微积分学示例

$x^{4} - 8 x^{2} + 16$

解题步骤 1

将 $x^{4} - 8 x^{2} + 16$ 书写为一个函数。

$f (x) = x^{4} - 8 x^{2} + 16$

解题步骤 2

求函数的一阶导数。

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解题步骤 2.1

求微分。

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解题步骤 2.1.1

根据加法法则， $x^{4} - 8 x^{2} + 16$ 对 $x$ 的导数是 $\frac{d}{d x} [x^{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$ 。

$\frac{d}{d x} [x^{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 2.1.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 4$ 。

$4 x^{3} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 2.2

计算 $\frac{d}{d x} [- 8 x^{2}]$ 。

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解题步骤 2.2.1

因为 $- 8$ 对于 $x$ 是常数，所以 $- 8 x^{2}$ 对 $x$ 的导数是 $- 8 \frac{d}{d x} [x^{2}]$ 。

$4 x^{3} - 8 \frac{d}{d x} [x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 2.2.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 2$ 。

$4 x^{3} - 8 (2 x) + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 2.2.3

将 $2$ 乘以 $- 8$ 。

$4 x^{3} - 16 x + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 2.3

使用常数法则求导。

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解题步骤 2.3.1

因为 $16$ 对于 $x$ 是常数，所以 $16$ 对 $x$ 的导数为 $0$ 。

$4 x^{3} - 16 x + 0$

解题步骤 2.3.2

将 $4 x^{3} - 16 x$ 和 $0$ 相加。

$4 x^{3} - 16 x$

解题步骤 3

求函数的二阶导数。

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解题步骤 3.1

根据加法法则， $4 x^{3} - 16 x$ 对 $x$ 的导数是 $\frac{d}{d x} [4 x^{3}] + \frac{d}{d x} [- 16 x]$ 。

$f'' (x) = \frac{d}{d x} (4 x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 16 x)$

解题步骤 3.2

计算 $\frac{d}{d x} [4 x^{3}]$ 。

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解题步骤 3.2.1

因为 $4$ 对于 $x$ 是常数，所以 $4 x^{3}$ 对 $x$ 的导数是 $4 \frac{d}{d x} [x^{3}]$ 。

$f'' (x) = 4 \frac{d}{d x} (x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 16 x)$

解题步骤 3.2.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 3$ 。

$f'' (x) = 4 (3 x^{2}) + \frac{d}{d x} (- 16 x)$

解题步骤 3.2.3

将 $3$ 乘以 $4$ 。

$f'' (x) = 12 x^{2} + \frac{d}{d x} (- 16 x)$

解题步骤 3.3

计算 $\frac{d}{d x} [- 16 x]$ 。

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解题步骤 3.3.1

因为 $- 16$ 对于 $x$ 是常数，所以 $- 16 x$ 对 $x$ 的导数是 $- 16 \frac{d}{d x} [x]$ 。

$f'' (x) = 12 x^{2} - 16 \frac{d}{d x} x$

解题步骤 3.3.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 1$ 。

$f'' (x) = 12 x^{2} - 16 \cdot 1$

解题步骤 3.3.3

将 $- 16$ 乘以 $1$ 。

$f'' (x) = 12 x^{2} - 16$

解题步骤 4

要求函数的极大值与极小值，请将导数设为等于 $0$ 并求解。

$4 x^{3} - 16 x = 0$

解题步骤 5

求一阶导数。

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解题步骤 5.1

求一阶导数。

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解题步骤 5.1.1

求微分。

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解题步骤 5.1.1.1

根据加法法则， $x^{4} - 8 x^{2} + 16$ 对 $x$ 的导数是 $\frac{d}{d x} [x^{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$ 。

$\frac{d}{d x} [x^{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 5.1.1.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 4$ 。

$4 x^{3} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 5.1.2

计算 $\frac{d}{d x} [- 8 x^{2}]$ 。

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解题步骤 5.1.2.1

因为 $- 8$ 对于 $x$ 是常数，所以 $- 8 x^{2}$ 对 $x$ 的导数是 $- 8 \frac{d}{d x} [x^{2}]$ 。

$4 x^{3} - 8 \frac{d}{d x} [x^{2}] + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 5.1.2.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 2$ 。

$4 x^{3} - 8 (2 x) + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 5.1.2.3

将 $2$ 乘以 $- 8$ 。

$4 x^{3} - 16 x + \frac{d}{d x} [16]$

解题步骤 5.1.3

使用常数法则求导。

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解题步骤 5.1.3.1

因为 $16$ 对于 $x$ 是常数，所以 $16$ 对 $x$ 的导数为 $0$ 。

$4 x^{3} - 16 x + 0$

解题步骤 5.1.3.2

将 $4 x^{3} - 16 x$ 和 $0$ 相加。

$f' (x) = 4 x^{3} - 16 x$

解题步骤 5.2

$f (x)$ 对 $x$ 的一阶导数是 $4 x^{3} - 16 x$ 。

$4 x^{3} - 16 x$

解题步骤 6

将一阶导数设为等于 $0$ ，然后求解方程 $4 x^{3} - 16 x = 0$ 。

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解题步骤 6.1

将一阶导数设为等于 $0$ 。

$4 x^{3} - 16 x = 0$

解题步骤 6.2

对方程左边进行因式分解。

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解题步骤 6.2.1

从 $4 x^{3} - 16 x$ 中分解出因数 $4 x$ 。

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解题步骤 6.2.1.1

从 $4 x^{3}$ 中分解出因数 $4 x$ 。

$4 x (x^{2}) - 16 x = 0$

解题步骤 6.2.1.2

从 $- 16 x$ 中分解出因数 $4 x$ 。

$4 x (x^{2}) + 4 x (- 4) = 0$

解题步骤 6.2.1.3

从 $4 x (x^{2}) + 4 x (- 4)$ 中分解出因数 $4 x$ 。

$4 x (x^{2} - 4) = 0$

解题步骤 6.2.2

将 $4$ 重写为 $2^{2}$ 。

$4 x (x^{2} - 2^{2}) = 0$

解题步骤 6.2.3

因数。

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解题步骤 6.2.3.1

因为两项都是完全平方数，所以使用平方差公式 $a^{2} - b^{2} = (a + b) (a - b)$ 进行因式分解，其中 $a = x$ 和 $b = 2$ 。

$4 x ((x + 2) (x - 2)) = 0$

解题步骤 6.2.3.2

去掉多余的括号。

$4 x (x + 2) (x - 2) = 0$

解题步骤 6.3

如果等式左侧的任一因数等于 $0$ ，则整个表达式将等于 $0$ 。

$x = 0$

$x + 2 = 0$

$x - 2 = 0$

解题步骤 6.4

将 $x$ 设为等于 $0$ 。

$x = 0$

解题步骤 6.5

将 $x + 2$ 设为等于 $0$ 并求解 $x$ 。

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解题步骤 6.5.1

将 $x + 2$ 设为等于 $0$ 。

$x + 2 = 0$

解题步骤 6.5.2

从等式两边同时减去 $2$ 。

$x = - 2$

解题步骤 6.6

将 $x - 2$ 设为等于 $0$ 并求解 $x$ 。

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解题步骤 6.6.1

将 $x - 2$ 设为等于 $0$ 。

$x - 2 = 0$

解题步骤 6.6.2

在等式两边都加上 $2$ 。

$x = 2$

解题步骤 6.7

最终解为使 $4 x (x + 2) (x - 2) = 0$ 成立的所有值。

$x = 0, - 2, 2$

解题步骤 7

求使导数无意义的值。

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解题步骤 7.1

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 8

要计算的驻点。

$x = 0, - 2, 2$

解题步骤 9

计算在 $x = 0$ 处的二阶导数。如果该二阶导数为正，那么这是一个极小值。如果为负，则为极大值。

$12 {(0)}^{2} - 16$

解题步骤 10

计算二阶导数。

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解题步骤 10.1

化简每一项。

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解题步骤 10.1.1

对 $0$ 进行任意正数次方的运算均得到 $0$ 。

$12 \cdot 0 - 16$

解题步骤 10.1.2

将 $12$ 乘以 $0$ 。

$0 - 16$

解题步骤 10.2

从 $0$ 中减去 $16$ 。

$- 16$

解题步骤 11

因为二阶导数的值为负数，所以 $x = 0$ 是一个极大值。这被称为二阶导数试验法。

$x = 0$ 是一个极大值

解题步骤 12

求 $x = 0$ 时的 y 值。

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解题步骤 12.1

使用表达式中的 $0$ 替换变量 $x$ 。

$f (0) = {(0)}^{4} - 8 {(0)}^{2} + 16$

解题步骤 12.2

化简结果。

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解题步骤 12.2.1

化简每一项。

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解题步骤 12.2.1.1

对 $0$ 进行任意正数次方的运算均得到 $0$ 。

$f (0) = 0 - 8 {(0)}^{2} + 16$

解题步骤 12.2.1.2

对 $0$ 进行任意正数次方的运算均得到 $0$ 。

$f (0) = 0 - 8 \cdot 0 + 16$

解题步骤 12.2.1.3

将 $- 8$ 乘以 $0$ 。

$f (0) = 0 + 0 + 16$

解题步骤 12.2.2

通过加上各数进行化简。

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解题步骤 12.2.2.1

将 $0$ 和 $0$ 相加。

$f (0) = 0 + 16$

解题步骤 12.2.2.2

将 $0$ 和 $16$ 相加。

$f (0) = 16$

解题步骤 12.2.3

最终答案为 $16$ 。

$y = 16$

解题步骤 13

计算在 $x = - 2$ 处的二阶导数。如果该二阶导数为正，那么这是一个极小值。如果为负，则为极大值。

$12 {(- 2)}^{2} - 16$

解题步骤 14

计算二阶导数。

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解题步骤 14.1

化简每一项。

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解题步骤 14.1.1

对 $- 2$ 进行 $2$ 次方运算。

$12 \cdot 4 - 16$

解题步骤 14.1.2

将 $12$ 乘以 $4$ 。

$48 - 16$

解题步骤 14.2

从 $48$ 中减去 $16$ 。

$32$

解题步骤 15

因为二阶导数的值为正数，所以 $x = - 2$ 是一个极小值。这被称为二阶导数试验法。

$x = - 2$ 是一个极小值

解题步骤 16

求 $x = - 2$ 时的 y 值。

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解题步骤 16.1

使用表达式中的 $- 2$ 替换变量 $x$ 。

$f (- 2) = {(- 2)}^{4} - 8 {(- 2)}^{2} + 16$

解题步骤 16.2

化简结果。

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解题步骤 16.2.1

化简每一项。

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解题步骤 16.2.1.1

对 $- 2$ 进行 $4$ 次方运算。

$f (- 2) = 16 - 8 {(- 2)}^{2} + 16$

解题步骤 16.2.1.2

对 $- 2$ 进行 $2$ 次方运算。

$f (- 2) = 16 - 8 \cdot 4 + 16$

解题步骤 16.2.1.3

将 $- 8$ 乘以 $4$ 。

$f (- 2) = 16 - 32 + 16$

解题步骤 16.2.2

通过相加和相减进行化简。

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解题步骤 16.2.2.1

从 $16$ 中减去 $32$ 。

$f (- 2) = - 16 + 16$

解题步骤 16.2.2.2

将 $- 16$ 和 $16$ 相加。

$f (- 2) = 0$

解题步骤 16.2.3

最终答案为 $0$ 。

$y = 0$

解题步骤 17

计算在 $x = 2$ 处的二阶导数。如果该二阶导数为正，那么这是一个极小值。如果为负，则为极大值。

$12 {(2)}^{2} - 16$

解题步骤 18

计算二阶导数。

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解题步骤 18.1

化简每一项。

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解题步骤 18.1.1

对 $2$ 进行 $2$ 次方运算。

$12 \cdot 4 - 16$

解题步骤 18.1.2

将 $12$ 乘以 $4$ 。

$48 - 16$

解题步骤 18.2

从 $48$ 中减去 $16$ 。

$32$

解题步骤 19

因为二阶导数的值为正数，所以 $x = 2$ 是一个极小值。这被称为二阶导数试验法。

$x = 2$ 是一个极小值

解题步骤 20

求 $x = 2$ 时的 y 值。

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解题步骤 20.1

使用表达式中的 $2$ 替换变量 $x$ 。

$f (2) = {(2)}^{4} - 8 {(2)}^{2} + 16$

解题步骤 20.2

化简结果。

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解题步骤 20.2.1

化简每一项。

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解题步骤 20.2.1.1

对 $2$ 进行 $4$ 次方运算。

$f (2) = 16 - 8 {(2)}^{2} + 16$

解题步骤 20.2.1.2

对 $2$ 进行 $2$ 次方运算。

$f (2) = 16 - 8 \cdot 4 + 16$

解题步骤 20.2.1.3

将 $- 8$ 乘以 $4$ 。

$f (2) = 16 - 32 + 16$

解题步骤 20.2.2

通过相加和相减进行化简。

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解题步骤 20.2.2.1

从 $16$ 中减去 $32$ 。

$f (2) = - 16 + 16$

解题步骤 20.2.2.2

将 $- 16$ 和 $16$ 相加。

$f (2) = 0$

解题步骤 20.2.3

最终答案为 $0$ 。

$y = 0$

解题步骤 21

这些是 $f (x) = x^{4} - 8 x^{2} + 16$ 的局部极值。

$(0, 16)$ 是一个局部最大值

$(- 2, 0)$ 是一个局部最小值

$(2, 0)$ 是一个局部最小值

解题步骤 22

微积分学 示例

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