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 f 在区间 I 上递增,若:
∀x1,x2∈I:x1<x2⇒f(x1)<f(x2)
等价表述:输入越大 → 输出越大。
递减函数
函数 f 在区间 I 上递减,若:
∀x1,x2∈I:x1<x2⇒f(x1)>f(x2)
等价表述:输入越大 → 输出越小。
非严格单调
- 非减函数:x1<x2⇒f(x1)≤f(x2)
- 非增函数:x1<x2⇒f(x1)≥f(x2)
判断单调性的方法
方法一:定义法
- 在区间内任取 x1,x2,设 x1<x2
- 计算 f(x1)−f(x2)
- 判断差的符号:
例:证明 f(x)=x2 在 (0,+∞) 上递增。
对于 0<x1<x2:
f(x1)−f(x2)=x12−x22=(x1−x2)(x1+x2)
因为 x1<x2:(x1−x2)<0
因为 x1,x2>0:(x1+x2)>0
所以:f(x1)−f(x2)<0,即 f(x1)<f(x2)。
结论:f(x)=x2 在 (0,+∞) 上递增。
方法二:导数法
对于可导函数:
- f′(x)>0 在区间 I 上 → f 在 I 上递增
- f′(x)<0 在区间 I 上 → f 在 I 上递减
例:求 f(x)=x3−3x 的单调区间。
f′(x)=3x2−3=3(x2−1)=3(x−1)(x+1)
- f′(x)>0:当 x<−1 或 x>1
- f′(x)<0:当 −1<x<1
单调区间:
- 递增区间:(−∞,−1) 和 (1,+∞)
- 递减区间:(−1,1)
常见函数的单调性
| 函数 | 递增区间 | 递减区间 |
|---|
| y=kx+b (k>0) | (−∞,+∞) | — |
| y=kx+b (k<0) | — | (−∞,+∞) |
| y=x2 | [0,+∞) | (−∞,0] |
| y=x1 | — | (−∞,0), (0,+∞) |
| y=x | [0,+∞) | — |
| y=ax (a>1) | (−∞,+∞) | — |
| y=ax (0<a<1) | — | (−∞,+∞) |
CSCA练习题
💡 注:以下练习题基于CSCA考试大纲设计。
例题1:基础题(难度 ★★☆☆☆)
求 f(x)=−x2+4x 的单调区间。
解法:
f(x)=−(x2−4x)=−(x−2)2+4
这是开口向下的抛物线,顶点在 x=2。
- 递增区间:(−∞,2]
- 递减区间:[2,+∞)
答案:在 (−∞,2] 上递增,在 [2,+∞) 上递减
例题2:中级(难度 ★★★☆☆)
证明 f(x)=x+1x 在 (−1,+∞) 上递增。
解法:
设 −1<x1<x2。
f(x1)−f(x2)=x1+1x1−x2+1x2
=(x1+1)(x2+1)x1(x2+1)−x2(x1+1)
=(x1+1)(x2+1)x1x2+x1−x1x2−x2
=(x1+1)(x2+1)x1−x2
因为 x1<x2:分子 <0
因为 x1,x2>−1:(x1+1)(x2+1)>0
所以:f(x1)−f(x2)<0,即 f(x1)<f(x2)。
结论:f(x) 在 (−1,+∞) 上递增。
例题3:高级(难度 ★★★★☆)
若 f(x)=x2−2ax+1 在 [1,+∞) 上递增,求 a 的取值范围。
解法:
f(x)=(x−a)2+1−a2
顶点在 x=a。
要使 f(x) 在 [1,+∞) 上递增,顶点必须在 x=1 处或其左侧。
因此:a≤1
答案:a≤1,即 (−∞,1]
单调函数的性质
1. 复合法则
| f | g | f∘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
若 f 严格单调,则 f−1 存在且与 f 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=x1 在 (−∞,+∞) 上递减 ✗
正确:y=x1 分别在 (−∞,0) 和 (0,+∞) 上递减 ✓
❌ 错误2:合并不连通的区间
错误:y=x1 在 (−∞,0)∪(0,+∞) 上递减 ✗
正确:分别表述:在 (−∞,0) 上递减,在 (0,+∞) 上递减 ✓
❌ 错误3:证明时忽略边界条件
证明单调性时,确保 x1<x2 都在指定区间内。
学习要点
- ✅ 掌握定义:x1<x2 意味着 f(x1) 与 f(x2) 如何比较?
- ✅ 熟记常见函数:背诵标准函数的单调性
- ✅ 适时使用导数:复杂函数用导数更快
- ✅ 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!