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练习

第5讲 微分应用(Appl. of Differentiation) · 练习

判定闭区间极值并验证中值定理,计算泰勒近似与洛必达极限,再检查价格和收益率函数的导数分析。

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1. 极值判定#

求函数(f(x)=x3−6x2+9x+2)( f(x) = x^3 - 6x^2 + 9x + 2 ) 在区间([−1,5])([-1,5])上的所有极值点,并指明是极大值还是极小值。


2. 中值定理验证#

验证函数 (f(x)=ln⁡(x))( f(x) = \ln(x) )在区间([1,e])([1, e])上是否满足中值定理条件。若满足,求出对应的c值。


3. 泰勒展开#

将函数 (f(x)=x)在(x=1)( f(x) = \sqrt{x} ) 在 ( x=1 ) 处展开为3阶泰勒多项式,并估计 (1.2)( \sqrt{1.2} )的近似值。


4. 洛必达法则应用#

计算极限:

lim⁡x→0e2x−1−2xx2\lim_{x→0} \frac{e^{2x} - 1 - 2x}{x^2}


5. 金融应用分析#

某期权价格函数为(C(S)=S2−10S+25)( C(S) = S^2 - 10S + 25 ),其中S为标的资产价格:

  • (a) 求该期权的内在价值最低点

  • (b) 分析价格曲线的凹凸性


6. 综合应用题#

某投资组合的日收益率函数为(R(t)=0.1t3−1.8t2+5.4t)( R(t) = 0.1t^3 - 1.8t^2 + 5.4t )(t∈[0,6]t∈[0,6]表示时间):

  • (a) 求最大收益率出现的时间

  • (b) 分析第3日是否为拐点

  • (c) 预测第7日收益率(使用3阶泰勒展开,以t=6为展开点)


查看参考答案

1. 极值判定#

步骤:

  1. 求导:(f′(x)=3x2−12x+9=3(x−1)(x−3))( f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 = 3(x-1)(x-3) )

  2. 临界点:x=1, x=3

  3. 二阶导数测试:

    • (f′′(x)=6x−12)( f''(x) = 6x - 12 )

    • f′′(1)=−6<0f''(1) = -6 < 0 → 局部极大值 (f(1)=6)( f(1)=6 )

    • f′′(3)=6>0f''(3)=6 > 0 → 局部极小值 (f(3)=2)( f(3)=2 )

  4. 端点比较:

    • f(−1)=−14,f(5)=22f(-1)=-14, f(5)=22

结论:

全局最大值22(x=5),全局最小值-14(x=-1)


2. 中值定理验证#

验证:

  1. 连续性:lnx在[1,e]连续 ✅

  2. 可导性:在(1,e)可导 ✅ 计算c值:

    f(e)−f(1)e−1=1−0e−1=1e−1\frac{f(e)-f(1)}{e-1} = \frac{1-0}{e-1} = \frac{1}{e-1}令 (f′(c)=1c=1e−1)( f'(c)=\frac{1}{c} = \frac{1}{e-1} ) 解得 (c=e−1)∈(1,e)( c = e-1 ) ∈ (1,e)


3. 泰勒展开#

展开过程:

  1. 计算导数:

    • (f(1)=1)( f(1)=1 )

    • (f′(1)=12)( f'(1)=\frac{1}{2} )

    • (f′′(1)=−14)( f''(1)=-\frac{1}{4} )

    • (f′′′(1)=38)( f'''(1)=\frac{3}{8} )

  2. 三阶展开式:

    T3(x)=1+12(x−1)−18(x−1)2+116(x−1)3T_3(x)=1+\frac{1}{2}(x-1)-\frac{1}{8}(x-1)^2+\frac{1}{16}(x-1)^3

  3. 近似计算:

    1.2≈T3(1.2)=1.0955(真实值≈1.0954)\sqrt{1.2} ≈ T_3(1.2)=1.0955 \quad (真实值≈1.0954)


4. 洛必达法则应用#

计算过程:

连续应用两次法则:

  1. 第一次应用:

    lim⁡x→02e2x−22x\lim_{x→0}\frac{2e^{2x}-2}{2x}

  2. 第二次应用:

    lim⁡x→04e2x2=2\lim_{x→0}\frac{4e^{2x}}{2}=2


5. 金融应用分析#

(a) 内在价值最低点:

  1. 求导:(C′(S)=2S−10)( C'(S)=2S-10 )

  2. 临界点:S=5

  3. 验证:(C′′(5)=2>0)( C''(5)=2>0 )→ 最小值点 最低价值 (C(5)=0)( C(5)=0 )

(b) 凹凸性分析:

由于(C′′(S)=2>0)( C''(S)=2>0 ),整个定义域上为凸函数(下凸)


6. 综合应用题#

(a) 最大收益率时间:

  1. 求导:(R′(t)=0.3t2−3.6t+5.4)( R'(t)=0.3t^2-3.6t+5.4 )

  2. 解方程得临界点:t=6±32t=6\pm3\sqrt{2},其中只有 t=6−32≈1.757t=6-3\sqrt{2}\approx1.757 位于 [0,6][0,6]

  3. 比较值:

    • R(0)=0R(0)=0

    • R(6−32)=10.8(2−1)≈4.474R(6-3\sqrt2)=10.8(\sqrt2-1)\approx4.474

    • R(6)=−10.8R(6)=-10.8 ⇒ 最大收益率在 t=6−32≈1.757t=6-3\sqrt2\approx1.757 日

(b) 拐点分析:

  1. 二阶导数:(R′′(t)=0.6t−3.6)( R''(t)=0.6t-3.6 )

  2. 令 (R′′(t)=0)( R''(t)=0 )→ t=6 但t=6在区间端点,不是拐点

(c) 泰勒预测: 以t=6为展开点:

T3(t)=−10.8−5.4(t−6)+0.1(t−6)3T_3(t)=-10.8-5.4(t-6)+0.1(t-6)^3

因为 RR 本身是三次多项式,三阶泰勒展开与原函数完全相同,所以 R(7)=−16.1R(7)=-16.1。

完成练习后,自评一次

建议先独立作答,再展开参考答案进行核对。