若汽車的速度表在整段行程中始終為正,則汽車向前行駛;若始終為負,則倒退。單調性判別法就是將這一觀察套用於任意可微函式:f′ 的符號告訴你 f 在某區間上是遞增、遞減還是保持不變。
定理
定理(單調性判別法)。 設 f 在 [a,b] 上連續,在 (a,b) 上可微。
- 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)>0,則 f 在 [a,b] 上嚴格遞增。
- 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)<0,則 f 在 [a,b] 上嚴格遞減。
- 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)=0,則 f 在 [a,b] 上為常數。
- 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)≥0,則 f 在 [a,b] 上非遞減。
- 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)≤0,則 f 在 [a,b] 上非遞增。
證明
五種情形均由同一論證得出。取 a≤x1<x2≤b。由均值定理,存在 c∈(x1,x2) 使得
f(x2)−f(x1)=f′(c)(x2−x1).
因 x2−x1>0,f(x2)−f(x1) 的符號與 f′(c) 的符號相同:
- f′(c)>0⇒f(x2)>f(x1)(情形 1)。
- f′(c)<0⇒f(x2)<f(x1)(情形 2)。
- f′(c)=0⇒f(x2)=f(x1)(情形 3)。
情形 4 和 5 以非嚴格不等式同理可得。□
逆命題方向
定理的逆不是乾淨的。f 可以嚴格遞增,而 f′ 在孤立點消失。
例。 f(x)=x3 在 R 上:f′(0)=0,但 f 在各處嚴格遞增。任意 x1<x2 直接給出 x13<x23。
正確的逆命題是:若 f 在 (a,b) 上非遞減且可微,則 f′(x)≥0——在某些點允許等號成立。
求單調區間
在實際應用中,判別法的使用步驟如下。給定在開區間上可微的 f:
- 解 f′(x)=0,並找出 f′ 無定義的點。
- 這些點將定義域分割成若干開區間。
- 在每個區間上,取一個樣本點,檢查 f′ 的符號。
- 套用定理,得出遞增或遞減的結論。
例。 f(x)=x3−3x。
f′(x)=3x2−3=3(x−1)(x+1).
f′ 在 x=±1 消失,分出三個區間:
| 區間 | f′ 的符號 | f 的行為 |
|---|
| (−∞,−1) | + | 嚴格遞增 |
| (−1,1) | − | 嚴格遞減 |
| (1,∞) | + | 嚴格遞增 |
嚴格單調性與可逆性
在 [a,b] 上嚴格單調的函式是單射:x1=x2 蘊含 f(x1)=f(x2)。結合連續性,它將 [a,b] 雙射地映到區間 [f(a),f(b)](或遞減時為 [f(b),f(a)]),且其反函式同樣連續且嚴格單調。
這是「嚴格遞增函式有反函式」這一論斷的嚴格內容。當你在分析學中遇到反函式時,幾乎都是因為原函式在相關定義域上滿足了單調性判別法的條件。
摘要
- 在 (a,b) 上正導數蘊含 f 在 [a,b] 上嚴格遞增;負導數蘊含嚴格遞減;零導數蘊含常數。
- 證明:對任意一對 x1<x2 套用均值定理;f(x2)−f(x1) 的符號與 f′(c) 的符號相同。
- 逆命題較弱:嚴格單調性允許 f′ 在孤立點消失。
- 求單調區間:解 f′=0,分割定義域,在每段上檢查 f′ 的符號。
- 嚴格單調的連續函式是到值域的雙射,且有連續的單調反函式。