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3.4 闭区间上的最值

导数及其应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 求函数在闭区间 $[a,b]$ 上的最大值与最小值,需比较区间端点值与区间内极值。

从哪来 本知识点建立在 4.2 导数与单调性、4.3 导数与极值 和 4.4 导数与最值 之上,并依赖 3.1 导数计算步骤 进行具体运算。

为什么 根据闭区间上连续函数最值定理,连续函数在闭区间上必存在最大值和最小值。 从几何角度看,函数图像在闭区间内是“封闭”的曲线段。最值只能出现在两类位置: 1. 内部转折点:即导数为0的驻点(可能是极大或极小值点)。 2. 边界点:即区间的左端点 $a$ 和右端点 $b$。 因为函数在区间内部若没有极值点,则函数单调,最值必然在端点取得;若有极值点,最值则是“所有极值”与“两个端点值”中的最大/最小者。因此,算法核心是“找驻点、算端点、比大小”。

“登山探险”类比法** **适合学生类型
形象思维强、对抽象逻辑感到困难的学生。 讲解逻辑: 想象你在一条封闭的山谷(闭区间)里探险,要找最高峰和最低谷。 1. 检查边界:首先看看山谷的两个入口(端点 $a$ 和 $b$)有多高。 2. 寻找山顶/谷底:在山谷中间走,如果脚下坡度变平(导数为0),这里可能是局部山顶(极大值)或局部谷底(极小值)。 3. 最终对比:真正的最高峰,一定是“两个入口高度”和“所有局部山顶高度”中最高那个。 关键点:强调“局部最高”不一定是“全局最高”,必须和边界比。
“排除法”逻辑推导** **适合学生类型
逻辑思维严密、喜欢数学证明过程的学生。 讲解逻辑: 1. 假设:最值点 $x_0$ 在区间内部 $(a,b)$。 2. 推导:若 $x_0$ 是最值点,根据费马引理(极值必要条件),必有 $f'(x_0)=0$(假设可导)。 3. 剩余情况:若 $x_0$ 不在内部,则 $x_0$ 必为端点 $a$ 或 $b$。 4. 结论:候选点集合 $S = \{a, b\} \cup \{x | f'(x)=0, x \in (a,b)\}$。 5. 操作:只需计算 $S$ 中所有点的函数值,取最大/最小即可。 关键点:强调为什么只需要检查 $f'(x)=0$ 的点,而不需要检查 $f'(x)$ 不存在的点(针对高中常见可导函数情境,或补充说明不可导点也需检查,但通常高中题设可导)。
“流程图”算法化** **适合学生类型
习惯程序化思维、做题追求速度和规范的学生。 讲解逻辑: 将解题过程固化为标准算法步骤(SOP): 1. Step 1:求导 $f'(x)$。 2. Step 2:解方程 $f'(x)=0$,找出所有根 $x_1, x_2, ...$。 3. Step 3:筛选根,只保留在区间 $(a,b)$ 内的根。 4. Step 4:计算列表 $L = [f(a), f(b), f(x_1), f(x_2), ...]$。 5. Step 5:输出 $\max(L)$ 和 $\min(L)$。 关键点:强调“列表比较”是防止遗漏的关键动作,避免心算出错。
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练一道
基础题
求函数 $f(x) = x^3 - 3x$ 在区间 $[-2, 2]$ 上的最大值和最小值。
变式
求函数 $f(x) = x^3 - 3x^2 + 2$ 在区间 $[0, 4]$ 上的最大值和最小值。
看解答过程
1. 求导:$f'(x) = 3x^2 - 3$。 2. 找驻点:令 $f'(x) = 0$,得 $3(x^2 - 1) = 0$,解得 $x = 1$ 或 $x = -1$。 3. 筛选区间内点:$1 \in (-2, 2)$,$-1 \in (-2, 2)$,均保留。 4. 计算函数值: - 端点:$f(-2) = (-2)^3 - 3(-2) = -8 + 6 = -2$ - 端点:$f(2) = 2^3 - 3(2) = 8 - 6 = 2$ - 驻点:$f(1) = 1^3 - 3(1) = 1 - 3 = -2$ - 驻点:$f(-1) = (-1)^3 - 3(-1) = -1 + 3 = 2$ 5. 比较大小: - 最大值为 $2$(在 $x=-1$ 和 $x=2$ 处取得) - 最小值为 $-2$(在 $x=-2$ 和 $x=1$ 处取得)
试试手自己判
检测题
已知函数 $f(x) = x^3 - 3x + 1$,求其在区间 $[-1, 2]$ 上的最大值。
看答案和判分标准
答案:3
判对标准:
1. 过程分:
- 正确求导 $f'(x) = 3x^2 - 3$(1分)
- 正确解出驻点 $x = \pm 1$(1分)
- 正确筛选区间内驻点:$x=-1$(端点,已算),$x=1$(内部,保留)(1分)
- 正确计算三个关键值:$f(-1)=3, f(1)=-1, f(2)=3$(2分)
- 正确比较得出最大值 3(1分)
2. 结果分:最终答案必须为 3。若答案为 -1 或 1,判错。
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