單調性判別法

Basis
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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:ff' 的符號告訴你 ff 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)。ff[a,b][a, b] 上連續,在 (a,b)(a, b) 上可微。

  1. 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)>0f'(x) > 0,則 ff[a,b][a, b]嚴格遞增
  2. 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)<0f'(x) < 0,則 ff[a,b][a, b]嚴格遞減
  3. 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)=0f'(x) = 0,則 ff[a,b][a, b] 上為常數
  4. 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)0f'(x) \geq 0,則 ff[a,b][a, b]非遞減
  5. 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)0f'(x) \leq 0,則 ff[a,b][a, b]非遞增

證明

五種情形均由同一論證得出。取 ax1<x2ba \leq x_1 < x_2 \leq b。由均值定理,存在 c(x1,x2)c \in (x_1, x_2) 使得

f(x2)f(x1)  =  f(c)(x2x1).f(x_2) - f(x_1) \;=\; f'(c)\,(x_2 - x_1).

x2x1>0x_2 - x_1 > 0f(x2)f(x1)f(x_2) - f(x_1) 的符號與 f(c)f'(c) 的符號相同:

  • f(c)>0    f(x2)>f(x1)f'(c) > 0 \;\Rightarrow\; f(x_2) > f(x_1)(情形 1)。
  • f(c)<0    f(x2)<f(x1)f'(c) < 0 \;\Rightarrow\; f(x_2) < f(x_1)(情形 2)。
  • f(c)=0    f(x2)=f(x1)f'(c) = 0 \;\Rightarrow\; f(x_2) = f(x_1)(情形 3)。

情形 4 和 5 以非嚴格不等式同理可得。\square

逆命題方向

定理的逆不是乾淨的。ff 可以嚴格遞增,而 ff' 在孤立點消失。

例。 f(x)=x3f(x) = x^3R\mathbb{R} 上:f(0)=0f'(0) = 0,但 ff 在各處嚴格遞增。任意 x1<x2x_1 < x_2 直接給出 x13<x23x_1^3 < x_2^3

正確的逆命題是:若 ff(a,b)(a, b) 上非遞減且可微,則 f(x)0f'(x) \geq 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 ff

  1. f(x)=0f'(x) = 0,並找出 ff' 無定義的點。
  2. 這些點將定義域分割成若干開區間。
  3. 在每個區間上,取一個樣本點,檢查 ff' 的符號。
  4. 套用定理,得出遞增或遞減的結論。

例。 f(x)=x33xf(x) = x^3 - 3x

f(x)=3x23=3(x1)(x+1).f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x-1)(x+1).

ff'x=±1x = \pm 1 消失,分出三個區間:

區間ff' 的符號ff 的行為
(,1)(-\infty, -1)++嚴格遞增
(1,1)(-1, 1)-嚴格遞減
(1,)(1, \infty)++嚴格遞增

嚴格單調性與可逆性

[a,b][a, b] 上嚴格單調的函式是單射:x1x2x_1 \neq x_2 蘊含 f(x1)f(x2)f(x_1) \neq f(x_2)。結合連續性,它將 [a,b][a, b] 雙射地映到區間 [f(a),f(b)][f(a), f(b)](或遞減時為 [f(b),f(a)][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

  • (a,b)(a, b)正導數蘊含 ff[a,b][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<x2x_1 < x_2 套用均值定理;f(x2)f(x1)f(x_2) - f(x_1) 的符號與 f(c)f'(c) 的符號相同。
  • 逆命題較弱:嚴格單調性允許 ff' 在孤立點消失。
  • 求單調區間:解 f=0f' = 0,分割定義域,在每段上檢查 ff' 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。