Как найти экстремумы функции: точки максимума и минимума

Возрастание и убывание функции на интервале

Функция y=f(x) будет возрастать на интервале x, когда при любых x1∈X и x2∈X , x2>x1неравенство f(x2)>f(x1) будет выполнимо. Иначе говоря, большему значению аргумента соответствует большее значение функции.

Функция y=f(x) считается убывающей на интервале x, когда при любых x1∈X, x2∈X, x2>x1  равенство f(x2)>f(x1) считается выполнимым. Иначе говоря, большему значению функции соответствует меньшее значение аргумента. Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.

Замечание: Когда функция определенная и непрерывная в концах интервала возрастания и убывания, то есть (a;b), где х=а, х=b, точки включены в промежуток возрастания и убывания. Определению это не противоречит, значит, имеет место быть на промежутке x.

Основные свойства элементарных функций типа y=sinx – определенность и непрерывность  при действительных значениях аргументах. Отсюда получаем, что возрастание синуса происходит на интервале -π2; π2, тогда возрастание на отрезке имеет вид -π2; π2.

Точки экстремума, экстремумы функции

Точка х0 называется точкой максимума для функции y=f(x), когда для всех значений x неравенство f(x0)≥f(x) является справедливым. Максимум функции – это значение функции в точке, причем обозначается ymax.

Точка х0 называется точкой минимума для функции y=f(x), когда для всех значений x неравенство f(x0)≤f(x) является справедливым. Минимум функции – это значение функции в точке, причем имеет обозначение вида ymin.

Окрестностями точки х0 считаются точки экстремума, а значение функции, которое соответствует точкам экстремума. Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.

Экстремумы функции с набольшим и с наименьшим значением функции.

Локальный характер экстремумов функции

Из приведённых определений следует, что экстремум функции имеет локальный характер — это наибольшее и наименьшее значение функции по сравнению с близлежайшими значениями.

Предположим, вы рассматриваете свои заработки в отрезке времени протяжённостью в один год. Если в мае вы заработали 45 000 рублей, а в апреле 42 000 рублей и в июне 39 000 рублей, то майский заработок — максимум функции заработка по сравнению с близлежайшими значениями. Но в октябре вы заработали 71 000 рублей, в сентябре 75 000 рублей, а в ноябре 74 000 рублей, поэтому октябрьский заработок — минимум функции заработка по сравнению с близлежашими значениями. И вы легко видите, что максимум среди значений апреля-мая-июня меньше минимума сентября-октября-ноября.

рисунок, на котором показаны экстремумы функции - x2 минимум и x1 максимум

Говоря обобщённо, на промежутке функция может иметь несколько экстремумов, причём может оказаться, что какой-либо минимум функции больше какого-либо максимума. Так, для функции изображённой на рисунке выше, .

То есть не следует думать, что максимум и минимум функции являются, соответственно, её наибольшим и наименьшим значениями на всём рассматриваемом отрезке. В точке максимума функция имеет наибольшее значение лишь по сравнению с теми значениями, которые она имеет во всех точках, достаточно близких к точке максимума, а в точке минимума — наименьшее значение лишь по сравнению с теми значениями, которые она имеет во всех точках, достаточно близких к точке минимума.

Поэтому можно уточнить приведённое выше понятие точек экстремума функции и называть точки минимума точками локального минимума, а точки максимума — точками локального максимума.

Достаточные условия возрастания и убывания функции

Чтобы найти максимумы и минимумы функции, необходимо применять признаки экстремума в том случае, когда функция удовлетворяет этим условиям. Самым часто используемым считается первый признак.

Первое достаточное условие экстремума

Пусть задана функция y=f(x), которая дифференцируема в ε окрестности точки x0, причем имеет непрерывность в заданной точке x0. Отсюда получаем, что

  • когда f'(x)>0 с x∈(x0-ε; x0) и f'(x)<0 при x∈(x0; x0+ε), тогда x0 является точкой максимума;
  • когда f'(x)<0 с x∈(x0-ε; x0) и f'(x)>0 при x∈(x0; x0+ε), тогда x0 является точкой минимума.

Иначе говоря, получим их условия постановки знака:

  • когда функция непрерывна в точке x0, тогда имеет производную с меняющимся знаком, то есть с + на -, значит, точка называется максимумом;
  • когда функция непрерывна в точке x0, тогда имеет производную с меняющимся знаком с — на +, значит, точка называется минимумом.

Второй признак экстремума функции

Если задана функция f'(x0)=0, тогда при ее f»(x0)>0 получаем, что x0 является точкой минимума, если f»(x0)<0, то точкой максимума. Признак связан с нахождением производной в точке x0.

Пример 3

Найти максимумы и минимумы функции y=8xx+1.

Решение

Для начала находим область определения. Получаем, что

D(y): x≥0x≠-1⇔x≥0

Необходимо продифференцировать функцию, после чего получим

y’=8xx+1’=8·x’·(x+1)-x·(x+1)'(x+1)2==8·12x·(x+1)-x·1(x+1)2=4·x+1-2x(x+1)2·x=4·-x+1(x+1)2·x

При х=1 производная становится равной нулю, значит, точка является возможным экстремумом. Для уточнения необходимо найти вторую производную и вычислить значение  при х=1. Получаем:

y»=4·-x+1(x+1)2·x’==4·(-x+1)’·(x+1)2·x-(-x+1)·x+12·x'(x+1)4·x==4·(-1)·(x+1)2·x-(-x+1)·x+12’·x+(x+1)2·x'(x+1)4·x==4·-(x+1)2x-(-x+1)·2x+1(x+1)’x+(x+1)22x(x+1)4·x==-(x+1)2x-(-x+1)·x+1·2x+x+12x(x+1)4·x==2·3×2-6x-1x+13·x3⇒y»(1)=2·3·12-6·1-1(1+1)3·(1)3=2·-48=-1<0

Значит, использовав 2 достаточное условие экстремума, получаем, что х=1 является точкой максимума. Иначе запись имеет вид ymax=y(1)=811+1=4.

Графическое изображение

Ответ:ymax=y(1)=4..

Третье достаточное условие экстремума

Определение 5

Функция y=f(x) имеет ее производную до n-го порядка  в ε окрестности заданной точки x0 и производную до n+1-го порядка в точке x0. Тогда f'(x0)=f»(x0)=f»'(x0)=…=fn(x0)=0.

Отсюда следует, что когда n является четным числом, то x0 считается точкой перегиба, когда n является нечетным числом, то x0 точка экстремума, причем f(n+1)(x0)>0, тогда x0 является точкой минимума, f(n+1)(x0)<0, тогда x0 является точкой максимума.

Пример 4

Найти точки максимума и минимума функции yy=116(x+1)3(x-3)4.

Решение

Исходная функция – целая рациональная, отсюда следует, что область определения – все действительные числа. Необходимо продифференцировать функцию. Получим, что

y’=116x+13′(x-3)4+(x+1)3x-34’==116(3(x+1)2(x-3)4+(x+1)34(x-3)3)==116(x+1)2(x-3)3(3x-9+4x+4)=116(x+1)2(x-3)3(7x-5)

Данная производная обратится в ноль при x1=-1, x2=57, x3=3. То есть точки могут быть точками возможного экстремума. Необходимо применить третье достаточное условие экстремума. Нахождение второй производной позволяет в точности определить наличие максимума и минимума функции. Вычисление второй производной производится в точках ее возможного экстремума. Получаем, что

y»=116x+12(x-3)3(7x-5)’=18(x+1)(x-3)2(21×2-30x-3)y»(-1)=0y»57=-368642401<0y»(3)=0

Значит, что x2=57 является точкой максимума. Применив 3 достаточный признак, получаем, что при n=1 и f(n+1)57<0.

Необходимо определить характер точек x1=-1, x3=3. Для этого необходимо найти третью производную, вычислить значения в этих точках. Получаем, что

y»’=18(x+1)(x-3)2(21×2-30x-3)’==18(x-3)(105×3-225×2-45x+93)y»'(-1)=96≠0y»'(3)=0

Значит, x1=-1 является точкой перегиба функции, так как при n=2 и f(n+1)(-1)≠0. Необходимо исследовать точку x3=3. Для этого находим 4 производную и производим вычисления в этой точке:

y(4)=18(x-3)(105×3-225×2-45x+93)’==12(105×3-405×2+315x+57)y(4)(3)=96>0

Из выше решенного делаем вывод, что x3=3 является точкой минимума функции.

Графическое изображение

Ответ:x2=57 является точкой максимума, x3=3 — точкой минимума заданной функции.

Алгоритм для нахождения точек экстремума

Чтобы верно определить точки максимума и минимума функции, необходимо следовать алгоритму их нахождения:

  • найти область определения;
  • найти производную функции на этой области;
  • определить нули и точки, где функция не существует;
  • определение знака производной на интервалах;
  • выбрать точки, где функция меняет знак.

Рассмотрим алгоритм на примере решения нескольких примеров на нахождение экстремумов функции.

Пример 1

Найти точки максимума и минимума заданной функции y=2(x+1)2x-2.

Решение

Область определения данной функции – это все действительные числа кроме х=2. Для начала найдем производную функции и получим:

y’=2x+12x-2’=2·x+12’·(x-2)-(x+1)2·(x-2)'(x-2)2==2·2·(x+1)·(x+1)’·(x-2)-(x+1)2·1(x-2)2=2·2·(x+1)·(x-2)-(x+2)2(x-2)2==2·(x+1)·(x-5)(x-2)2

Отсюда видим, что нули функции – это х=-1, х=5, х=2, то есть каждую скобку необходимо приравнять к нулю. Отметим на числовой оси и получим:

Теперь определим знаки производной из каждого интервала. Необходимо выбрать точку, входящую в интервал, подставить в выражение. Например, точки х=-2, х=0, х=3, х=6.

Получаем, что

y'(-2)=2·(x+1)·(x-5)(x-2)2x=-2=2·(-2+1)·(-2-5)(-2-2)2=2·716=78>0, значит, интервал -∞; -1 имеет положительную производную. Аналогичным образом получаем, что

y'(0)=2·(0+1)·0-50-22=2·-54=-52<0y'(3)=2·(3+1)·(3-5)(3-2)2=2·-81=-16<0y'(6)=2·(6+1)·(6-5)(6-2)2=2·716=78>0

Так как второй интервал получился меньше нуля, значит, производная на отрезке будет отрицательной. Третий  с минусом, четвертый с плюсом. Для определения непрерывности необходимо обратить внимание на знак производной, если он меняется, тогда это точка экстремума.

Получим, что в точке х=-1 функция будет непрерывна, значит, производная изменит знак с + на -. По первому признаку имеем, что х=-1 является точкой максимума, значит получаем

ymax=y(-1)=2·(x+1)2x-2x=-1=2·(-1+1)2-1-2=0

Точка х=5 указывает на то, что функция является непрерывной, а производная поменяет знак с – на +. Значит, х=-1 является точкой минимума, причем ее нахождение имеет вид

ymin=y(5)=2·(x+1)2x-2x=5=2·(5+1)25-2=24

Графическое изображение

Ответ:ymax=y(-1)=0, ymin=y(5)=24.

Стоит обратить внимание на то, что использование первого достаточного признака экстремума не требует дифференцируемости функции с точке x0, этим и упрощает вычисление.

Нужна помощь преподавателя?Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!Описать задание Пример 2

Найти точки максимума и минимума функции y=16×3=2×2+223x-8.

Решение.

Область определения функции – это все действительные числа. Это можно записать в виде системы уравнений вида:

-16×3-2×2-223x-8, x<016×3-2×2+223x-8, x≥0

После чего необходимо найти производную:

y’=16×3-2×2-223x-8′, x<016×3-2×2+223x-8′, x>0y’=-12×2-4x-223, x<012×2-4x+223, x>0

Точка х=0 не имеет производной, потому как значения односторонних пределов разные. Получим, что:

lim y’x→0-0=lim yx→0-0-12×2-4x-223=-12·(0-0)2-4·(0-0)-223=-223lim y’x→0+0=lim yx→0-012×2-4x+223=12·(0+0)2-4·(0+0)+223=+223

Отсюда следует, что функция непрерывна в точке х=0, тогда вычисляем

lim yx→0-0=limx→0-0-16×3-2×2-223x-8==-16·(0-0)3-2·(0-0)2-223·(0-0)-8=-8lim yx→0+0=limx→0-016×3-2×2+223x-8==16·(0+0)3-2·(0+0)2+223·(0+0)-8=-8y(0)=16×3-2×2+223x-8x=0=16·03-2·02+223·0-8=-8

Необходимо произвести вычисления для нахождения значения аргумента, когда производная становится равной нулю:

-12×2-4x-223, x<0D=(-4)2-4·-12·-223=43×1=4+432·-12=-4-233<0x2=4-432·-12=-4+233<0

12×2-4x+223, x>0D=(-4)2-4·12·223=43×3=4+432·12=4+233>0x4=4-432·12=4-233>0

Все полученные точки нужно отметить на прямой для определения знака каждого интервала. Поэтому необходимо вычислить производную в произвольных точках у каждого интервала. Например, у нас можно взять точки со значениями x=-6, x=-4, x=-1, x=1, x=4, x=6. Получим, что

y'(-6)=-12×2-4x-223x=-6=-12·-62-4·(-6)-223=-43<0y'(-4)=-12×2-4x-223x=-4=-12·(-4)2-4·(-4)-223=23>0y'(-1)=-12×2-4x-223x=-1=-12·(-1)2-4·(-1)-223=236<0y'(1)=12×2-4x+223x=1=12·12-4·1+223=236>0y'(4)=12×2-4x+223x=4=12·42-4·4+223=-23<0y'(6)=12×2-4x+223x=6=12·62-4·6+223=43>0

Изображение на прямой имеет вид

Значит, приходим к тому, что необходимо прибегнуть к первому признаку экстремума. Вычислим и получим, что

x=-4-233, x=0, x=4+233, тогда отсюда точки максимума имеют значениx=-4+233, x=4-233

Перейдем к вычислению минимумов:

ymin=y-4-233=16×3-22+223x-8x=-4-233=-8273ymin=y(0)=16×3-22+223x-8x=0=-8ymin=y4+233=16×3-22+223x-8x=4+233=-8273

Произведем вычисления максимумов функции. Получим, что

ymax=y-4+233=16×3-22+223x-8x=-4+233=8273ymax=y4-233=16×3-22+223x-8x=4-233=8273

Графическое изображение

Ответ:

ymin=y-4-233=-8273ymin=y(0)=-8ymin=y4+233=-8273ymax=y-4+233=8273ymax=y4-233=8273

Пример №1

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 решенияпроизводная меняет знаке Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияпоэтому Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения—точка максимума. При переходе через точку Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияпроизводная меняет знак с Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения поэтому Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения— точка минимума.

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 №2

Исследуйте функцию Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решенияи 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 решениятак 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 №3

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 №4

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 решения
Экстремум 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 решенияпоэтому не может иметь экстремумов.

Ответ. Не существуют.

Пример №5

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

  1. Решение. Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

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

  2. 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:
  5. 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 решенияи Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения
(Убедитесь самостоятельно.)

График функции изображён на рисунке 84.

Экстремум функции - определение и вычисление с примерами решения

Пример №6

Для функции Критические точки и экстремумы функции
определите максимумы и минимумы и схематично изобразите график.

Решение:

Для решения задания сначала надо найти критические точки. Для данной функции этими точками являются точки (стационарные), в которых производная равна нулю.

  • Производная функции: Критические точки и экстремумы функции
  • Критические точки функции: Критические точки и экстремумы функции
  • Точки Критические точки и экстремумы функциии Критические точки и экстремумы функцииразбивают область определения функции на три промежутка.

Проверим знак Критические точки и экстремумы функциина интервалах, выбрав пробные точки:

Критические точки и экстремумы функции
для интервала Критические точки и экстремумы функции

Критические точки и экстремумы функции
для интервала Критические точки и экстремумы функции

Критические точки и экстремумы функции
для интервала Критические точки и экстремумы функции

Интервал Критические точки и экстремумы функции
Пробные точки Критические точки и экстремумы функции

Знак Критические точки и экстремумы функции
Критические точки и экстремумы функции
Возрастание и убывание Критические точки и экстремумы функции

При Критические точки и экстремумы функции
имеем Критические точки и экстремумы функции
. (-1;3) — максимум

При Критические точки и экстремумы функции
имеем Критические точки и экстремумы функции<br>(1;-1) — минимум

  • Используя полученные для функции Критические точки и экстремумы функции
    данные и найдя координаты нескольких дополнительных точек, построим график функции.

Критические точки и экстремумы функции
Критические точки и экстремумы функции

Пример №7

Найдите наибольшее и наименьшее значение функции Критические точки и экстремумы функции
на отрезке [-1;2].

Решение:

Сначала найдем критические точки. Так как Критические точки и экстремумы функции, то критические точки можно найти из уравнения Критические точки и экстремумы функции. Критическая точка Критические точки и экстремумы функции
не принадлежит данному отрезку [-1; 2], и поэтому мы ее не рассматриваем. Вычислим значение заданной функции в точке Критические точки и экстремумы функциии на концах отрезка.

Критические точки и экстремумы функции

Из этих значений наименьшее — 4, наибольшее 12. Таким образом: Критические точки и экстремумы функции

Пример №8

Найдите экстремумы функции Критические точки и экстремумы функции
.

Решение:

  • Производная функции: Критические точки и экстремумы функции
  • Критические точки: Критические точки и экстремумы функции, Критические точки и экстремумы функции
  • Интервалы, на которые критические точки делят область определения функции: Критические точки и экстремумы функции

Проверим знак Критические точки и экстремумы функциина интервалах, выбрав пробные точки.

Для промежутка Критические точки и экстремумы функциивозьмем Критические точки и экстремумы функции

Для промежутка (0; 1,5) возьмем Критические точки и экстремумы функции

Для промежутка Критические точки и экстремумы функциивозьмем Критические точки и экстремумы функции

Интервал Критические точки и экстремумы функции

Пробные точки Критические точки и экстремумы функции

Знак Критические точки и экстремумы функции
Критические точки и экстремумы функции
Возрастание-убывание Критические точки и экстремумы функции

Используя полученную для функции Критические точки и экстремумы функции
информацию и найдя значение функции еще в нескольких точках, можно построить график функции. При этом следует учитывать, что в точках с абсциссами Критические точки и экстремумы функции
и Критические точки и экстремумы функции
касательная к графику горизонтальна. Построение графика можно проверить при помощи графкалькулятора.

Критические точки и экстремумы функции
Критические точки и экстремумы функции

  1. Функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке Критические точки и экстремумы функциивозрастает.
  2. Точка Критические точки и экстремумы функциикритическая точка функции Критические точки и экстремумы функции, но не является экстремумом.
  3. Функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке [0; 1,5] возрастает.
  4. Функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке Критические точки и экстремумы функцииубывает.
  5. Критические точки и экстремумы функции

Пример №9

Найдите экстремумы функции Критические точки и экстремумы функции

Решение:

  • Производная Критические точки и экстремумы функции
  • Критические точки: для этого надо решить уравнение Критические точки и экстремумы функцииили найти точки, в которых производная не существует. В точке Критические точки и экстремумы функциифункция не имеет конечной производной. Однако точка Критические точки и экстремумы функциипринадлежит области определения. Значит, точка Критические точки и экстремумы функцииявляется критической точкой функции.
  • Промежутки, на которые критическая точка делит область определения функции: Критические точки и экстремумы функциии Критические точки и экстремумы функции

Определим знак Критические точки и экстремумы функции, выбрав пробные точки для каждого промежутка:

Для Критические точки и экстремумы функции
возьмем Критические точки и экстремумы функции
Для Критические точки и экстремумы функции
возьмем Критические точки и экстремумы функции

Интервал Критические точки и экстремумы функции
Пробные точки Критические точки и экстремумы функции

Знак Критические точки и экстремумы функции
Критические точки и экстремумы функции

Возрастание-убывание Критические точки и экстремумы функции

  1. Функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке Критические точки и экстремумы функцииубывает.
  2. Функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке Критические точки и экстремумы функциивозрастает.
  3. Критические точки и экстремумы функции

Пример №10

По графику функции производной Критические точки и экстремумы функции
схематично изобразите график самой функции.

Критические точки и экстремумы функции

Решение:

Производная Критические точки и экстремумы функциив точке Критические точки и экстремумы функцииравна нулю, а при Критические точки и экстремумы функцииотрицательна, значит, на интервале Критические точки и экстремумы функциифункция убывающая. При Критические точки и экстремумы функциипроизводная положительна, а это говорит о том, что функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке Критические точки и экстремумы функциивозрастает. Точкой перехода от возрастания к убыванию функции является точка Критические точки и экстремумы функции. Соответствующий график представлен на рисунке.

Критические точки и экстремумы функции

Как найти точку максимума функции?

Глобальный и локальный максимум

Максимум бывает локальным или глобальным. Точка локального максимума — это аргумент, который при подстановке в f(x) даёт значение не меньше, чем в других точках из области около этого аргумента. Для глобального максимума эта область расширяется до всей области допустимых аргументов. Для минимума всё наоборот. Экстремум — это локальное экстремальное — минимальное или максимальное — значение.

Как правило, если математиков интересует глобально самое большое значение f(x), то в интервале, не на всей оси аргументов. Подобные задачи обычно сформулированы фразой «найдите точку максимума функции на отрезке». Здесь подразумевается, что надо выявить аргумент, при котором она не меньше, чем на всём остальном указанном отрезке. Поиск локального экстремума является одним из шагов решения такой задачи.

Дано y = f(x). Требуется определить пик функции на указанном отрезке. f(x) может достигать его в точке:

  • экстремума, если она попадает в указанный отрезок,
  • разрыва,
  • ограничивающей заданный отрезок.

Исследование

Пик f(x) на отрезке или в интервале находится путём исследования данной функции. План исследования для нахождения максимума на отрезке (или интервале):

  1. Как найти точку максимума функции?Найти область допустимых аргументов и пересечения этой области с областью исследования.
  2. Выявить асимптоты. Они равны пределу при стремлении аргумента к точкам разрыва.
  3. Определить первую производную и вычислить экстремальные точки и выяснить поведение функции в окрестности этих точек.
  4. Рассчитать значение f(x) в точках, ограничивающих область исследования.
  5. Сравнить экстремум со значением функции в точках разрыва и на концах интервала. Определить среди них наибольшее.

Теперь подробно разберем каждый шаг и рассмотрим некоторые примеры.

Область допустимых аргументов

Область допустимых аргументов — это те x, при подстановке которых в f(x) она не престаёт существовать.Область допустимых аргументов ещё называют областью определения. Например, y = x^2 определена на всей оси аргументов. А y = 1/x определена для всех аргументов, кроме x = 0.

Найти пересечение области допустимых аргументов и исследуемого отрезка (интервала) требуется для того, чтобы исключить из рассмотрения ту часть интервала, где функция не определена. Например, требуется найти минимум y = 1/x на отрезке от -2 до 2. На самом деле требуется исследовать два полуинтервала от -2 до 0 и от 0 до 2, так как уравнение у = 1/0 не имеет решения.

Асимптоты

Как найти максимумы и минимумы на графике

Асимптота — это такая прямая, к которой функция тянется, но не дотягивается. Если f(x) существует на всей числовой прямой и неразрывна на ней, то вертикальной асимптоты у неё нет. Если же она разрывна, то точка разрыва является вертикальной асимптотой. Для y = 1/x асимптота задаётся уравнением x = 0. Эта функциятянется к нулю по оси аргументов, но дотянется до него, только устремившись в бесконечность.

Если на исследуемом отрезке имеется вертикальная асимптота, около которой функция стремится в бесконечность с плюсом, то пик f(x) на здесь не определяется. А если бы определялся, то аргумент, при котором достигается максимум, совпал бы с точкой пересечения асимптоты и оси аргументов.

Производная и экстремумы

Максимумы и минимумы -точки функций

Производная — это предел изменения функции при стремящемся к нулю изменении аргумента. Что это значит? Возьмём небольшой участок из области допустимых аргументов и посмотрим как изменится здесь f(x), а потом уменьшим этот участок до бесконечно малого размера, в этом случае f(x) станет изменяться так же, как и некая более простая функция, которая именуется производной.

Значение производной в определенной показывает под каким углом проходит касательная к функции в выбранной точке. Отрицательное значение говорит о том, что функция здесь убывает. Аналогично положительная производная говорит о возрастании f(x). Отсюда появляются два условия.

  1. Производная в точке экстремума либо нулевая, либо неопределенная. Это условие необходимое, но недостаточно. Продифференцируем y = x^3, получим уравнение производной: y = 3*x^2. Подставим в последнее уравнение аргумент «0», и производная обратится в нуль. Однако, это не экстремум для y = x^3. У неё не может быть экстремумов, она убывает на всей оси аргументов.
  2. Достаточно, чтобы при пересечении точки экстремума у производной менялся знак. То есть, до максимума f(x) растёт, а после максимума она убывает — производная была положительной, а стала отрицательной.

После того как аргументы для локального максимума были найдены их надо подставить в исходное уравнение и получить максимальное значение f(x).

Концы интервала и сравнение результатов

При поиске максимума на отрезке необходимо проверить значение на концах отрезка. Например, для y = 1/x на отрезке [1; 7] максимум будет в точке x = 1. Даже если внутри отрезка есть локальный максимум, нет никакой гарантии, что значение на одном из концов отрезка не будет больше этого максимума.

Теперь необходимо сравнить значения в точках разрыва (если f(x) здесь не стремится в бесконечность), на концах исследуемого интервала и экстремум функции. Наибольшее из этих значений и будет максимумом функции на заданном участке прямой.

Для задачи с формулировкой «Найдите точку минимума функции» необходимо выбрать наименьшее из локальных минимумов и значений на концах интервала и в точках разрыва.

Оцените статью
Блог про прикладную математику