
列表略

fx0 处二阶可导,且 f(x0)=0,则:

  1. f(x0)<0 时,f(x0) 为极大值;

  2. f(x0)>0 时,f(x0) 为极小值。

Proof

  1. 先证明极大值的情况
    由于 f(x)=limxx0f(x)f(x0)xx0f(x0)=0
    =limxx0f(x)xx0<0
    根据保号性,存在 δ>0,对于所有 xU˚(x,δ),有 f(x)xx0<0
    因此,对于 x<x0,有 f(x)>0,对于 x>x0,有 f(x)<0
  2. 同理可得极小值的情况
Example

y=y(x) 由方程 2y32y2+2y2+2y=1 确定,求其极值。

Proof

x 求导:$$6y^2 y' - 4yy' + 2y + 2xy' - 2x = 0 \dots (1)$$

y=0,得 y=x。因此,驻点处函数值等于自变量。

y=x 带入原方程:$$2x^3 - x^2 - 1 = 0$$

解得 (x1)(2x2+x+1)=0,驻点为 x=1,此时 y(1)=x=1

(1) 式继续求导:$$6y(y')^2 + 3y^2 y'' - 2(y')^2 - 2yy'' + y' + y' + xy'' - 1 = 0$$

x=1 得此时 y(1)=0y(1)=1

因此,y(1)=12>0,因此 y(1)=1 为极小值。

函数最值求法:

已知:

原则: 如果 fC[a,b],则只需求出 f 在上述三类点处的函数值,再比较其大小,就可得 f 的最大值和最小值。

Example

f(x)=x2ex[1,3]

Solution

f(x)=0

(2x)ex=0

解得驻点为 x=2(注意:x=0 不在定义域内)。

f(1)=1ef(3)=9e3f(2)=4e2

因此,fmax=4e2fmin=1e

Warning

闭区间上的连续函数无不可导点
单纯连续函数可能有不可导点
(开区间可能无穷)

Example

作一个有盖的圆柱形容器, 若体积V为定值, 问:
底圆半径R与高H成何比例时, 容器的表面积最小

Solution

S=2πr2+2πrhV=πr2h

因此,

S=2πr2+2Vr(r>0)

S=4πr2Vr2=0,解得 r=V2π3

由生活经验,只有这个点为最小值点。

下面给出证明:

S=r(4π2Vr3)

因此,r/h=12π3S 的极小值点。

函数的凸性和拐点

凸性

设函数 f 在区间 I 上定义,如果对于任意 x1,x2I 和任意 α(0,1) 都有:

f(αx1+(1α)x2)αf(x1)+(1α)f(x2)

则称 f(x)I 上的(下)凸函数。如果不等式方向反向( 替换为 ),则称 f(x)I 上的上凸函数。

函数 fI 上的凸函数,当且仅当对于任意 x1<x2<x3I 有:

f(x2)f(x1)x2x1f(x3)f(x2)x3x2

Proof

=>:
对于任意 x1,x2I,令 α=x3x2x3x1,则 x2=αx1+(1α)x3
由于 f 为凸函数,有:

f(x2)=f(αx1+(1α)x3)αf(x1)+(1α)f(x3)
=x3x2x3x1f(x1)+x2x1x3x1f(x3)

#添项
(x3x2+x2x1)f(x2)(x3x2)f(x1)+(x2x1)f(x3)

(x3x1)f(x2)(x3x2)f(x1)+(x2x1)f(x3)

得证。

<=:
对于任意 x1<x3I 和任意 α(0,1),令 x2=αx1+(1α)x3,则 x1<x2<x3
由必要性的证明易得:

f(αx1+(1α)x3)αf(x1)+(1α)f(x3)

等价于 k1<k2 成立。证毕。

f(x) 是区间 I 上的凸函数,则对于任意 x0I,斜率函数

k(x)=f(x)f(x0)xx0

I{x0} 上递增。

Proof

1. 若x1<x0<x2
由等价定义,显然成立。

2. 若x0<x1<x2
由凸性定义和导数定义:

f(x1)f(x0)+k(x2)(x1x0)

因此,k(x1)<k(x2)

3. 若x1<x2<x0
类似可得。

fC[a,b]D(a,b),则f(x)[a,b]上的凸函数当且仅当f(x)(a,b)内递增。

Proof
=>:
x1,x2(a,b),以及x(x1,x2),由等价定义:

f(x)f(x1)xx1f(x2)f(x1)x2x1

xx1+,由保序性知:

limxx1+f(x1+)f(x2)f(x1)x2x1

类似的,f(x2)f(x1)x2x1f(x2)

因此,f(x)递增。

<=:
对于任意x1<x2<x3[a,b],由 #Lagrange中值定理

存在ξ1(x1,x2)ξ2(x2,x3)使得

f(x2)f(x1)x2x1=f(ξ1),f(x3)f(x2)x3x2=f(ξ2)

ξ1<ξ2,且f(x)单调递增:

f(ξ1)<f(ξ2)

f(x2)f(x1)x2x1f(x3)f(x2)x3x2

fC[a,b],且在(a,b)内二阶可导,则f(x)[a,b]上的凸函数当且仅当f(x)0

拐点

fCU(x0),且在x0两侧有不同的严格凸性,则称x0f的拐点,点(x0,f(x0))称为曲线f(x)的拐点。

Proposition

函数的拐点在二阶导数为0二阶不可导的点中。

NOTE THAT: 有二阶导即邻域内有一阶导

Proof
f(x)存在,又x0为拐点
x0两侧,f有不同单调性

x0f的极值点。注意到:fx0可导。

#Fermat引理

可导的极值点必为驻点
极值也可在不可导点取得,故
极值点必包含于驻点和不可导点中.

f(x0)=0

Example

讨论函数f(x)=|x|ex的凸性和拐点。

Proof

f(x)={xex,if x0xex,if x<0f(x)={ex(1x),if x>0ex(x1),if x<0

limx0+f(x)=1

f0处连续,f+(0)=1。类似地,f(0)=1。故f0处不可导,故x=0二阶不可导,可能为拐点。

计算f(x)得:

f(x)={(x2)ex,if x>0(2x)ex,if x<0

f(x)=0x=2,故x=2可能为拐点。

列表如下:

x(,0)0(0,2)2(2,+)f(x)+0+f(x)f(2)f(x)

a,b,p,q>0, 1p+1q=1,证明

abapp+bqq

Proof

两边取对数: lna+lnbln(1pap+1qbq)
即证: 1plnap+1qlnbq=lna+lnbln(1pap+1qbq)

f(x)=lnx
f(x)=1x, f(x)=1x<0
f 严格上凸
x1:=ap, x2:=bp

由凸函数定义:

设函数 f 在区间 I 上定义,如果对于任意 x1,x2I 和任意 α(0,1) 都有:

$ f(\alpha x_1 + (1 - \alpha) x_2) \leq \alpha f(x_1) + (1 - \alpha) f(x_2) $

则称 f(x)I 上的(下)凸函数。如果不等式方向反向( 替换为 ),则称 f(x)I 上的上凸函数。

1pf(ap)+1qf(bq)f(1pap+1qbq)

函数作图步骤

  1. 求定义域Df,考察函数的特性(奇偶性、周期性);

  2. f(x)f(x)

  3. f(x)=0f(x)=0的根,以及一阶、二阶不可导点;

  4. 列表(上述点分割Df,考察f(x)f(x)在子区间上的符号,确定函数的单调性、极值点、极值和凸性、拐点);

  5. 求曲线的渐近线(水平、垂直和斜的,参考习题1.3/14);

  6. 作图(取合适的坐标长度,建立坐标系,先画渐近线)

Example

f(x)=ex2