微积分学示例

f (x) = {sin}^{2} (x)

$f (x) = \sin^{2} (x)$ on

[0, π]

$[0, π]$

解题步骤 1

求驻点。

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解题步骤 1.1

求一阶导数。

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解题步骤 1.1.1

求一阶导数。

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解题步骤 1.1.1.1

使用链式法则求微分，根据该法则，

\frac{d}{d x} [f (g (x))]

$\frac{d}{d x} [f (g (x))]$ 等于

$f' (g (x)) g' (x)$ ，其中

$f (x) = x^{2}$ 且

$g (x) = \sin (x)$ 。

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解题步骤 1.1.1.1.1

要使用链式法则，请将

$u$ 设为

$\sin (x)$ 。

$\frac{d}{d u} [u^{2}] \frac{d}{d x} [\sin (x)]$

解题步骤 1.1.1.1.2

使用幂法则求微分，根据该法则，

$\frac{d}{d u} [u^{n}]$ 等于

$n u^{n - 1}$ ，其中

$n = 2$ 。

$2 u \frac{d}{d x} [\sin (x)]$

解题步骤 1.1.1.1.3

使用

$\sin (x)$ 替换所有出现的

$u$ 。

$2 \sin (x) \frac{d}{d x} [\sin (x)]$

解题步骤 1.1.1.2

$\sin (x)$ 对

$x$ 的导数为

$\cos (x)$ 。

$2 \sin (x) \cos (x)$

解题步骤 1.1.1.3

化简。

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解题步骤 1.1.1.3.1

重新排序

$2 \sin (x) \cos (x)$ 的因式。

$2 \cos (x) \sin (x)$

解题步骤 1.1.1.3.2

将

$2 \cos (x)$ 和

$\sin (x)$ 重新排序。

$\sin (x) (2 \cos (x))$

解题步骤 1.1.1.3.3

将

$\sin (x)$ 和

$2$ 重新排序。

$2 \cdot \sin (x) \cos (x)$

解题步骤 1.1.1.3.4

使用正弦倍角公式。

$f' (x) = \sin (2 x)$

解题步骤 1.1.2

$f (x)$ 对

$x$ 的一阶导数是

$\sin (2 x)$ 。

$\sin (2 x)$

解题步骤 1.2

将一阶导数设为等于

$0$ ，然后求解方程

$\sin (2 x) = 0$ 。

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解题步骤 1.2.1

将一阶导数设为等于

$0$ 。

$\sin (2 x) = 0$

解题步骤 1.2.2

取方程两边的逆正弦从而提取正弦内的

$x$ 。

$2 x = \arcsin (0)$

解题步骤 1.2.3

化简右边。

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解题步骤 1.2.3.1

$\arcsin (0)$ 的准确值为

$0$ 。

$2 x = 0$

解题步骤 1.2.4

将

$2 x = 0$ 中的每一项除以

$2$ 并化简。

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解题步骤 1.2.4.1

将

$2 x = 0$ 中的每一项都除以

$2$ 。

$\frac{2 x}{2} = \frac{0}{2}$

解题步骤 1.2.4.2

化简左边。

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解题步骤 1.2.4.2.1

约去

$2$ 的公因数。

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解题步骤 1.2.4.2.1.1

约去公因数。

$\frac{2 x}{2} = \frac{0}{2}$

解题步骤 1.2.4.2.1.2

用

$x$ 除以

$1$ 。

$x = \frac{0}{2}$

解题步骤 1.2.4.3

化简右边。

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解题步骤 1.2.4.3.1

用

$0$ 除以

$2$ 。

$x = 0$

解题步骤 1.2.5

正弦函数在第一和第二象限中为正值。若要求第二个解，可从

$π$ 减去参考角以求第二象限中的解。

$2 x = π - 0$

解题步骤 1.2.6

求解

$x$ 。

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解题步骤 1.2.6.1

化简。

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解题步骤 1.2.6.1.1

将

$- 1$ 乘以

$0$ 。

$2 x = π + 0$

解题步骤 1.2.6.1.2

将

$π$ 和

$0$ 相加。

$2 x = π$

解题步骤 1.2.6.2

将

$2 x = π$ 中的每一项除以

$2$ 并化简。

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解题步骤 1.2.6.2.1

将

$2 x = π$ 中的每一项都除以

$2$ 。

$\frac{2 x}{2} = \frac{π}{2}$

解题步骤 1.2.6.2.2

化简左边。

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解题步骤 1.2.6.2.2.1

约去

$2$ 的公因数。

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解题步骤 1.2.6.2.2.1.1

约去公因数。

$\frac{2 x}{2} = \frac{π}{2}$

解题步骤 1.2.6.2.2.1.2

用

$x$ 除以

$1$ 。

$x = \frac{π}{2}$

解题步骤 1.2.7

求

$\sin (2 x)$ 的周期。

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解题步骤 1.2.7.1

函数的周期可利用

$\frac{2 π}{| b |}$ 进行计算。

$\frac{2 π}{| b |}$

解题步骤 1.2.7.2

使用周期公式中的

$2$ 替换

$b$ 。

$\frac{2 π}{| 2 |}$

解题步骤 1.2.7.3

绝对值就是一个数和零之间的距离。

$0$ 和

$2$ 之间的距离为

$2$ 。

$\frac{2 π}{2}$

解题步骤 1.2.7.4

约去

$2$ 的公因数。

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解题步骤 1.2.7.4.1

约去公因数。

$\frac{2 π}{2}$

解题步骤 1.2.7.4.2

用

$π$ 除以

$1$ 。

$π$

解题步骤 1.2.8

$\sin (2 x)$ 函数的周期为

$π$ ，所以函数值在两个方向上每隔

$π$ 弧度将重复出现。

$x = π n, \frac{π}{2} + π n$ ，对于任意整数

$n$

解题步骤 1.2.9

合并答案。

$x = \frac{π n}{2}$ ，对于任意整数

$n$

$x = \frac{π n}{2}$ ，对于任意整数

$n$

解题步骤 1.3

求使导数无意义的值。

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解题步骤 1.3.1

表达式的定义域是除使表达式无定义的值外的所有实数。在本例中，不存在使表达式无定义的实数。

解题步骤 1.4

对每个导数为

$0$ 或无意义的

$x$ 值，计算

$\sin^{2} (x)$ 。

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解题步骤 1.4.1

在

$x = 0$ 处计算

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解题步骤 1.4.1.1

代入

$0$ 替换

$x$ 。

$\sin^{2} (0)$

解题步骤 1.4.1.2

化简。

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解题步骤 1.4.1.2.1

$\sin (0)$ 的准确值为

$0$ 。

$0^{2}$

解题步骤 1.4.1.2.2

对

$0$ 进行任意正数次方的运算均得到

$0$ 。

$0$

解题步骤 1.4.2

在

$x = \frac{π}{2}$ 处计算

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解题步骤 1.4.2.1

代入

$\frac{π}{2}$ 替换

$x$ 。

$\sin^{2} (\frac{π}{2})$

解题步骤 1.4.2.2

化简。

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解题步骤 1.4.2.2.1

$\sin (\frac{π}{2})$ 的准确值为

$1$ 。

$1^{2}$

解题步骤 1.4.2.2.2

一的任意次幂都为一。

$1$

解题步骤 1.4.3

列出所有的点。

$(0 + π n, 0), (\frac{π}{2} + π n, 1)$ ，对于任意整数

$n$

$(0 + π n, 0), (\frac{π}{2} + π n, 1)$ ，对于任意整数

$n$

$(0 + π n, 0), (\frac{π}{2} + π n, 1)$ ，对于任意整数

$n$

解题步骤 2

排除不在区间内的点。

$(\frac{π}{2}, 1)$

解题步骤 3

使用一阶导数判别法来确定哪些点可能有极大值或极小值。

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解题步骤 3.1

根据使一阶导数为

$0$ 或无意义的

$x$ 值，将

$(- \infty, \infty)$ 分割为不同的区间。

$(- \infty, 0) \cup (0, \frac{π}{2}) \cup (\frac{π}{2}, π) \cup (π, \infty)$

解题步骤 3.2

将区间

$(- \infty, 0)$ 内的任一数字（例如

$- 2$ ）代入一阶导数

$\sin (2 x)$ 中，检查所得结果是负数还是正数。

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解题步骤 3.2.1

使用表达式中的

$- 2$ 替换变量

$x$ 。

$f' (- 2) = \sin (2 (- 2))$

解题步骤 3.2.2

化简结果。

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解题步骤 3.2.2.1

将

$2$ 乘以

$- 2$ 。

$f' (- 2) = \sin (- 4)$

解题步骤 3.2.2.2

计算

$\sin (- 4)$ 。

$f' (- 2) = 0.75680249$

解题步骤 3.2.2.3

最终答案为

$0.75680249$ 。

$0.75680249$

解题步骤 3.3

将区间

$(0, \frac{π}{2})$ 内的任一数字（例如

$1$ ）代入一阶导数

$\sin (2 x)$ 中，检查所得结果是负数还是正数。

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解题步骤 3.3.1

使用表达式中的

$1$ 替换变量

$x$ 。

$f' (1) = \sin (2 (1))$

解题步骤 3.3.2

化简结果。

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解题步骤 3.3.2.1

将

$2$ 乘以

$1$ 。

$f' (1) = \sin (2)$

解题步骤 3.3.2.2

计算

$\sin (2)$ 。

$f' (1) = 0.90929742$

解题步骤 3.3.2.3

最终答案为

$0.90929742$ 。

$0.90929742$

解题步骤 3.4

将区间

$(\frac{π}{2}, π)$ 内的任一数字（例如

$2$ ）代入一阶导数

$\sin (2 x)$ 中，检查所得结果是负数还是正数。

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解题步骤 3.4.1

使用表达式中的

$2$ 替换变量

$x$ 。

$f' (2) = \sin (2 (2))$

解题步骤 3.4.2

化简结果。

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解题步骤 3.4.2.1

将

$2$ 乘以

$2$ 。

$f' (2) = \sin (4)$

解题步骤 3.4.2.2

计算

$\sin (4)$ 。

$f' (2) = - 0.75680249$

解题步骤 3.4.2.3

最终答案为

$- 0.75680249$ 。

$- 0.75680249$

解题步骤 3.5

将区间

$(π, \infty)$ 内的任一数字（例如

$6$ ）代入一阶导数

$\sin (2 x)$ 中，检查所得结果是负数还是正数。

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解题步骤 3.5.1

使用表达式中的

$6$ 替换变量

$x$ 。

$f' (6) = \sin (2 (6))$

解题步骤 3.5.2

化简结果。

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解题步骤 3.5.2.1

将

$2$ 乘以

$6$ 。

$f' (6) = \sin (12)$

解题步骤 3.5.2.2

计算

$\sin (12)$ 。

$f' (6) = - 0.53657291$

解题步骤 3.5.2.3

最终答案为

$- 0.53657291$ 。

$- 0.53657291$

解题步骤 3.6

由于一阶导数在

$x = 0$ 周围没有改变符号，因此这不是极大值或极小值。

不存在极大值或极小值

解题步骤 3.7

由于一阶导数在

$x = \frac{π}{2}$ 周围从正号变为负号，因此

$x = \frac{π}{2}$ 是极大值。

$x = \frac{π}{2}$ 是一个极大值

解题步骤 3.8

由于一阶导数在

$x = π$ 周围没有改变符号，因此这不是极大值或极小值。

不存在极大值或极小值

解题步骤 3.9

这些是

$f (x) = \sin^{2} (x)$ 的局部极值。

$x = \frac{π}{2}$ 是一个极大值

解题步骤 4

将每个

$x$ 的值对应所得的

$f (x)$ 的值进行比较，以确定给定区间上的最大绝对值和最小绝对值。最大值在取最高值

$f (x)$ 时产生，而最小值在取最低值

$f (x)$ 时产生。

最大绝对值：

$(\frac{π}{2}, 1)$

没有绝对最小值

解题步骤 5

微积分学 示例

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