函数、导数、积分
基本知识
多阶导数的记法
对 f(x),记 f′(x) 为一阶导,f′′(x) 为二阶导,f′′′(x) 为三阶导,任意阶导都可为 f(n)(x)
极值点判别法则
对函数 f(x) 在 x=x0 处若存在 n∈N∗ 使得
f′(x0)=f′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)>0,则当 n 为偶数时,x0 为极小值点
f′(x0)=f′′(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0,f(n)(x0)<0,则当 n 为偶数时,x0 为极大值点
当 n 为奇数时 x0 既不是极大值点,也不是极小值点
一般取 n=2,即一般来说
f′(x0)=0,f′′(x0)>0 即有 x0 为极小值点
f′(x0)=0,f′′(x0)<0 即有 x0 为极大值点
注意 18 年全国三卷导数题(2)问
琴生不等式
∀x∈D,f′′(x)≥0⇔∀x1,x2∈D,2f(x1)+f(x2)≥f(2x1+x2)
∀x∈D,f′′(x)≤0⇔∀x1,x2∈D,2f(x1)+f(x2)≤f(2x1+x2)
这在图像上显然成立,证明略
ALG 不等式
∀x1,x2∈R∗⇒2x1+x2>lnx1−lnx2x1−x2>x1x2
一个不等式
(1) 若 f′′′(x)>0 且 f(x) 有两零点 x1,x2,则 f′(2x1+x2)<0
(2) 若 f′′′(x)<0 且 f(x) 有两零点 x1,x2,则 f′(2x1+x2)>0
现使用虚设函数法证明式 (1)
记 g(x)=f(x)−f(a−x),其中 a=x1+x2,且令 x1<2a<x2
则 g′(x)=f′(x)+f′(a−x)
g′′(x)=f′′(x)−f′′(a−x)
g′′′(x)=f′′′(x)+f′′′(a−x)>0
由 g′′(2a)=0 得 g′(x)≥g′(2a)=2f′(2a)
假设 f′(2a)≥0,则 g′(x)≥0,g(x) 单调递增
但 g(2a)=0⇒f(x1)<f(x2) 与 f(x1)=f(x2)=0 的题设相悖
故 f′(2a)<0,即 f′(2x1+x2)<0
利用隐函数求导求曲线上一点切线斜率
有 F(x,y)=x2+2x+y2=0
则上一点 (x,y) 切线斜率
k=dxdy=−∂y∂F∂x∂F=−2y2x+2=−yx+1
其中 ∂x∂F 表示对 F 求 x 的偏导,即将除了 x 的其他变量视为未知常数进行求导
同理 ∂y∂F 表示对 F 求 y 的偏导
利用隐函数求导求约束条件下的函数最值
已知约束条件 F(x,y)=0,求 G(x,y)最值
例:F(x,y)=x2+y2+xy−4=0,求 G(x,y)=x2+y2 最值
解:令 −∂y∂F∂x∂F=−∂y∂G∂x∂G
化简得 y=±x
与 F(x,y)=0 联立解得 (±32,±32),(±2,∓2)
可得代入得 G(x,y) 最大值为 8,最小值为 38
不完全严谨,但确实很多时候有用。
圆锥曲线上一点切线方程
方程 |
过 P(x0,y0) 的切线方程 |
(x−a)2+(y−b)2=R2 |
(x−a)(x0−a)+(y−b)(y0−b)=R2 |
a2x2+b2y2=1 |
a2xx0+b2yy0=1 |
a2x2−b2y2=1 |
a2xx0−b2yy0=1 |
b2y2−a2x2=1 |
b2yy0−a2xx0=1 |
y2=2px |
yy0=p(x+x0) |
x2=2py |
xx0=p(y+y0) |
极值点偏移
例:f(x)=x(lnx−2x+a−1) 有两极值点 x1,x2,x1<x2
- 求 a 范围
- 证明 2lnx1+lnx2<0
(1) 解:由 f′(x)=lnx−x+a,f′′(x)=x1−1 得
f′(x)max=f′(1)=a−1
由题 f′(x)max>0,故 a∈(1,+∞)
(2) 证:由 (1) 可得 0<x1<1<x2,所证原式即 x2<x121
由 0<x1<1 得 x121>1
因为 x121 和 x2 都在 (1,+∞) 范围内
且 (1) 有 f′(x) 在 (1,+∞) 上单调递减
则所证 x2<x121 即 f′(x121)<f′(x2)=0
而 f′(x121)=lnx121−x121+a
其中的 a 又可由 f′(x1)=lnx1−x1+a=0 得到
则代入得 f′(x121)=lnx121−x121+x1−lnx1
记 g(x)=lnx21−x21+x−lnx=−3lnx+x−x21,x∈(0,1)
则证明 g(x)<0 即可
因为 g′(x)=x3(x−1)(x2−2x−2)>0 在 (0,1) 上成立
则 g(x)<g(1)=0,故题得证
数列
不动点的概念与性质
一般对函数 f(x),若 ∃x0∈R 使 f(x0)=x0,则称 x=x0 为 f(x) 的一阶不动点
同时有 f(f(x0))=x0,易得一阶不动点也是二阶不动点
一般对数列 {xn} 有递推式 xn+1=f(xn),若 ∃x0∈R 使 f(x0)=x0,则称 x=x0 为 {xn} 的不动点
易得若从某项 xk 为不动点则后数列恒定不变
要是数列 {xn} 中的项取不到不动点 x0,但足够接近,且后来的项越来越接近 x0,即收敛为 x0
值得注意的是不动点可能为复数,也可能不存在
不动点的稳定性
一阶线性递推数列
即 {xn} 有 xn+1=f(xn)=pxn+q,求 {xn} 通项公式
-
p=1 时为等差数列
-
p=1 时解方程 x0=f(x0) 得不动点 x0=1−pq 后,则 {xn−x0} 为等比数列
分式递推数列
即 xn 有 xn+1=f(xn)=cxn+daxn+b,求 {xn} 通项公式
这里先解方程 x0=f(x0) 得 cx02+(d−a)x0−b=0
-
当只有一解 x0 时,{xn−x01} 为等差数列
-
当有俩解 α,β 时(注意复数解也是两个),{xn−βxn−α} 为等比数列
一般情形
一般情形下先考虑解方程 x0=f(x0) 得到不动点 x0
再在 xn+1=f(xn) 两边同时减去 x0
即 xn+1−x0=f(xn)−x0
进行代数变形后一般能得到等差数列或等比数列形式
不动点为零、复数或不存在时
为零时应当考虑倒数或增项后进行因式分解
为复数时数列必是周期数列
不存在时考虑其他方法
二阶线性递推数列
即 {xn} 有 xn+1=F(xn,xn−1)=pxn+qxn−1,求 {xn} 通项公式,已知 x1,x2
设 ∃a,b 使 xn+1−axn=b(xn−axn−1)
有 a+b=p,ab=−q,即 a,b 为 x2−px−q=0 的解
解得 a,b 后,代入原先的等比数列,解得
xn=a−bx2−bx1an−1+b−ax2−ax1bn−1
一个求和式
求 i=1∑ni⋅i!
注意到 (n+1)!=(n+1)⋅n!=n⋅n!+n!
故 i=1∑ni⋅i!=i=1∑n[(i+1)!−i!]=(n+1)!−1
构造函数证明数列不等式
累加例
求证 i=1∑ni+11<ln(1+n)
解:利用 an+1=Sn+1−Sn 试将 ln(1+n) 写成累加形式为 i=1∑nlnii+1
则试证 x+11<lnxx+1 对 ∀x≥1 成立
记 f(x)=lnxx+1−x+11,(x≥1)
f′(x)=−x(x+1)21<0
故 f(x)>x→+∞limf(x)=0
即 x+11<lnxx+1 对 ∀x≥1 得证
故题得证
累乘例
求证 n(n+2)2<i=2∏nlni
解:利用 an+1=TnTn+1 试将 n(n+2)2 写成累乘形式为 i=2∏ni+1i−1
则试证 x+1x−1<lnx 对 ∀x≥2 成立
下略,得题得证
由例可得我们可以通过寻找累加(乘)式以试证累加(乘)对应各项的大小,通过取值并求导得证后回推即题得证,避免了对构造函数不知所措。
向量
基本知识
向量点乘 a⋅b=∣a∣∣b∣cosθ,其中 θ 为向量 a,b 所夹角的大小,几何意义略
二维向量伪叉乘 ∣a×b∣=∣a∣∣b∣sinθ,其中 θ 为向量 a,b 所夹角的大小,几何意义为向量 a,b 所夹平行四边形面积
两向量 a,b 夹角为锐角的充要条件为 a⋅b>0,∣a×b∣=0
两向量 a,b 夹角为钝角的充要条件为 a⋅b<0,∣a×b∣=0
叉乘
二维
叉乘应该主要是三维向量间的计算,我们先谈论其在二维中的应用
二维向量伪叉乘 ∣a×b∣=∣a∣∣b∣sinθ
若 a=[mn]=(m,n),b=[rs]=(r,s)
则 ∣a×b∣=∣det([mnrs])∣=∣mnrs∣=∣ms−nr∣
其中 det() 用来求矩阵行列式,具体可看线性代数相关知识
通过上述介绍,我们可以很快求出两向量所夹平行四边形的面积
三维
三维向量叉乘 a×b 所输出的是一个新的向量 n
其中 ∣n∣ 等于向量 a,b 所夹平行四边形面积,n 为该平行四边形的法向量
且方向可右手掌心朝面,收起无名指和小指,中指指向自己,此时 a 为食指,b 为中指,n 为大拇指
此处可注意到 a×b=−b×a
若 a=a1a2a3=(a1,a2,a3),b=b1b2b3=(b1,b2,b3)
则我们列表 a1b1a2b2a3b3
则 a×b=(n1,n2,n3) 中
n1 为挡住所列表第一列后的行列式 a2b2a3b3
n2 为挡住所列表第二列后的行列式 −a1b1a3b3
n3 为挡住所列表第三列后的行列式 a1b1a2b2
通过上述介绍,我们可以很快求出法向量
立体几何中的应用
求体积
对于共起点的三维向量 a,b,c 有以该向量所围成的平行六面体的体积 V1=∣(a×b)⋅c∣
所围成的三棱锥的体积 V2=6V1
求二面角
在求如 E−AB−F 的二面角余弦值时,由于法向量求法不同而导致法向量夹角非二面角,要自主判断其正负,容易引发错误,现介绍一种方法避免错误:
求 E−AB−F 二面角余弦
则平面 ABE 一个法向量 n1=AB×AE
平面 ABF 一个法向量 n2=AB×AF
则由图易得 E−AB−F 即 n1,n2 的夹角
故可求得二面角余弦值
等和线、等差线、等积线、等商线、等平方和线
等和线
等差线
复数
复数四则运算的几何意义
加法和减法略,我们着重介绍乘法
例:(2+i)⋅i=−1+2i
从复平面上看,2+i 逆时针旋转了 2π
再例:(3+i)(1+3i)=4i
从复平面上看,两者辐角相加,模长相乘
证明:对复平面上一复数 z 记模长为 l,辐角为 θ
则 z=lcosθ+i⋅lsinθ=l(cosθ+isinθ)
设 z1 对应 l1,θ1,z2 对应 l2,θ2
则 z1z2=l1(cosθ1+isinθ1)⋅l2(cosθ2+isinθ2)=l1l2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)]
故得证
由上有复数相乘,模长相乘,辐角相加
同理有复数相除,模长相除,辐角相减
对于某些运算能缩短用时
复数的指数运算
推广 n 个复数相乘,有下式成立
k=1∏nak+bki=k=1∏nak2+bk2⋅[cos(k=1∑narctanakbk)+isin(k=1∑narctanakbk)]
其中 ak,bk∈R,n∈N∗
特殊的 ak=a,bk=b 时
(a+bi)n=(a2+b2)n⋅[cos(narctanab)+isin(narctanab)]
更特殊的,a=cosθ,b=sinθ 时
(cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ
由二项式定理有
(cosθ+isinθ)n=k=0∑nCnkcosn−kθ(isinθ)k
拆项对应实部虚部得 n 倍角公式
cosnθ=k=0∑⌊n/2⌋Cn2k(−1)kcosn−2kθsin2kθ
sinnθ=k=0∑⌊n/2⌋Cn2k+1(−1)kcosn−2k−1θsin2k+1θ
其中 ⌊n/2⌋ 表示向下取整
圆锥曲线
圆锥曲线与隐函数求导
圆锥曲线上一点切线方程——见利用隐函数求导求曲线上一点切线斜率
圆锥曲线外一点两切线切点连线(又称切点弦)形式同上
蒙日圆
椭圆两垂直切线交点轨迹为定圆 x2+y2=a2+b2
焦点三角形面积
对 a2x2+b2y2=1(a>b>0) 有 S△PF1F2=b2⋅tan2P
对 a2x2−b2y2=1(a>b>0) 有 S△PF1F2=b2⋅cot2P
抛物线无两焦点,无焦点三角形
通径
对 a2x2+b2y2=1,(a>b>0) 有通径长 a2b2
对 a2x2−b2y2=1,(a>b>0) 有通径长 a2b2
对 y2=2px,(p=0) 有通径长 ∣2p∣
焦点弦
对离心率为 e 的圆锥曲线,过焦点的弦 AB 与焦点所在轴交角若为 θ,∣AF∣=λ∣FB∣
则 ∣e⋅cosθ∣=∣λ+1λ−1∣
结合三角函数和斜率 k 可变形为其他形式
判别式
对 a2x2+b2y2=1 与 Ax+By+C=0,(A⋅B=0)
- 相切 ⇔A2a2+B2b2=C2
- 相交 ⇔A2a2+B2b2>C2
- 相离 ⇔A2a2+B2b2<C2
对 a2x2−b2y2=1 与 Ax+By+C=0,(A⋅B=0)
- 相切 ⇔A2a2−B2b2=C2
- 相交 ⇔A2a2−B2b2<C2
- 相离 ⇔A2a2−B2b2>C2
费马定理与圆锥曲线的光学性质
费马定理:光从一点传至另一点的用时总是最短(均匀介质中表现为路程最短)
假定圆锥曲线都为镜面,则
- 从圆心发出的光反射后总回到圆心
- 从椭圆一焦点发出的光反射后到另一焦点
- 从抛物线焦点发出的光反射后总是垂直于其准线
- 从双曲线焦点发出的光反射后所在直线过另一焦点
可以利用以上性质求某些距离和(差)的最值
且利用初中知识作切线和法线有反射角等于入射角
一个性质
一动直线恒过圆锥曲线内一定点且交其于两点,则这两点切线交点在其外的某定直线上,反之也成立(与切点弦有相似之处)
对 a2x2+b2y2=1,若定点为 (x0,y0),则定直线为 a2xx0+b2yy0=1
对 a2x2+b2y2=1,若定直线为 Ax+By+C=0,则定点为 (−CAa2,−CBb2)
对 a2x2−b2y2=1,若定点为 (x0,y0),则定直线为 a2xx0−b2yy0=1
对 a2x2−b2y2=1,若定直线为 Ax+By+C=0,则定点为 (−CAa2,CBb2)
对 y2=2px,若定点为 (x0,y0),则定直线为 yy0=p(x+x0)
对 y2=2px,若定直线为 Ax+By+C=0,则定点为 (AC,−ApB)
共焦点的椭圆与双曲线