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functions难度:基础functionsmonotonicityincreasing
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单调性dāndiàoxìng

monotonicity
4 分钟阅读
更新于 2025-01-24
已完成

核心概念

单调性描述函数在某区间上是一直增大还是一直减小。如果一个函数在某区间上始终递增或始终递减,则称该函数在该区间上是单调的

定义

递增函数

函数 ff 在区间 II递增,若: x1,x2I:x1<x2f(x1)<f(x2)\forall x_1, x_2 \in I: \quad x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) < f(x_2)

等价表述:输入越大 → 输出越大。

递减函数

函数 ff 在区间 II递减,若: x1,x2I:x1<x2f(x1)>f(x2)\forall x_1, x_2 \in I: \quad x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) > f(x_2)

等价表述:输入越大 → 输出越小。

非严格单调

  • 非减函数x1<x2f(x1)f(x2)x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) \leq f(x_2)
  • 非增函数x1<x2f(x1)f(x2)x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) \geq f(x_2)

判断单调性的方法

方法一:定义法

  1. 在区间内任取 x1,x2x_1, x_2,设 x1<x2x_1 < x_2
  2. 计算 f(x1)f(x2)f(x_1) - f(x_2)
  3. 判断差的符号:
    • 若恒为负 → 递增
    • 若恒为正 → 递减

:证明 f(x)=x2f(x) = x^2(0,+)(0, +\infty) 上递增。

对于 0<x1<x20 < x_1 < x_2f(x1)f(x2)=x12x22=(x1x2)(x1+x2)f(x_1) - f(x_2) = x_1^2 - x_2^2 = (x_1 - x_2)(x_1 + x_2)

因为 x1<x2x_1 < x_2(x1x2)<0(x_1 - x_2) < 0 因为 x1,x2>0x_1, x_2 > 0(x1+x2)>0(x_1 + x_2) > 0

所以:f(x1)f(x2)<0f(x_1) - f(x_2) < 0,即 f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2)

结论f(x)=x2f(x) = x^2(0,+)(0, +\infty) 上递增。

方法二:导数法

对于可导函数:

  • f(x)>0f'(x) > 0 在区间 II 上 → ffII 上递增
  • f(x)<0f'(x) < 0 在区间 II 上 → ffII 上递减

:求 f(x)=x33xf(x) = x^3 - 3x 的单调区间。

f(x)=3x23=3(x21)=3(x1)(x+1)f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x^2 - 1) = 3(x-1)(x+1)

  • f(x)>0f'(x) > 0:当 x<1x < -1x>1x > 1
  • f(x)<0f'(x) < 0:当 1<x<1-1 < x < 1

单调区间

  • 递增区间:(,1)(-\infty, -1)(1,+)(1, +\infty)
  • 递减区间:(1,1)(-1, 1)

常见函数的单调性

函数递增区间递减区间
y=kx+by = kx + b (k>0k > 0)(,+)(-\infty, +\infty)
y=kx+by = kx + b (k<0k < 0)(,+)(-\infty, +\infty)
y=x2y = x^2[0,+)[0, +\infty)(,0](-\infty, 0]
y=1xy = \dfrac{1}{x}(,0)(-\infty, 0), (0,+)(0, +\infty)
y=xy = \sqrt{x}[0,+)[0, +\infty)
y=axy = a^x (a>1a > 1)(,+)(-\infty, +\infty)
y=axy = a^x (0<a<10 < a < 1)(,+)(-\infty, +\infty)

CSCA练习题

💡 :以下练习题基于CSCA考试大纲设计。

例题1:基础题(难度 ★★☆☆☆)

f(x)=x2+4xf(x) = -x^2 + 4x 的单调区间。

解法

f(x)=(x24x)=(x2)2+4f(x) = -(x^2 - 4x) = -(x - 2)^2 + 4

这是开口向下的抛物线,顶点在 x=2x = 2

  • 递增区间:(,2](-\infty, 2]
  • 递减区间:[2,+)[2, +\infty)

答案:在 (,2](-\infty, 2] 上递增,在 [2,+)[2, +\infty) 上递减


例题2:中级(难度 ★★★☆☆)

证明 f(x)=xx+1f(x) = \dfrac{x}{x+1}(1,+)(-1, +\infty) 上递增。

解法

1<x1<x2-1 < x_1 < x_2

f(x1)f(x2)=x1x1+1x2x2+1f(x_1) - f(x_2) = \dfrac{x_1}{x_1+1} - \dfrac{x_2}{x_2+1}

=x1(x2+1)x2(x1+1)(x1+1)(x2+1)= \dfrac{x_1(x_2+1) - x_2(x_1+1)}{(x_1+1)(x_2+1)}

=x1x2+x1x1x2x2(x1+1)(x2+1)= \dfrac{x_1x_2 + x_1 - x_1x_2 - x_2}{(x_1+1)(x_2+1)}

=x1x2(x1+1)(x2+1)= \dfrac{x_1 - x_2}{(x_1+1)(x_2+1)}

因为 x1<x2x_1 < x_2:分子 <0< 0 因为 x1,x2>1x_1, x_2 > -1(x1+1)(x2+1)>0(x_1+1)(x_2+1) > 0

所以:f(x1)f(x2)<0f(x_1) - f(x_2) < 0,即 f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2)

结论f(x)f(x)(1,+)(-1, +\infty) 上递增。


例题3:高级(难度 ★★★★☆)

f(x)=x22ax+1f(x) = x^2 - 2ax + 1[1,+)[1, +\infty) 上递增,求 aa 的取值范围。

解法

f(x)=(xa)2+1a2f(x) = (x - a)^2 + 1 - a^2

顶点在 x=ax = a

要使 f(x)f(x)[1,+)[1, +\infty) 上递增,顶点必须在 x=1x = 1 处或其左侧。

因此:a1a \leq 1

答案a1a \leq 1,即 (,1](-\infty, 1]

单调函数的性质

1. 复合法则

ffggfgf \circ g
递增递增递增
递增递减递减
递减递增递减
递减递减递增

记忆口诀:"同增异减"

2. 反函数

ff 严格单调,则 f1f^{-1} 存在且与 ff 具有相同的单调性。

常见错误

❌ 错误1:混淆单调区间与定义域

错误y=1xy = \dfrac{1}{x}(,+)(-\infty, +\infty) 上递减 ✗

正确y=1xy = \dfrac{1}{x} 分别在 (,0)(-\infty, 0)(0,+)(0, +\infty) 上递减 ✓

❌ 错误2:合并不连通的区间

错误y=1xy = \dfrac{1}{x}(,0)(0,+)(-\infty, 0) \cup (0, +\infty) 上递减 ✗

正确:分别表述:在 (,0)(-\infty, 0) 上递减,在 (0,+)(0, +\infty) 上递减 ✓

❌ 错误3:证明时忽略边界条件

证明单调性时,确保 x1<x2x_1 < x_2 都在指定区间内。

学习要点

  1. 掌握定义x1<x2x_1 < x_2 意味着 f(x1)f(x_1)f(x2)f(x_2) 如何比较?
  2. 熟记常见函数:背诵标准函数的单调性
  3. 适时使用导数:复杂函数用导数更快
  4. 不要合并不连通的区间:分开列出每个区间

💡 考试要点:对于二次函数,务必先求顶点。单调性在顶点处改变!