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第一章:函數零點問題● 隱零點問題

導讀以下例題展示了隱零點代換的概念:已知函數$f(x) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1$,求其最小值。首先構造輔助函數$g(x) = (x-1)^3$。通過求導得到$g';(x) = 3(x-1)^2$。當$g';(x) = 0$時,得到$x = 1$為$g(x)$的極值點,此時$g(x)$的極小值為$g(1) = 0$。但$g(x)$與原函數$f(x)$的關系尚未建立。于是我們構造另一個函數$h(x) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1$,同樣求其導數$h';(x) = 3x^2 - 6x + 3$。假設$h';(x) = 0$時,得到$x = 1$為$h(x)$的極值點。

隱零點問題在函數零點分析中占有重要地位。所謂隱零點,指的是在函數極值分析過程中,通過導數求解零點,這些零點為原函數的極值點。當我們將導函數的零點代入原函數,以優化分析步驟時,即稱為隱零點操作。以下例題展示了隱零點代換的概念:已知函數$f(x) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1$,求其最小值。我們首先構造輔助函數$g(x) = (x-1)^3$。通過求導得到$g'(x) = 3(x-1)^2$。當$g'(x) = 0$時,得到$x = 1$為$g(x)$的極值點,此時$g(x)$的極小值為$g(1) = 0$。但$g(x)$與原函數$f(x)$的關系尚未建立。于是我們構造另一個函數$h(x) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1$,同樣求其導數$h'(x) = 3x^2 - 6x + 3$。假設$h'(x) = 0$時,得到$x = 1$為$h(x)$的極值點。我們注意到$g(x)$與$h(x)$的最小值點均為$x = 1$。通過觀察發現,$g(x)$的構造基于原函數$f(x)$中$x = 1$的特性。為將$g(x)$與$h(x)$關聯起來,我們嘗試將$g(x)$中的參數代入$h(x)$,即利用隱零點代換。在$h(x)$中,我們嘗試將$g(x)$中的$x = 1$代入,得到$h(1) = 0$。進一步分析$h(x)$的導數$h'(x) = 3x^2 - 6x + 3$,假設$h'(x) = 0$時,我們利用隱零點代換消去$g(x)$的參數,得到$h(x)$的極值與$g(x)$一致。接下來,我們將$g(x)$與$h(x)$的關系代回原函數$f(x)$,求其最小值。利用隱零點代換,我們從$h(x) = 0$得到$f(x) = 0$。因此,$f(x)$的最小值為$0$。對于等價命題:求$f(x)$的最小值,通過變形得到:根據$f(x) = (x-1)^3 - 1$,兩邊同除以$(x-1)^3$得$\frac{f(x)}{(x-1)^3} = -1$,作平移變換得$\frac{f(x)}{(x-1)^3} + 1 = 0$,即$f(x) = - (x-1)^3$。因此,$f(x)$的最小值為$0$。等價命題的取等點為$x = 1$,對應$f(x)$的值約為$0$。通過隱零點代換操作,成功找到了原函數與輔助函數之間的關系,進而解決了最小值問題。

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