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高数笔记

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14 分钟
高数笔记

高数#

求导法则#

求导是研究函数性态的基础工具。四则运算法则是复合函数、隐函数求导的起点,商的求导法则在分式函数中使用频率最高,且有常用的逆用形式。

四则运算法则#

设 u=u(x)u = u(x)、v=v(x)v = v(x) 均可导,则:

(u±v)′=u′±v′(u \pm v)' = u' \pm v'

(ku)′=ku′(k 为常数)(ku)' = ku' \quad (k \text{ 为常数})

(uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'

(uvw)′=u′vw+uv′w+uvw′(uvw)' = u'vw + uv'w + uvw'

(uv)′=u′v−uv′v2(v≠0)\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} \quad (v \neq 0)

Note

商的逆用:当分子为常数 11 时,(1v)′=−v′v2\left(\dfrac{1}{v}\right)' = -\dfrac{v'}{v^2}。这一形式在求 1x\dfrac{1}{x}、1sin⁡x\dfrac{1}{\sin x}、11+x2\dfrac{1}{1+x^2} 等函数的导数时极为常用,直接套用可省去写商法则的麻烦。

Tip

公式逆用:看到 f′(x)g(x)+f(x)g′(x)f'(x)g(x) + f(x)g'(x),应立刻意识到它是 [f(x)g(x)]′[f(x)g(x)]';看到 f′(x)g(x)−f(x)g′(x)f'(x)g(x) - f(x)g'(x),应意识到它是 [f(x)g(x)]′\left[\dfrac{f(x)}{g(x)}\right]' 的分子部分。这种”凑导数”的能力在求不定积分时同样关键。

基本导数公式#

以下公式需倒背如流,是所有求导运算的基础。

常数与幂函数

C′=0,x′=1,(xα)′=αxα−1C' = 0,\qquad x' = 1,\qquad (x^\alpha)' = \alpha x^{\alpha-1}

常用特例:

(x)′=12x,(1x)′=−1x2(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}},\qquad \left(\frac{1}{x}\right)' = -\frac{1}{x^2}

指数与对数函数

(ax)′=axln⁡a,(ex)′=ex(a^x)' = a^x \ln a,\qquad (e^x)' = e^x

(log⁡ax)′=1xln⁡a,(ln⁡x)′=1x(\log_a x)' = \frac{1}{x\ln a},\qquad (\ln x)' = \frac{1}{x}

三角函数

(sin⁡x)′=cos⁡x,(cos⁡x)′=−sin⁡x(\sin x)' = \cos x,\qquad (\cos x)' = -\sin x

(tan⁡x)′=sec⁡2x,(cot⁡x)′=−csc⁡2x(\tan x)' = \sec^2 x,\qquad (\cot x)' = -\csc^2 x

(sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x,(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\sec x)' = \sec x \tan x,\qquad (\csc x)' = -\csc x \cot x

反三角函数

(arcsin⁡x)′=11−x2,(arccos⁡x)′=−11−x2(\arcsin x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}},\qquad (\arccos x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

(arctan⁡x)′=11+x2,(arccot⁡x)′=−11+x2(\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2},\qquad (\operatorname{arccot} x)' = -\frac{1}{1+x^2}

函数的凹凸性#

凹凸性刻画曲线弯曲的方向。判定凹凸性只需考察二阶导数的符号,拐点则是凹凸性发生改变的分界点。

定义#

凹凸性有两种等价的刻画方式:弦法与切线法。

弦法定义 设 f(x)f(x) 在区间 II 上连续。对 II 上任意两点 x1<x2x_1 < x_2,若曲线弧 y=f(x)y = f(x) 位于连接 (x1,f(x1))(x_1, f(x_1)) 与 (x2,f(x2))(x_2, f(x_2)) 的弦的下方,则称曲线在 II 上是凹的;若位于弦的上方,则称曲线是凸的。

等价地,用弦中点处函数值的大小比较:

f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2  ⟺  凹,f(x1+x22)>f(x1)+f(x2)2  ⟺  凸f\left(\frac{x_1+x_2}{2}\right) < \frac{f(x_1)+f(x_2)}{2} \iff \text{凹},\qquad f\left(\frac{x_1+x_2}{2}\right) > \frac{f(x_1)+f(x_2)}{2} \iff \text{凸}

切线法定义 若曲线弧位于其上每一点处切线的上方,则称该段曲线是凹的(∪\cup 形);若曲线弧位于其上每一点处切线的下方,则称该段曲线是凸的(∩\cap 形)。

直观上,凹曲线开口向上、托住所有切线;凸曲线开口向下、压住所有切线。

Warning

术语约定:此处采用同济《高等数学》的命名,f′′(x)>0f''(x) > 0 的 ∪\cup 形曲线称为凹。数学分析教材与英文文献(convex / concave)的命名恰好相反,f′′(x)≥0f''(x) \ge 0 的函数称为凸函数。阅读其他教材时请先确认其约定。

二阶导符号同济《高等数学》数学分析 / 英文文献图形
f′′(x)>0f''(x) > 0凹凸(convex)∪\cup 开口向上
f′′(x)<0f''(x) < 0凸凹(concave)∩\cap 开口向下

判定定理#

定理 设 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内具有一阶和二阶导数:

  • 若在 (a,b)(a,b) 内 f′′(x)>0f''(x) > 0,则曲线 y=f(x)y = f(x) 在 [a,b][a,b] 上是凹的;
  • 若在 (a,b)(a,b) 内 f′′(x)<0f''(x) < 0,则曲线 y=f(x)y = f(x) 在 [a,b][a,b] 上是凸的。

证明思路 任取 x1<x2x_1 < x_2,记 x0=x1+x22x_0 = \dfrac{x_1+x_2}{2},h=x0−x1=x2−x0h = x_0 - x_1 = x_2 - x_0。分别在 [x1,x0][x_1, x_0] 与 [x0,x2][x_0, x_2] 上应用拉格朗日中值定理,存在 ξ1∈(x1,x0)\xi_1 \in (x_1, x_0)、ξ2∈(x0,x2)\xi_2 \in (x_0, x_2),使得

f(x0)−f(x1)=f′(ξ1) h,f(x2)−f(x0)=f′(ξ2) hf(x_0) - f(x_1) = f'(\xi_1)\, h,\qquad f(x_2) - f(x_0) = f'(\xi_2)\, h

当 f′′(x)>0f''(x) > 0 时 f′f' 单调递增,而 ξ1<ξ2\xi_1 < \xi_2,故 f′(ξ1)<f′(ξ2)f'(\xi_1) < f'(\xi_2),于是

f(x1)+f(x2)−2f(x0)=h[f′(ξ2)−f′(ξ1)]>0f(x_1) + f(x_2) - 2f(x_0) = h\big[ f'(\xi_2) - f'(\xi_1) \big] > 0

即 f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2f\left(\dfrac{x_1+x_2}{2}\right) < \dfrac{f(x_1)+f(x_2)}{2},曲线是凹的。f′′(x)<0f''(x) < 0 的情形同理。

形象记忆:f′′(x)>0  ⟹  +  ⟹  ∪  ⟹  f''(x) > 0 \implies + \implies \cup \implies 凹;f′′(x)<0  ⟹  −  ⟹  ∩  ⟹  f''(x) < 0 \implies - \implies \cap \implies 凸。深层理解:凹曲线上切线斜率随 xx 增大而递增(斜率 ↑\uparrow),即 (y′)′=y′′>0(y')' = y'' > 0;凸曲线上切线斜率递减,y′′<0y'' < 0。

拐点#

定义 连续曲线上凹凸性发生改变的分界点称为拐点,拐点处切线穿过曲线。

Note

拐点必须用坐标 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 表示,不能只写 x=x0x = x_0。

必要条件 若 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 是拐点且 f′′(x0)f''(x_0) 存在,则 f′′(x0)=0f''(x_0) = 0。

Warning

常考:拐点可能存在于二阶导为 00 的点,也可能存在于二阶导数不存在的点(只要函数在该点连续)。两类可疑点都必须逐一检验两侧 f′′f'' 是否变号。

f′′(x0)=0f''(x_0) = 0 只是必要条件而非充分条件:y=x4y = x^4 在 x=0x = 0 处有 y′′=0y'' = 0,但两侧 y′′>0y'' > 0,故 (0,0)(0,0) 不是拐点。

判别法

  1. 若 f′′(x)f''(x) 在 x0x_0 两侧异号,则 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 是拐点;
  2. 若 f′′(x0)=0f''(x_0) = 0 且 f′′′(x0)≠0f'''(x_0) \neq 0,则 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 是拐点。

例 1 讨论 y=x3y = x^3 的凹凸性。y′′=6xy'' = 6x:x<0x < 0 时 y′′<0y'' < 0,曲线凸;x>0x > 0 时 y′′>0y'' > 0,曲线凹。f′′(0)=0f''(0) = 0 且 f′′′(0)=6≠0f'''(0) = 6 \neq 0,故 (0,0)(0,0) 是拐点。

例 2 讨论 y=x4−6x2y = x^4 - 6x^2 的凹凸性与拐点。y′′=12x2−12=12(x2−1)y'' = 12x^2 - 12 = 12(x^2 - 1):∣x∣<1|x| < 1 时 y′′<0y'' < 0,曲线凸;∣x∣>1|x| > 1 时 y′′>0y'' > 0,曲线凹。故 (±1,−5)(\pm 1, -5) 为拐点。

例 3 讨论 y=x1/3(x+1)=x4/3+x1/3y = x^{1/3}(x+1) = x^{4/3} + x^{1/3} 的凹凸性与拐点(二阶导不存在处的拐点,常考题型)。

y′=43x1/3+13x−2/3,y′′=49x−2/3−29x−5/3=2(2x−1)9x5/3y' = \frac{4}{3}x^{1/3} + \frac{1}{3}x^{-2/3},\qquad y'' = \frac{4}{9}x^{-2/3} - \frac{2}{9}x^{-5/3} = \frac{2(2x-1)}{9x^{5/3}}

可疑点:y′′=0y'' = 0 得 x=12x = \dfrac{1}{2};y′′y'' 不存在的点为 x=0x = 0(函数在该点连续)。列表判别:

区间(−∞,0)(-\infty,0)00(0,12)\left(0,\dfrac{1}{2}\right)12\dfrac{1}{2}(12,+∞)\left(\dfrac{1}{2},+\infty\right)
f′′(x)f''(x) 符号++不存在−-00++
凹凸性凹拐点凸拐点凹

凹区间:(−∞,0]∪[12,+∞)(-\infty,0] \cup \left[\dfrac{1}{2},+\infty\right);凸区间:[0,12]\left[0,\dfrac{1}{2}\right]。拐点为 (0,0)(0,0) 与 (12,3434)\left(\dfrac{1}{2},\dfrac{3\sqrt[3]{4}}{4}\right)。注意 (0,0)(0,0) 处 f′′(0)f''(0) 不存在,但函数连续且两侧凹凸性改变,故仍为拐点。

渐近线#

当点沿曲线无限远离原点时,若曲线无限接近于某条定直线,该直线称为曲线的渐近线。渐近线分水平、垂直、斜三类,其存在性由相应的极限刻画。

以 y=1xy = \dfrac{1}{x} 为例最直观:x→∞x \to \infty 时曲线贴近平直直线 y=0y = 0(水平渐近线),x→0x \to 0 时曲线贴近竖直直线 x=0x = 0(垂直渐近线),两条渐近线将第一象限的曲线弧”框”在直角内。

│ y=0 (水平渐近线)
─────┼─────→
│ ╲
│ ╲ y=1/x
│ ╲
x=0 │ ╲
(垂直) │

水平渐近线#

若 lim⁡x→+∞f(x)=A\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = A 或 lim⁡x→−∞f(x)=A\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) = A(AA 为有限常数),则直线 y=Ay = A 是曲线 y=f(x)y = f(x) 的水平渐近线。

例 4 y=2x2+1x2−1y = \dfrac{2x^2 + 1}{x^2 - 1}:lim⁡x→∞2x2+1x2−1=2\lim\limits_{x \to \infty} \dfrac{2x^2+1}{x^2-1} = 2,水平渐近线 y=2y = 2。

例 5 y=arctan⁡xy = \arctan x:lim⁡x→+∞=π2\lim\limits_{x \to +\infty} = \dfrac{\pi}{2},lim⁡x→−∞=−π2\lim\limits_{x \to -\infty} = -\dfrac{\pi}{2},有两条水平渐近线。

例 6 f(x)=x2+12xsin⁡1xf(x) = \dfrac{x^2+1}{2x}\sin\dfrac{1}{x},求水平渐近线。

令 t=1xt = \dfrac{1}{x},当 x→∞x \to \infty 时 t→0t \to 0:

lim⁡x→∞x2+12xsin⁡1x=lim⁡t→01+t22tsin⁡t=lim⁡t→01+t22⋅sin⁡tt=12⋅1=12\lim_{x \to \infty} \frac{x^2+1}{2x}\sin\frac{1}{x} = \lim_{t \to 0} \frac{1+t^2}{2t}\sin t = \lim_{t \to 0} \frac{1+t^2}{2} \cdot \frac{\sin t}{t} = \frac{1}{2} \cdot 1 = \frac{1}{2}

故水平渐近线为 y=12y = \dfrac{1}{2}。

垂直渐近线#

若 lim⁡x→x0+f(x)=∞\lim\limits_{x \to x_0^+} f(x) = \infty 或 lim⁡x→x0−f(x)=∞\lim\limits_{x \to x_0^-} f(x) = \infty,则直线 x=x0x = x_0 是垂直渐近线。x0x_0 通常是函数的无定义点(无穷间断点)。

例 7 y=1x−1y = \dfrac{1}{x-1}:lim⁡x→1±=±∞\lim\limits_{x \to 1^\pm} = \pm\infty,垂直渐近线 x=1x = 1。y=tan⁡xy = \tan x 在 x=π2+kπx = \dfrac{\pi}{2} + k\pi(k∈Zk \in \mathbb{Z})处也有垂直渐近线。

无定义点未必给出垂直渐近线:y=sin⁡xxy = \dfrac{\sin x}{x} 在 x=0x = 0 处极限为 11(可去间断点),故 x=0x = 0 不是渐近线。

例 8 y=x2−3x+4x2−5x+6y = \dfrac{x^2-3x+4}{x^2-5x+6} 的渐近线有几条?

先因式分解:y=x2−3x+4(x−2)(x−3)y = \dfrac{x^2-3x+4}{(x-2)(x-3)}。

  • 垂直渐近线:x=2x=2 处分子 4−6+4=2≠04-6+4=2\neq 0,lim⁡x→2=∞\lim\limits_{x\to 2} = \infty;x=3x=3 处分子 9−9+4=4≠09-9+4=4\neq 0,lim⁡x→3=∞\lim\limits_{x\to 3} = \infty。故 x=2x=2、x=3x=3 为垂直渐近线。
  • 水平渐近线:lim⁡x→∞x2−3x+4x2−5x+6=1\lim\limits_{x\to\infty} \dfrac{x^2-3x+4}{x^2-5x+6} = 1,故 y=1y=1 为水平渐近线。
  • 水平渐近线已存在,同方向无斜渐近线。

共 33 条渐近线。

斜渐近线#

若 lim⁡x→+∞[f(x)−(kx+b)]=0\lim\limits_{x \to +\infty} \big[ f(x) - (kx + b) \big] = 0(或 x→−∞x \to -\infty),其中 k≠0k \neq 0,则 y=kx+by = kx + b 是斜渐近线。斜率与截距由极限确定:

k=lim⁡x→∞f(x)x,b=lim⁡x→∞[f(x)−kx]k = \lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{x},\qquad b = \lim_{x \to \infty} \big[ f(x) - kx \big]

例 9 y=x2+2x−1x−1=x+3+2x−1y = \dfrac{x^2 + 2x - 1}{x - 1} = x + 3 + \dfrac{2}{x - 1}:余项 2x−1→0\dfrac{2}{x-1} \to 0,故斜渐近线 y=x+3y = x + 3,同时有垂直渐近线 x=1x = 1。

例 10 y=x+1xy = x + \dfrac{1}{x}:斜渐近线 y=xy = x,垂直渐近线 x=0x = 0。

注 若 f(x)=kx+b+α(x)f(x) = kx + b + \alpha(x) 且 α(x)→0\alpha(x) \to 0,则 y=kx+by = kx + b 是斜渐近线;同一方向(同为 x→+∞x \to +\infty 或同为 x→−∞x \to -\infty)上水平渐近线与斜渐近线不能同时存在。渐近线与曲线可以相交。

求渐近线的一般步骤#

  1. 找出函数的无定义点,逐个检查两侧极限,极限为无穷大则得垂直渐近线;
  2. 分别考察 x→+∞x \to +\infty 与 x→−∞x \to -\infty:若 lim⁡f(x)\lim f(x) 为有限值,得水平渐近线;若极限不存在,再计算 kk、bb 尝试斜渐近线。

函数性态综合研究#

考试中的综合大题通常将”由渐近线确定参数”与”讨论凹凸性、拐点”结合考查。完整的函数性态研究步骤如下:

  1. 确定定义域、奇偶性、周期性,缩小研究范围;
  2. 求 f′(x)f'(x),确定单调区间与极值;
  3. 求 f′′(x)f''(x),确定凹凸区间与拐点(注意检查 f′′f'' 不存在的连续点);
  4. 求渐近线;
  5. 求出关键点(与坐标轴的交点等),结合以上信息描图。

例 11 已知 f(x)=ax2+2x−1x2+bx+1f(x) = \dfrac{ax^2+2x-1}{x^2+bx+1},且 x=1x = 1、y=0y = 0 为其渐近线。求:(1)aa,bb;(2)凹凸区间与拐点。

(1)确定参数:x=1x = 1 是垂直渐近线,说明分母在 x=1x = 1 处为 00(分子在该处不为 00):

12+b⋅1+1=0  ⟹  b=−21^2 + b \cdot 1 + 1 = 0 \implies b = -2

y=0y = 0 是水平渐近线,即 lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x\to\infty} f(x) = 0。分子分母同次时极限为最高次系数之比 aa,故 a=0a = 0(若 a≠0a \neq 0,水平渐近线应为 y=a≠0y = a \neq 0,矛盾)。

因此 a=0a = 0,b=−2b = -2,f(x)=2x−1(x−1)2f(x) = \dfrac{2x-1}{(x-1)^2}。

(2)凹凸性与拐点:定义域 x≠1x \neq 1。

f′(x)=−2x(x−1)3,f′′(x)=2(2x+1)(x−1)4f'(x) = \frac{-2x}{(x-1)^3},\qquad f''(x) = \frac{2(2x+1)}{(x-1)^4}

可疑点:f′′(x)=0f''(x) = 0 得 x=−12x = -\dfrac{1}{2};f′′(x)f''(x) 不存在的点 x=1x = 1 不在定义域内(为垂直渐近线),不参与拐点讨论。

区间(−∞,−12)\left(-\infty,-\dfrac{1}{2}\right)−12-\dfrac{1}{2}(−12,1)\left(-\dfrac{1}{2},1\right)11(1,+∞)(1,+\infty)
f′′(x)f''(x) 符号−-00++不存在++
凹凸性凸拐点凹渐近线凹

凹区间:[−12,1)∪(1,+∞)\left[-\dfrac{1}{2},1\right) \cup (1,+\infty);凸区间:(−∞,−12]\left(-\infty,-\dfrac{1}{2}\right]。拐点为 (−12,−89)\left(-\dfrac{1}{2}, -\dfrac{8}{9}\right)。

例 12 作 y=f(x)=x3x2−1y = f(x) = \dfrac{x^3}{x^2 - 1} 的图像。

定义域与对称性:x≠±1x \neq \pm 1;ff 为奇函数,只需考察 x≥0x \ge 0 再关于原点对称。

渐近线:x=±1x = \pm 1 为垂直渐近线(两侧极限均为无穷大)。将 ff 写成

f(x)=x+xx2−1f(x) = x + \frac{x}{x^2 - 1}

余项 xx2−1→0\dfrac{x}{x^2-1} \to 0,故斜渐近线为 y=xy = x。

单调性与极值:

f′(x)=x2(x2−3)(x2−1)2f'(x) = \frac{x^2 (x^2 - 3)}{(x^2 - 1)^2}

驻点 x=±3x = \pm \sqrt{3};x=0x = 0 处 f′(0)=0f'(0) = 0 但两侧不变号,不是极值点。在 x≥0x \ge 0 上,(0,1)(0,1) 与 (1,3)(1,\sqrt{3}) 内 f′<0f' < 0,递减;(3,+∞)(\sqrt{3}, +\infty) 内 f′>0f' > 0,递增。极小值 f(3)=332f(\sqrt{3}) = \dfrac{3\sqrt{3}}{2}。

凹凸性与拐点:

f′′(x)=2x(x2+3)(x2−1)3f''(x) = \frac{2x (x^2 + 3)}{(x^2 - 1)^3}

在 x>0x > 0 上,(0,1)(0,1) 内 f′′<0f'' < 0,曲线凸;(1,+∞)(1, +\infty) 内 f′′>0f'' > 0,曲线凹。f′′(0)=0f''(0) = 0 且两侧变号,(0,0)(0,0) 为拐点。由奇函数对称性,(−1,0)(-1,0) 内凹、(−∞,−1)(-\infty,-1) 内凸。

关键点与图像:曲线过原点 (0,0)(0,0),且 f(x)−x=xx2−1f(x) - x = \dfrac{x}{x^2-1} 在 x>1x > 1 时为正(曲线位于渐近线 y=xy = x 上方),在 0<x<10 < x < 1 时为负(曲线位于其下方)。综合:在 0<x<10 < x < 1 上,曲线凸且递减,自原点沿渐近线 y=xy = x 下方跌向 −∞-\infty(贴近 x=1x = 1);在 1<x<31 < x < \sqrt{3} 上,曲线自 +∞+\infty 凸递减至极小值 332\dfrac{3\sqrt{3}}{2},随后凹递增,沿 y=xy = x 上方趋于 +∞+\infty。左侧图形关于原点对称。

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高数笔记
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作者
AzKanna
发布于
2026-08-21
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
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