三次方根：从一至八百万 第50章 ln（以e为底）的最小值与最大值

一、自然对数函数ln(x)概述

1.1 自然对数函数的定义，自然对数函数ln(x)，是以常数e为底数。的对数函数，记作lnN（N＞0），在物理学、生物学等，自然科学中意义重大。数学表达式为，其中e是一个无理数，约等于2.。

在数学中，ln(x)常以logx表示。自然对数函数，的底数e有着，独特的性质，的导数与自身相等，这种特性使得，自然对数在微积分、指数增长等，领域有着广泛的应用。

1.2 自然对数函数的历史，背景对数的概念源于，简化复杂运算的需求，在16、17世纪之交，随着各学科的发展应运而生。苏格兰数学家，约翰·纳皮尔，在研究天文学时，为简化计算发明了对数。

自然对数的出现与数学分析的发展紧密相连，以指数函数反函数的形式被研究。恩格斯将对数的发明与解析几何的创始、微积分的建立并称为17世纪数学的三大成就，其重要性不言而喻。

二、自然对数函数ln(x)的定义域和值域

2.1 自然对数函数的定义域自然对数函数ln(x)的定义域为x ＞ 0。原因在于，对数函数是指数函数的反函数，当底数e ＞ 1时，指数函数的值域是y ＞ 0。根据反函数定义，指数函数的值域成为其对数函数的定义域，即ln(x)的定义域为x ＞ 0。倘若x≤0，则无对应的正数与其对应，无法构成对数关系，故ln(x)的定义域只能是x ＞ 0。

2.2 自然对数函数的值域自然对数函数ln(x)的值域为全体实数，但不包括负实数。由于x ＞ 0，的值域是y ＞ 0，而ln(x)是的反函数，所以ln(x)的值域为全体实数。对于负实数而言，没有正数的x能使等于负实数，即不存在ln(-a)(a ＞ 0)。故ln(x)的值域包含全体实数，却不包括负实数。

三、自然对数函数ln(x)的图像特征和单调性

3.1 自然对数函数的图像特征自然对数函数ln(x)的图像是一条连续且光滑的曲线。它从第二象限的某一点出发，随着x的增大而逐渐上升，并趋近于x轴的正半轴。图像关于原点不对称，且存在一条重要的渐近线，即y轴。当x趋近于0时，ln(x)的函数值趋近于负无穷大；当x趋近于正无穷大时，ln(x)的函数值也趋近于正无穷大，但增长相对缓慢。图像在(0, ∞)区间内呈现出独特的递增趋势，这是其自然对数函数的重要特征之一。

3.2 自然对数函数的单调性自然对数函数ln(x)在(0, ∞)区间内是单调递增的。证明方法有多种，其中一种是利用导数。求ln(x)的导数，得。由于x＞0，所以，即ln(x)＞0。根据导数判断函数单调性的方法，当导数为正时，函数单调递增。因此，ln(x)在(0, ∞)区间内是单调递增的。这也意味着，随着x的增大，ln(x)的函数值也随之增大，不会出现减小的趋势。

四、自然对数函数ln(x)的导数与极值判断

4.1 自然对数函数的导数对自然对数函数求导，可得出其导数为。具体计算过程为，根据导数的定义，。利用对数性质，可将分子变形为，再结合的导数性质及极限知识，最终得到。

4.2 利用导数判断函数的极值由可知，当时，，即。这表明自然对数函数在区间内是单调递增的。由于在其定义域内处处可导，且导数恒为正，根据极值点的判断条件，函数在定义域内不存在极值点。也就是说，随着的增大而持续增大，没有出现先增后减或先减后增的极值情况。

五、自然对数函数ln(x)在定义域边界处的行为

5.1 当x趋近于0时ln(x)的极限当x趋近于0时，ln(x)的极限是负无穷大。可以利用等价无穷小进行证明，当x趋近于0时，ln(1 x)~x，即ln(1 x)与x是等价无穷小。那么当x趋近于0时，ln(x)=ln[1 (x-1)]=ln[1 (x-1)]\/(x-1)x(x-1)，由于ln[1 (x-1)]\/(x-1)的极限为1，而x-1趋近于-1，所以ln(x)的极限为负无穷大。这也解释了ln(x)的图像在x趋近于0时会无限接近y轴，且函数值迅速减小至负无穷。

5.2 当x趋近于 ∞时ln(x)的极限当x趋近于 ∞时，ln(x)的极限是正无穷大。从图像上看，ln(x)的曲线随着x的增大不断上升，且增长速度虽缓慢但持续。从数学原理上分析，因为e^x是增函数，且增长速度极快，当x趋近于 ∞时，e^x也趋近于 ∞。而ln(x)是e^x的反函数，所以当e^x趋近于 ∞时，对应的x值也趋近于 ∞，即ln(x)的极限为正无穷大。这表明ln(x)的值会随着x的增大而无限增大，没有上限。

六、证明自然对数函数ln(x)没有最小值和最大值

6.1 利用导数证明ln(x)没有极值自然对数函数ln(x)的导数为。在定义域内，即，这表明ln(x)单调递增。若函数有极值，极值点处导数需为零或不存在，而在定义域内恒为正，无零点和不可导点。故ln(x)不存在极值，函数值随x增大而持续增大或减小，没有极值出现。

6.2 反证法证明ln(x)无最小值和最大值假设ln(x)存在最小值，则必有，使得。由于ln(x)单调递增，当时，这与是最小值矛盾。故ln(x)不存在最小值和最大值。