有 $N$ 个零点的函数,一定至少有 $N-1$ 个驻点吗?

一、前言 前言 - 荒原之梦

根据罗尔定理可知,如果函数 $f(x)$ 满足在闭区间 $[\textcolor{#3C78D8}{a}, \textcolor{#3C78D8}{b}]$ 上连续;在开区间 $(\textcolor{#3C78D8}{a}, \textcolor{#3C78D8}{b})$ 内可微分;在区间端点处的函数值相等,即 $f(\textcolor{#3C78D8}{a}) = f(\textcolor{#3C78D8}{b})$, 则至少有一个点 $\textcolor{#FFD966}{\xi} \in (\textcolor{#3C78D8}{a}, \textcolor{#3C78D8}{b})$, 使得 $f^{\prime}(\textcolor{#FFD966}{\xi}) = 0$, 也就是说,$\textcolor{#FFD966}{\xi}$ 就是函数 $f(x)$ 的一个驻点。

那么,如果,$f(\textcolor{#3C78D8}{a}) = f(\textcolor{#3C78D8}{b}) = 0$, 也就是函数 $f(x)$ 与坐标轴的 $X$ 轴存在两个交点 $\textcolor{#3C78D8}{a}$ 和 $\textcolor{#3C78D8}{b}$ 的时候,是否就意味着在区间 $(\textcolor{#3C78D8}{a}, \textcolor{#3C78D8}{b})$ 上一定会存在至少一个函数 $f(x)$ 的驻点呢?

在本文中,「荒原之梦考研数学」将为同学们深入图解这一问题。

二、正文 正文 - 荒原之梦

虽然在一些常见的函数上,零点和驻点总是相伴存在,但是,严格地说,零点和驻点之间并不存在绝对的联系。

零点之间存在驻点

有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 01.
图 01.

如果在零点之间,函数的连续性和可微性都满足罗尔定理,那么,零点之间就会存在至少一个驻点,如下面的图 02 和图 03 所示:

有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 02.
图 02. 函数 $y = \cos x$ 在区间 $[-3.9, 3.9]$ 上的函数图像,可以看到,在两个零点 $\textcolor{#3C78D8}{a}$ 和 $\textcolor{#3C78D8}{b}$ 之间,存在一个零点 $\textcolor{#FFD966}{x_{1}}$.
有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 03.
图 03. 函数 $y = x \sin x + 1$ 在区间 $[-3.9, 3.9]$ 上的函数图像,可以看到,在两个零点 $\textcolor{#3C78D8}{a}$ 和 $\textcolor{#3C78D8}{b}$ 之间,存在三个零点 $\textcolor{#FFD966}{x_{1}}$, $\textcolor{#FFD966}{x_{2}}$, $\textcolor{#FFD966}{x_{3}}$.

有零点但无驻点

有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 04.
图 04.

如果在零点之间,函数满足连续性,但不满足可微性,则零点之间一般不存在驻点,如图 05 所示:

有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 05.
图 05. 函数 $y$ $=$ $\begin{cases} \ \ \ x+3, & x \in (-\infty, -2] \\ -0.25x+0.5, & x \in (-2, 0] \\
\ \ \ 0.25x+0.5, & x \in (0, 2] \\ -x+3, & x \in (2, +\infty) \end{cases}$ 在区间 $[-3.9, 3.9]$ 上的函数图像,可以看到,在两个零点 $\textcolor{#3C78D8}{a}$ 和 $\textcolor{#3C78D8}{b}$ 之间,并不存在驻点,其中 $\textcolor{#CC0000}{\alpha_{1}}$, $\textcolor{#CC0000}{\alpha_{2}}$ 和 $\textcolor{#CC0000}{\alpha_{3}}$ 这三个点只是该函数的极值点,而非驻点.
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有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 06.
图 06.

而如果在零点之间,函数的连续性和可微性都不满足,则零点之间一般也不存在驻点,如图 07 所示:

有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 07.
图 07. 函数 $y$ $=$ $\begin{cases} x+3, & x \in (-\infty, -2] \\ x+1, & x \in (-2, 0] \\ x-1, & x \in (0, 2] \\ x-3, & x \in (2, +\infty) \end{cases}$ 在区间 $[-3.9, 3.9]$ 上的函数图像,可以看到,在零点 $\textcolor{#3C78D8}{a}$, $\textcolor{#3C78D8}{b}$, $\textcolor{#3C78D8}{c}$, $\textcolor{#3C78D8}{d}$ 之间并不存在任何驻点.

有驻点但无零点

图 08.

当然,零点和驻点之间比不是必然相互依存的关系,在没有零点的情况下,函数也可能存在驻点,如图 09 所示:

有 N 个零点的函数,一定至少有 N-1 个驻点吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 08.
图 09. 函数 $y = |\cos x| + 1$ 在区间 $[-3.9, 3.9]$ 上的函数图像,可以看到,存在三个驻点 $\textcolor{#FFD966}{x_{1}}$, $\textcolor{#FFD966}{x_{2}}$ 和 $\textcolor{#FFD966}{x_{3}}$ 以及两个极小值点 $\textcolor{#CC0000}{\alpha_{1}}$ 和 $\textcolor{#CC0000}{\alpha_{2}}$, 但是不存在任何零点.

荒原之梦考研数学思维导图
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