Как найти экстремум функции на отрезке

Содержание:

Экстремум функции

Функция y=f(x) называется возрастающей (убывающей) в некотором интервале, если при Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Если дифференцируемая функция у = f(x) на отрезке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения возрастает (убывает), то ее производная на этом отрезке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Точка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения называется точкой локального максимума (минимума) функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения если существует окрестность точки Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения для всех точек которой верно неравенство Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияЭкстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Точки максимума и минимума называются точками экстремума, а значения функции в этих точках — ее экстремумами.

Необходимые условия экстремума. Если точка хо является точкой экстремума функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения то либо Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения не существует. Такие точки называют критическими, причем сама функция в критической точке определена. Экстремумы функции следует искать среди ее критических точек. Первое достаточное условие. Пусть Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — критическая точка. Если f'(х) при переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения меняет знак плюс на минус, то в точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения функция имеет максимум, в противном случае — минимум. Если при переходе через критическую точку производная не меняет знак, то в точке хо экстремума нет.

Второе достаточное условие. Пусть функция Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения имеет производную f'(х) в окрестности точки Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и вторую производную Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения в самой точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения. Если Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияЭкстремум функции - определение и вычисление с примерами решения то точка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения является точкой локального минимума (максимума) функции f(x). Если же Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения то нужно либо пользоваться первым достаточным условием, либо привлекать высшие производные.

На отрезке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения функция у = f(x) может достигать наименьшего или наибольшего значения либо в критических точках, либо на концах отрезка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения.

Пример:

Найти экстремумы функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Решение:

Так как Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения то критические точки функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Экстремумы могут быть только в этих точках. Так как при переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения производная меняет знак плюс на минус, то в этой точке функция имеет максимум. При переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения производная меняет знак минус на плюс, поэтому в точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения у функции минимум. Вычислив значения функции в точках Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения найдем экстремумы функции: максимум f(2) = 14 и минимум f(3) =13.

Пример:

Нужно построить прямоугольную площадку возле каменной стены так, чтобы с трех сторон она была отгорожена проволочной сеткой, а четвертой стороной примыкала к стене. Для этого имеется а погонных метров сетки. При каком соотношении сторон площадка будет иметь наибольшую площадь?

Решение:

Обозначим стороны площадки через Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Площадь площадки равна Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Пусть у — это длина стороны, примыкающей к стене. Тогда по условию должно выполняться равенство 2х + у = а. Поэтому Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения (длина и ширина площадки не могут быть отрицательными). Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения откуда Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Поскольку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения— единственная критическая точка, проверим, меняется ли знак производной при переходе через эту точку. При Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения значит, в точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения функция S имеет максимум. Значение функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Поскольку S непрерывна на Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и ее значения на концах Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения равны нулю, то найденное значение будет наибольшим значением функции.

Таким образом, наиболее выгодным соотношением сторон площадки при данных условиях задачи является у = 2х.

Пример:

Требуется изготовить закрытый цилиндрический бак вместимостью Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Каковы должны быть размеры бака (радиус R и высота Н), чтобы на его изготовление пошло наименьшее количество материала?

Решение:

Площадь полной поверхности цилиндра равна Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Мы знаем объем цилиндра Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Значит, Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Находим производную этой функции:Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияследовательно, Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Экстремумы функции

Введём несколько новых понятий. Окрестностью точки Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения называется любой промежуток, для которого Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения является внутренней точкой.

Точка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения называется точкой минимума (максимума) функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения если для всех Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения из некоторой окрестности точки Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения выполняется неравенство Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Точки минимума и максимума обозначают Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения соответственно.

Значение функции в точке минимума называется минимумом функции, а в точке максимума — максимумом функции. Обозначают их: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Точки минимума и максимума функции называют точками экстремума (лат. extremum — край, конец). Значения функции в точках её экстремума — её экстремальные значения, или экстремумы.

Например, для функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения точка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения является точкой максимума (рис. 77). Её максимум: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Для функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения точка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения является точкой минимума (рис. 78). Её минимум: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Функция, график которой изображён на рисунке 75, имеет четыре экстремальные точки: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — точки максимума; Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — точки минимума.

Точка экстремума функции не может принадлежать промежутку, на котором эта функция возрастает или убывает (почему?). Следовательно, те точки, в которых производная функции положительная или отрицательная, не могут быть точками её экстремума. Все остальные точки области определения функции являются её критическими точками. Поэтому точками экстремума функции могут быть только её критические точки. Это — необходимое условие существования экстремума.

Выбрать из критических точек функции точки экстремума позволяет достаточное условие существования экстремума.

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Пусть функция Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения непрерывна на промежутке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — её критическая точка, Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Тогда: точка Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения при переходе через которую в направлении роста аргумента производная меняет знак с «плюса» на «минус», является точкой максимума, а точка, при переходе через которую производная меняет знак с «минуса» на «плюс» — точкой минимума.

Действительно, если производная функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения отрицательная, то при переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения возрастание функции изменяется на убывание (рис. 79). В этом случае Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — точка максимума. Если же при переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения убывание функции изменяется на возрастание, то Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — точка минимума (рис. 80).

Если же производная функции в точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения равна нулю, а слева и справа от Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения производная функции положительная (рис.81) или слева и справа отрицательная, то Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения не является точкой экстремума.

  • Заказать решение задач по высшей математике

Пример №552

Найдите точки экстремума и экстремальные значения функции Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Решение:

 Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Критические точки функции: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения При переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения производная меняет знаке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения поэтому Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения —точка максимума. При переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения производная меняет знак с Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения поэтому Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — точка минимума (рис. 82).

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Нахождение экстремумов функции можно оформлять в виде таблицы, как на с. 176. Особенно это удобно при общем исследовании функции, когда находят не только её экстремумы, но и другие свойства, строят её график.

Чтобы исследовать функцию, можно пользоваться следующей схемой:

  1. найти область определения функции;
  2. исследовать функцию на чётность, нечётность, периодичность;
  3. найти точки пересечения графика функции с осями координат;
  4. исследовать функцию на монотонность, то есть найти промежутки возрастания и убывания функции;
  5. найти точки экстремума и экстремальные значения функции;
  6. найти асимптоты графика функции;
  7. построить график функции.

Пример №553

Исследуйте функцию Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и постройте её график.

Решение:

Область определения функции — все действительные числа, кроме Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Поскольку она не симметрична относительно нуля, то функция не может быть чётной или нечётной. Функция непериодическая.

Уравнение Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения не имеет решений, поэтому график функции не пересекает ось Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Ось Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения он пересекает в точке с ординатой Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Критические точки: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Составим и заполним таблицу.
Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

На промежутках Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения функция возрастает, на промежутках  Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения функция убывает. Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — точка максимума,  Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения —точка минимума, Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения 

Область значений функции: Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

График функции имеет вертикальную асимптоту Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения так как Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

График этой функции изображён на рисунке 83.

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Пример №554

Может ли нечётная функция иметь экстремум в точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения А чётная функция?

Решение:

Нечётная функция не может. Если в окрестности точки Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения функция имеет экстремум, то с одной стороны от нуля она возрастает, а с другой — убывает, или наоборот. А нечётная функция — или только возрастает, или только убывает в окрестности точки Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения Чётная функция может. Например, функция Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Пример №555

Существуют ли такие числа Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения при которых имеет экстремум функция Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Решение:

При любых действительных значениях Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияЭкстремум функции - определение и вычисление с примерами решения В каждой точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияпроизводная данной функции неотрицательная. Функция Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решениявозрастает на Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения поэтому не может иметь экстремумов.

Ответ. Не существуют.

Пример №556

Исследуйте функцию Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и постройте её график.

Решение. Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

2) Функция — нечётная, поскольку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Следовательно, её график симметричен относительно начала координат и достаточно исследовать функцию на промежутке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

3) если Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения — график пересекает оси координат только в точке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

4) Найдём производную функции:

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Очевидно, что Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения для всех х из области определения. Следовательно, функция убывает на каждом из промежутков Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и не имеет максимумов и минимумов.

Для более точного построения вычислим значение функции в нескольких точках:

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

График функции имеет вертикальные асимптоты Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения и Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения (Убедитесь самостоятельно.)

График функции изображён на рисунке 84.

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

  • Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)
  • Скалярное произведение и его свойства
  • Векторное и смешанное произведения векторов
  • Преобразования декартовой системы координат
  • Определитель матрицы
  • Критерий совместности Кронекера-Капелли
  • Формулы Крамера
  • Матричный метод
Источник
Автор статьи

Наталья Игоревна Восковская

Эксперт по предмету «Математика»

Задать вопрос автору статьи

Экстремумы функции

Для того чтобы ввести понятие наибольшего и наименьшего значения функций, вначале познакомимся с таким понятием, как экстремумы функций. Это понятие нам будет необходимо не для самого определения значений таких функций, а для построения схемы нахождения таких промежутков для конкретно заданных функций.

Определение 1

Точка $x’$ входящая в область определения функции называется точкой экстремума, если она либо будет точкой максимума, либо будет точкой минимума для функции $f(x)$.

Определение 2

Точка $x’$ будет называться точкой максимума для введенной функции $f(x)$, если у она имеет такую окрестность, что для всех точек $x$, которые входят в эту окрестность, будет верно $f(x)le f(x'{rm })$.

Логотип baranka

Сдай на права пока
учишься в ВУЗе

Вся теория в удобном приложении. Выбери инструктора и начни заниматься!

Получить скидку 3 000 ₽

Определение 3

Точка $x_0$ будет называться точкой минимума для введенной функции $f(x)$, если она имеет такую окрестность, что для всех точек $x$, которые входят в эту окрестность, будет верно $f(x)ge f(x'{rm })$.

Чтобы полностью разобраться в данном понятии, далее введем понятие критической точки функции.

Определение 4

Точка $x’$ будет называться критической точкой для данной функции $f(x)$, если выполняются два следующих условия:

  1. Точка $x’$ является внутренней точкой для области определения данной функции;
  2. $f’left(x'{rm }right)=0$ или не существует.

Сформулируем без доказательства теоремы о необходимом (теорема 1) и достаточном (теорема 2) условии для существования точки экстремума.

Если $y=f(x)$ имеет экстремум в точке $x_0$, то либо её производная в ней равняется нулю, либо производная в ней не существует.

«Точки экстремума, наибольшее и наименьшее значение на промежутке» 👇

Теорема 2

Пусть точка $x’$ будет критической для $y=f(x)$ и принадлежит интервалу $(a,b)$, причем на каждом интервале $left(a,x'{rm }right) и (x'{rm },b)$ производная $f'(x)$ существует и сохраняет один и тот же знак. В этом случае:

  1. Если в $(a,x'{rm })$ $f’left(xright) >0$, а в $(x'{rm },b)$ $f’left(xright)
  2. Если в $(a,x'{rm })$ $f’left(xright)0$, то $x’$ —будет точкой минимума для этой функции.
  3. Если и в $(a,x'{rm })$, и в $(x'{rm },b)$ производная $имеет один и тот же постоянный знак$, то $x’$ не будет точкой экстремума для этой функции.

На рисунке 1 мы можем наглядно увидеть смысл теоремы 2.

Рисунок 1.

Примеры точек экстремумов вы можете видеть на рисунке 2.

Рисунок 2.

Правило исследования на экстремум

  1. Найти $D(f)$;
  2. Найти $f'(x)$;
  3. Найти точки, где $f’left(xright)=0$;
  4. Найти точки, где $f'(x)$ не будет существовать;
  5. Отметить на координатной прямой $D(f)$ и все найденные в 3 и 4 пункте точки;
  6. Определить знак $f'(x)$ на полученных промежутках;
  7. Используя теорему 2, сделать заключение по поводу всех найденных точек.

Понятие наибольшего и наименьшего значений

Определение 5

Функция $y=f(x)$, которая имеет областью определения множество $X$, имеет наибольшее значение в точке $x’in X$, если выполняется

[fleft(xright)le f(x’)]

Определение 6

Функция $y=f(x)$, которая имеет областью определения множество $X$, имеет наименьшее значение в точке $x’in X$, если выполняется

[fleft(xright)ge f(x’)]

Чтобы найти наименьшее и наибольшее значение заданной функции на каком либо отрезке необходимо произвести следующие действия:

  1. Найти $f'(x)$;
  2. Найти точки, в которых $f’left(xright)=0$;
  3. Найти точки, в которых $f'(x)$ не будет существовать;
  4. Выкинуть из точек, найденных в пунктах 2 и 3 те, которые не лежат в отрезке $[a,b]$;
  5. Вычислить значения в оставшихся точках и на концах $[a,b]$;
  6. Выбрать из этих значений наибольшее и наименьшее.

Примеры задач

Пример 1

Найти наибольшее и наименьшее значения на [0,6]: $fleft(xright)=x^3-3x^2-45x+225$

Решение.

  1. $f’left(xright)=3x^2-6x-45$;
  2. $f’left(xright)=0$;
  3. [3x^2-6x-45=0]
  4. [x^2-2x-15=0]
  5. [x=5, x=-3]
  6. $f'(x)$ существует на всей $D(f)$;
  7. $5in left[0,6right]$;

  8. Значения:

    [fleft(0right)=225] [fleft(5right)=50] [fleft(6right)=63]

  9. Наибольшее значение равняется $225$, наименьшее равняется $50.$

Ответ: $max=225, min=50$.

Пример 2

Найти наибольшее и наименьшее значения на [-1,1]:$fleft(xright)=frac{x^2-4x+4}{x-2}$

Решение.

[fleft(xright)=frac{x^2-4x+4}{x-2}=frac{{(x-2)}^2}{x-2}=x-2, xne 2]

  1. $f’left(xright)=(x-2)’=1$;

    Точек экстремума нет.

  2. Значения:

    [fleft(-1right)=-3] [fleft(1right)=-1]

Ответ: $max=-1, min=-3$.

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

Источник

Алгебра и начала математического анализа, 11 класс

Урок № 16. Экстремумы функции.

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме

1) Определение точек максимума и минимума функции

2) Определение точки экстремума функции

3) Условия достаточные для нахождения точек экстремума функции

Глоссарий по теме

Возрастание функции. Функция y=f(x) возрастает на интервале X, если для любых х1 и х2, из этого промежутка выполняется неравенство . Другими словами – большему значению аргумента соответствует большее значение функции.

Максимум функции. Значение функции в точке максимума называют максимумом функции 

Минимум функции. Значение функции в точке минимума называют минимумом функции 

Производная (функции в точке) — основное понятие дифференциального исчисления, которое характеризует скорость изменения функции (в конкретной точке).

Точка максимума функции. Точку  х0 называют точкой максимума функции y = f(x), если для всех x из ее окрестности справедливо неравенство  .

Точка минимума функции. Точку  х0 называют точкой минимума функции y = f(x), если для всех x из ее окрестности справедливо неравенство  .

Точки экстремума функции. Точки минимума и максимума называют точками экстремума.

Убывание функции. Функция y = f(x) убывает на интервале X, если для любых х1 и х2, из этого промежутка выполняется неравенство . Другими словами – большему значению аргумента соответствует большее значение функции.

Алгоритм исследования функции на монотонность и экстремумы:

1) Найти область определения функции D(f)

2) Найти f’ (x).

3) Найти стационарные (f'(x) = 0) и критические (f'(x) не

существует) точки функции y = f(x).

4) Отметить стационарные и критические точки на числовой

прямой и определить знаки производной на получившихся

промежутках.

5) Сделать выводы о монотонности функции и точках ее

экстремума.

Основная литература:

Колягин Ю.М., Ткачева М.В, Федорова Н.Е. и др., под ред. Жижченко А.Б. Алгебра и начала математического анализа (базовый и профильный уровни) 11 кл. – М.: Просвещение, 2014.

Дополнительная литература:

Орлова Е. А., Севрюков П. Ф., Сидельников В. И., Смоляков А.Н. Тренировочные тестовые задания по алгебре и началам анализа для учащихся 10-х и 11-х классов: учебное пособие – М.: Илекса; Ставрополь: Сервисшкола, 2011.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Точки, в которых происходит изменение характера монотонности функции – это ТОЧКИ ЭКСТРЕМУМА.

  • Точку х = х0 называют точкой минимума функции у = f(х), если у этой точки существует окрестность, для всех точек которой выполняется неравенство f(x) ≥ f(x0).
  • Точку х = х0 называют точкой максимума функции у = f(х), если у этой точки существует окрестность, для всех точек которой выполняется неравенство f(x) ≤ f(x0).

Точки максимума и минимума – точки экстремума.

Функция может иметь неограниченное количество экстремумов.

Критическая точка – это точка, производная в которой равна 0 или не существует.

Важно помнить, что любая точка экстремума является критической точкой, но не всякая критическая является экстремальной.

Алгоритм нахождения максимума/минимума функции на отрезке:

  1. найти экстремальные точки функции, принадлежащие отрезку,
  2. найти значение функции в экстремальных точках из пункта 1 и в концах отрезка,
  3. выбрать из полученных значений максимальное и минимальное.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

№1. Определите промежуток монотонности функции у=х2 -8х +5

Решение: Найдем производную заданной функции: у’=2x-8

2x-8=0

х=4

Определяем знак производной функции и изобразим на рисунке, следовательно, функция возрастает при хϵ (4;+∞); убывает при хϵ (-∞;4)

Ответ: возрастает при хϵ (4;+∞); убывает при хϵ (-∞;4)

№2. Найдите точку минимума функции у= 2х-ln(х+3)+9

Решение: Найдем производную заданной функции:

Найдем нули производной:

х=-2,5

Определим знаки производной функции и изобразим на рисунке поведение функции:

Ответ: -2,5 точка min

№3. Материальная точка движется прямолинейно по закону x(t) = 10t2 − 48t + 15, где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения. Найдите ее скорость (в метрах в секунду) в момент времени t = 3с.

Решение: Если нас интересует движение автомобиля, то, принимая в качестве функции зависимость пройденного расстояния от времени, с помощью производной мы получим зависимость скорости от времени. 

V=х'(t)= 20t – 48. Подставляем вместо t 3c и получаем ответ. V=12 мc

Ответ: V=12 мc

№4. На рисунке изображен график функции. На оси абсцисс отмечены семь точек: x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7. Определите количество целых точек, в которых производная функции отрицательна.

Решение: Производная функции отрицательна на тех интервалах, на которых функция убывает. В данном случае это точки х3,х5,х7. Следовательно, таких точек 3

Ответ: 3

Источник

Определение 1. Точканазываетсяточкоймаксимума
(минимума) функции,
если существует окрестность,
такая, чтодля всех.
Точки максимума и минимума функции
называются ееточками экстремума,
а значения функции в этих точках –экстремумами функции.

Заметим, что точкой экстремума функции
может быть только внутренняя точка
промежутка, в котором функция определена,
поскольку указанные в определении
неравенства должны выполняться в
некоторой окрестности точки
.


–точки
максимума,
– точки минимума функции.

у

О

х

Теорема
1 (необходимое
условие экстремума). Для того чтобы
дифференцируемая функция
имела в точкеэкстремум, необходимо
выполнение условия
.

Доказательство.
Пусть
–
точка экстремума дифференцируемой
функции.
Тогда найдется окрестностьточки,
в которойбудет наибольшим или наименьшим значением
функции.
Поэтому по теореме Ферма.
Теорема доказана.

Определение
2. Точки, в
которых производная равна нулю, называются
стационарными
точками
функции.

Из
доказанной теоремы следует, что точками
экстремума функции могут быть только
стационарные точки и точки, в которых
производная не существует. Такие точки
называют подозрительными на экстремум
или критическими
точками
функции.

Заметим,
что не всякая критическая точка является
точкой экстремума. Например, для функции
критической является стационарная
точка,
так каксуществует для всехх,
.
Но точкане является точкой экстремума этой
функции, так как функция всюду возрастает.

Таким образом, нам
надо найти условия, при которых критическая
точка является точкой экстремума –
достаточные условия экстремума. Есть
два типа таких условий. Одни используют
производную 1-го порядка, другие –
производную 2-го порядка.

Рассмотрим
достаточное условие экстремума,
опирающиеся на 1-ю производную функции.

Предположим,
что функция
непрерывна в окрестностикритической точкии в проколотой окрестностисуществует конечная
производная
,
сохраняющая определенный знак как
слева, так и справа от точки.
Тогда возможны следующие три случая:

1)
приипри,
то естьпри переходе через точкуменяет знак с плюса на минус. В этом
случае, в силу теоремы 3 § 8, функциявозрастает в промежуткеи убывает в промежутке,
поэтому значениеявляется наибольшим в окрестности,
то есть– точка максимума функции.

2)
приипри,
то естьпри переходе через точкуменяет знак с минуса на плюс. Рассуждая
как в 1-ом случае, приходим к выводу, что– точка минимума функции.

3)
При переходе через точку
не меняет знака. Тогда функция либо все
время возрастает, либо все время убывает,
так что в точкеэкстремума нет.

Таким
образом, достаточное условие экстремума
состоит в следующем:

если
производная функции при переходе через
критическую точку
меняет знак, то в этой точке функция
имеет экстремум. При перемене знака с
плюса на минус в точкефункция имеет максимум, с минуса на плюс
– минимум. Если же при переходе через
точкупроизводная знака не меняет, то в этой
точке экстремума нет.

Сформулируем
правило исследования функции на
экстремум. Нужно:

  1. найти область
    определения функции;

  2. найти производную;

  3. найти критические
    точки функции из области определения,
    то есть точки, в которых производная
    равна нулю или не существует;

  4. определить знак
    производной слева и справа от каждой
    из критических точек;

  5. на
    основании достаточного условия
    экстремума сделать выводы относительно
    каждой из критических точек.

Пример
1. Найдем
экстремумы функции
.

Решение.
Область определения
,существует во всех точках области
определения,,,,
– +

0

т.е.
при переходе через критическую точку
производная меняет знак с минуса на
плюс, поэтому–
точка минимума функции,– минимум функции.

Достаточное условие
экстремума функции, опирающееся на 2-ю
производную, формулируется следующим
образом.

Теорема
2. Пусть
и в точкесуществует 2-я производная. Тогда, если,
то–
точка минимума функции, а если,
то–
точка максимума функции.

Доказательство.
Пусть
.
Так какесть производная функции,
то по теореме 4 § 8 функцияв точкевозрастает, т.е. вблизи точкислева,
а справа,
т.е. при переходе через точкупроизводнаяменяет знак с минуса на плюс. Поэтому
по первому достаточному условию
экстремума функции точка−
точка минимума функции.

Если
,
то функцияв точкеубывает, меняя знак с плюса на минус,
поэтому точка−
точка максимума функции. Теорема
доказана.

Замечание.
Доказанная
теорема позволяет исследовать функции
на экстремум только в стационарных
точках, т.е. в точках, в которых первая
производная равна нулю. Вопрос остается
открытым и в том случае, когда вторая
производная равна нулю. В этом случае
нужно либо изучать поведение высших
производных, либо пользоваться правилом,
опирающимся на первую производную.

Пример
2. Найдем
экстремумы функции
.

Решение.
Область определения функции
,существует всюду в,– точка максимума,;– точки минимума,.

Остановимся
теперь на задаче о нахождении наибольшего
и наименьшего значений функции на
отрезке. Пусть функция
непрерывна на отрезке.
Тогда по 2-ой теореме Вейерштрасса она
принимает наи свое наибольшее, и свое наименьшее
значения. Однако в теореме Вейерштрасса
ничего не говорится о том, как искать
эти значения. Ясно, что эти значения
могут достигаться как во внутренних
точка отрезка, так и на его концах. Если
наименьшее (наибольшее) значение функции
достигается во внутренней точке отрезка,
то эта точка обязательно будет точкой
минимума (максимума) функции. А точки
экстремума функции обязательно находятся
в критических точках. Поэтому достаточно
сравнить значения функции на концах
отрезка и в критических точках, не
исследуя эти точки на экстремум.

Таким образом,
правило нахождения наибольшего и
наименьшего значений функции на отрезке
состоит в следующем. Нужно:

  1. найти производную
    данной функции;

  2. найти критические
    точки, принадлежащие данному отрезку;

  3. вычислить значения
    функции в найденных точках и на концах
    отрезка;

  4. из всех найденных
    значений функции выбрать наибольшее
    и наименьшее.

Пример
3. Найдем
наибольшее и наименьшее значения функции
на отрезке.

Решение.
Имеем
.
Из найденных стационарных точек функции
только.
Других критических точек нет, так как
производная определена всюду. Находим,,.
Видим, что,.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
Источник

§5. Экстремум функции. Монотонные функции. Наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке

Пусть функция `y=f(x)` определена на некотором интервале, содержащем точку `ainR`. Точка `a` называется точкой локального максимума функции `f`, если существует `epsilon` — окрестность точки `a` что для любого `x!=a` из этой окрестности `f(x)<f(a)`.

Если выполнено неравенство  `f(x)>f(a)`, то `a` называется точкой локального минимума функции `f`.

Точки локального максимума и локального минимума называют точками локального экстремума.

Если точка `a` является точкой локального экстремума функции `y=f(x)` и функция `f` имеет производную в этой точке, то `f^'(a)=0`.

Физический смысл: при одномерном движении с возвращением в точке максимального удаления должна быть остановка. Геометрический смысл: касательная в точке локального экстремума горизонтальна.

Из теоремы Ферма следует, что если функция имеет экстремум в точке `a`, то в этой точке производная функции либо равна нулю, либо не существует. Например, функция `y=|x|` имеет минимум в точке `x=0`, а производная в этой точке не существует (см. пример 4.2). Точки, в которых функция определена, а производная равна нулю или не существует, будем называть критическими.

Итак, если у функции имеются точки экстремума, то они лежат среди критических точек (критические точки «подозрительны» на экстремум). Для формулировки условий, обеспечивающих наличие экстремума в критической точке, нам потребуется следующее понятие.

Напомним, что под промежутком понимается интервал (конечный или бесконечный), полуинтервал или отрезок числовой прямой.

Пусть функция `y=f(x)` определена на промежутке `I`.

1) Функция `y=f(x)` возрастает на `I`, если для любых `x,yinI`, `x<y`, выполняется `f(x)<f(y)`.

2) Функция `y=f(x)` убывает на `I`, если для любых `x,yinI`, `x<y`, выполняется `f(x)>f(y)`.

Если функция возрастает или убывает на `I`, то говорят, что функция монотонна на промежутке `I`.

Условия монотонности. Пусть функция `y=f(x)` определена на промежутке `I` с концами `a`, `b`, дифференцируема на `(a, b)` и непрерывна в концах, если они принадлежат `I`. Тогда

1) если `f^'(x)>0` на `(a, b)`, то функция возрастает на `I`;

2) если `f^'(x)<0` на `(a, b)`, то функция убывает на `I`.

Условия экстремума. Пусть функция `y=f(x)` определена на интервале `(ab)`, непрерывна в точке `x_0 in(a, b)` и дифференцируема на `(a,x_0) uu (x_0,b)`. Тогда

1) если `f^'(x)>0` на `(a;x_0)` и `f^'(x)<0` на `(x_0;b)`, то `x_0` — точка локального максимума функции `f`;

2) если `f^'(x)<0` на `(a;x_0)` и `f^'(x)>0` на `(x_0;b)`, то `x_0` — точка локального минимума функции `f`.

Исследовать функцию `y=x^3-3x` на монотонность и экстремумы на области определения.

Данная функция определена на `R` и дифференцируема в каждой точке (см. следствие теоремы 4.2), причём `y^’=3(x^2-1)`. Так как `y^'<0` при `x in(-1,1)`; `y^’>0` при `x in(-oo,-1)uu(1,+oo)`, то функция возрастает на лучах `(-oo,-1]` и `[1,+oo)` (на каждом из двух лучей в отдельности, но не на их объединении!), убывает на отрезке `[-1,1]`. По условию экстремума `x=-1` — точка локального максимума, а `x=1` — точка локального минимума. Так как `y^’=0` только в точках `x=1` и `x=-1`, то по теореме Ферма других точек экстремума у функции нет.

Рассмотрим важный класс задач, в которых используется понятие производной – задачи нахождения наибольшего и наименьшего значения функции на отрезке.

Найти наибольшее и наименьшее значение функции `y=x^3-3x` на отрезке: а) `[-2;0]`; б) `[1;3]`.

а) Из примера 5.1 следует, что функция возрастает на `(-oo,-1]` и убывает на `[-1,1]`. Так что `y(-1)>=y(x)` при всех `x in[-2;0]` и `y_»наиб»=y(-1)=2` — наибольшее значение функции на отрезке `[-2;0]`. Чтобы найти наименьшее значение, нужно сравнить значения функции на концах отрезка. Поскольку `y(-2)=-2`, а `y(0)=0`, то `y_»наим»=-2` — наименьшее значение функции на отрезке `[-2;0]`.

б) Так как на луче  `[1,+oo)` функция возрастает, то `y(1)<=y(x)<=y(3)` для всех `x in[1;3]`, поэтому `y_»наим»=y(1)=-2`, `y_»наиб»=y(3)=18`. 

Отметим, что непрерывная на отрезке функция всегда имеет наибольшее и наименьшее значение.

Найти наибольшее и наименьшее значение функции `y=x^3-12|x+1|` на отрезке `[-4;3]`.

Отметим, что функция  непрерывна на всей числовой прямой. Обозначим  `f_1(x)=x^3+12(x+1)`, `f_2(x)=x^3-12(x+1)`. Тогда `y=f_1(x)` при `-4<=x<=-1` и `y=f_2(x)` при `-1<=x<=3`. Находим `f_1^'(x)=3x^2+12`, `f_2^'(x)=3x^2-12`. Уравнение `f_1^'(x)=0` не имеет действительных корней, а уравнение `f_2^'(x)=0` имеет два действительных корня  `x_1=-2`, `x_2=2`, из которых интервалу `(-1;3)` принадлежит только точка `x_2`. В точке `x=-1` функция  определена, но не имеет производной (можно, например, провести рассуждения, аналогичные рассуждениям примера 4.2). Итак, имеется две критические точки: `x=-1` и `x=2`. Производная `y^'(x)=f_1^'(x)>0` на `(-4;-1)`, `y^'(x)=f_2^'(x)<0`  на `(-1;2)` и `y^'(x)=f_2^'(x)>0` на `(2;3)`. Запишем все исследования в таблице:

`x` `x=-4` `(-4;-1)` `x=-1` `(-1;2)` `x=2` `(2;3)` `x=3`
`y^’` `+`

не сущ.

 `-`

`0`

 `+`
`y` `-100`

возр.

`-1` макс.

убыв.

`-28` мин.

возр.

 `-21`

`y_»наиб»=-1`;  `y_»наим»=-100`.

Источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями:

Не пропустите также:

  • Как найти фазу что за прибор
  • Как найти угол между векторами пирамиды
  • Как найти воздух химия
  • Как найти среднечасовая выработка одного рабочего
  • Как найти наибольший файл на диске

    • 0 0 голоса
    Рейтинг статьи
    Подписаться
    Уведомить о
    guest

    0 комментариев
    Старые
    Новые Популярные
    Межтекстовые Отзывы
    Посмотреть все комментарии