3.-4函数单调性与曲线的凹凸性
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§3 4 函数单调性与曲线的凹凸性
一．教学目的
（一）知识目的
（1）了解函数单调性与曲线的凹凸性的有关概念；
（2）会利用导数判断函数图形的凹凸性和拐点；
（二）能力目标
（1）培养学生将实际问题转化为数学问题的能力；
（2）培养学生观察、比较、抽象、概括的能力；
（3）训练学生思维的灵活性。
（三）德育目标
~
（1）激发学生的内在动机；
（2）养成良好的学习习惯。
二．教学的重、难点及教学设计
（一）教学重点：应用导数判断函数单调性与曲线的凹凸性
（二）教学难点：用导数判断函数单调性与曲线的凹凸性方法的推导
（三）教学设计要点：1．用导数判断函数的单调性；
2．用导数判断函数图形的凹凸性和拐点；
3．单调性及凹凸性的应用；
三．教学过程
1、函数单调性的判定法
—
如果函数y f(x)在[a b]上单调增加（单调减少）那么它的图形是一条沿x轴正向上升（下降）的曲线这时曲线的各点处的切线斜率是非负的（是非正的）即y f(x)0(y f(x)0)由此可见函数的单调性与导数的符号有着密切的关系
反过来能否用导数的符号来判定函数的单调性呢
定理1(函数单调性的判定法) 设函数y f(x)在[a b]上连续在(a b)内可导
(1)如果在(a b)内f(x)0那么函数y f(x)在[a b]上单调增加
(2)如果在(a b)内f(x)0那么函数y f(x)在[a b]上单调减少
证明只证(1)在[a b]上任取两点x1x2(x1x2)应用拉格朗日中值定理得到
f(x2)f(x1)f()(x2x1) (x1x2)
由于在上式中x2x10因此如果在(a b)内导数f(x)保持正号即f (x)0那么也有f()0于是f(x2)f(x1)f()(x2x1)0即f(x1)f(x2)
这函数y f(x) 在[a b]上单调增加
注判定法中的闭区间可换成其他各种区间
】
例1 判定函数y x sin x在[0 2]上的单调性
解因为在(0 2)内，,y1cos x0
所以由判定法可知函数y x cos x在[0 2]上的单调增加
例2 讨论函数y e x x1的单调性（没指明在什么区间怎么办)
解 y e x 1
函数y e x x 1的定义域为( ) 因为在( 0)内y 0 所以函数
y e x x 1在( 0] 上单调减少 因为在(0 )内y 0 所以函数y e
x
x 1在[0 )上单调增加
例3 讨论函数32x y =的单调性
解 函数的定义域为(
) 函数的导数为 332x
y ='(x 0) 函数在
x 0处不可导 当x 0时 函数的导数不存在 因为x 0时 y 0 所以函数在(, 0] 上单调减少 因为x 0时 y 0 所以函数在[0, )上单调增加 &
如果函数在定义区间上连续 除去有限个导数不存在的点外导数存在且连续 那么只要用方程f (x )0的根及导数不存在的点来划分函数f (x )的定义区间 就能保证f (x )在各个部分区间内保持固定的符号 因而函数f (x )在每个部分区间上单调 例4 确定函数f (x )2x 39x 212x 3的单调区间 解 这个函数的定义域为:( )
函数的导数为:f (x )6x 2 18x 12 6(x 1)(x 2) 导数为零的点有两个 x 1 1、x 2 2
列表分析
(
1] [1 2]
[2
)
f
(x ) )
f (x )
↗
↘
↗
函数f (x )在区间( 1]和[2 )内单调增加 在区间[1 2]上单调减少
例5 讨论函数y x 3的单调性 解 函数的定义域为 ( ) ?
函数的导数为 y 3x 2 除当x 0时 y 0外 在其余各点处均有y 0 因此函数
y x 3在区间( 0]及[0 )内都是单调增加的 从而在整个定义域 ( )内是单调增加的 在x 0处曲线有一水平切线
一般地 如果f (x )在某区间内的有限个点处为零 在其余各点处均为正（或负）时 那么f (x )在该区间上仍旧是单调增加（或单调减少）的 例6 证明 当x 1时 x
x 1
32-
>
证明
令)
1
3(2)(x x x f --= 则 )
1(111)(22-=-='x x x x
x x f
因为当x 1时 f
(x )0 因此f (x )在[1, )上f (x )单调增加 从而当x 1时
f (x )f (1)
由于f (1)0 故f (x )f (1)0 即 0
)1
3(2>--x
x 也就是x
x 1
32->(x 1)
二、曲线的凹凸与拐点
定义 （凹凸性）设f (x )在区间I 上连续 如果对I 上任意两点x 1 x 2 恒有
;
2)
()()2(
2121x f x f x x f +<+
那么称f (x )在I 上的图形是(向上)凹的(或凹弧) 如果恒有
2
)
()()2(
2121x f x f x x f +>+
那么称f (x )在I 上的图形是(向上)凸的(或凸弧)
定义 设函数y f (x )在区间I 上连续 如果函数的曲线位于其上任意一点的切线的上方，则称该曲线在区间I 上是凹的；如果函数的曲线位于其上任意一点的切线的下方，则称该曲线在区间I 上是凸的 凹凸性的判定
定理 设f (x )在[a b ]上连续 在(a b )内具有一阶和二阶导数 那么 (1)若在(a b )内f (x )>0 则f (x )在[a b ]上的图形是凹的 (2)若在(a b )内f (x )<0 则f (x )在[a b ]上的图形是凸的 》
简要证明 只证(1)
设21 ,x x x 1 x 2[a b ] 且x 1x 2 记2
210x x x +=
由拉格朗日中值公式 得
2)
())(()()(21101101x x f x x f x f x f -'=-'=-ξξ 011x x <<ξ 2)
())(()()(12202202x x f x x f x f x f -'=-'=-ξξ 2
20x x <<ξ
两式相加并应用拉格朗日中值公式得
2
)]()([)(2)()(1
212021x x f f x f x f x f -'-'=-+ξξ 02
)
)((1
212>--''=x x f ξξξ 2
1ξξξ<<
即
)2
(2)()(2121x
x f x f x f +>+ 所以f (x )在[a b ]上的图形是凹的
拐点 连续曲线y f (x )上凹弧与凸弧的分界点称为这曲线的拐点
<
确定曲线y f (x )的凹凸区间和拐点的步骤
(1)确定函数y f (x )的定义域 (2)求出在二阶导数f` (x )
(3)求使二阶导数为零的点和使二阶导数不存在的点 (4)判断或列表判断 确定出曲线凹凸区间和拐点 注 根据具体情况（1）（3）步有时省略 例1 判断曲线y ln x 的凹凸性 解 x
y 1
=
' 2
1
x
y -=''
因为在函数y ln x 的定义域(0 )内 y <0 所以曲线y ln x 是凸的
例2 判断曲线y x 3的凹凸性
解 y 3x 2 y 6x 由y 0 得x 0
'
因为当x <0时 y <0 所以曲线在( 0]内为凸的
因为当x >0时 y >0 所以曲线在[0 )内为凹的
例3 求曲线y 2x 33x 22x 14的拐点 解 y 6x 26x 12 )
2
1
(12612+=+=''x x y 令y 0 得2
1-=x
因为当2
1
-<x 时
y
0 当2
1
->x 时
y
所以点(2
1-
2
1
20)是曲
线的拐点
例4 求曲线y 3x 44x 31的拐点及凹、凸的区间 解 (1)函数y 3x 44x 31的定义域为( ) (2)231212x x y -=')
3
2(3624362-=-=''x x x x y
(3)解方程y
0 得0
1=x 3
22=
x
:
(4)列表判断
;
在区间( 0]和[2/3 )上曲线是凹的 在区间[0 2/3]上曲线是凸的 点(0
1)和(2/3 11/27)是曲线的拐点 例5 问曲线y x 4是否有拐点
解 y 4x 3 y 12x 2 当x 0时 y >0 在区间( )内曲线是凹的 因此曲线无拐点 例6 求曲线3x y =的拐点 解 (1)函数的定义域为( ) (2) 3
2
31
x y =
' 3
2
92x x y -
=''
(3)无二阶导数为零的点 二阶导数不存在的点为x 0
(4)判断 当x <0当 y >0 当x >0时 y <0 因此 点(0 0)曲线的拐点
四． 布置作业
做练习册第19大页
有能力的同学可以附加做课后习题
( 0) 0 (0 2/3) 2/3 (2/3 ) f (x ) 0 0。
