Экстремумы функции как найти алгоритм

Алгоритм нахождения экстремумов функции и интервалов ее монотонности с помощью первой производной

1. Найти область определения функции и интервалы, на которых функция непрерывна.

2. Найти производную функции f ‘(x).

3. Найти критические точки функции y = f (x), т.е. точки, принадлежащие области определения функции, в которых производная f ‘(x) обращается в нуль или не существует.

4. Исследовать характер изменения функции f (x) и знак производной f ‘(x) в промежутках, на которые найденные критические точки делят область определения функции y = f (x).

5. Относительно каждой критической точки определить, является ли она точкой максимума, минимума или не является точкой экстремума.

Помни: критическая точка x₀ есть точка минимума, если она отделяет промежуток, в котором f ‘(x)f ‘(x)0, и точка максимума — в противном случае. Если же в соседних промежутках, разделенных критической точкой x₀, знак производной не меняется, то в точке x₀ функция экстремума не имеет.

6. Вычислить значения функции в точках экстремума.

7. Записать результат исследования функции: промежутки монотонности и экстремумы.

____________________________________________________________________________

Пример 1. Исследовать на экстремум функцию f(x) = x³–3x² и найти ее промежутки монотонности.

Решение:

1) Функция определена для всех R. Найдем производную: f ‘(x)=3x²–6x.

2) Из уравнения 3x²–6x = 3x(x–2) = 0 получим критические точки функции x₁=0 и x₂=2.

3) Так как при переходе через точку x₁=0 производная меняет знак с плюса на минус, то в этой точке функция имеет максимум.

4) При переходе через точку x₂ =2 производная меняет знак с минуса на плюс, поэтому в точке x₂ = 2 у функции минимум.

5) Составим таблицу:

x	(;0]	0	[0; 2]	2	[2; +)
f ‘(x)	+	0	–	0	+
f (x)	↑	fmax(0) = 0	↓	fmin(2) = – 4	↑

6) Таким образом, данная функция в промежутке отx 0 возрастает, в промежутке от 0 x 2 убывает, а в промежутке от 2 x опять возрастает.

Ответ: (0; 0) – точка максимума, (2; -4) – точка минимума;

функция возрастает (;0] и [2; +), функция убывает [0; 2].

Пример 2. Исследовать на экстремум функцию f(x) = и найти ее промежутки монотонности.

Решение:

1) Функция определена для всех R, кроме

2) Найдем производную: f ‘(x)= .

3) Заметим, что производная не обращается в ноль и отрицательна для всех R, кроме . Значит, точек экстремума нет, и функция является убывающей на всей области определения.

4) Таким образом, данная функция убывает на промежутках:

x x2 и 2x + .

Ответ: точек экстремума нет; функция убывает (;-2) , (-2; 2) и (2; +).

Пример 3. Исследовать на экстремум функцию f(x) = и найти ее промежутки монотонности.

Решение:

1) Функция определена если , т.е. на интервалах (-; -3) и (3; +).

2) На каждом из этих интервалов функция имеет производную .

3) Заметим, что производная не обращается в ноль на интервалах (-; -3) и (3; +), значит, точек экстремума нет.

4) Так как для любых x 3 и для x ; -3) и возрастает на промежутке (3; +). Функция не определена на отрезке [-3; 3].

Ответ: точек экстремума нет; функция убывает (-; -3), возрастает (3; +).

Пример 4. Исследовать на экстремум функцию f(x) = и найти ее промежутки монотонности.

1) Функция определена, если , т.е. на промежутке [-5; 5].

2) Найдем производную функции .

3) при х = 0, значит 0 – критическая точка.

4) Так как при переходе через точку x =0 производная меняет знак с плюса на минус, то в этой точке функция имеет максимум.

5) Таким образом, данная функция в промежутке от -5 x 0 возрастает, в промежутке от 0 x 5 убывает.

Ответ: (0; 5) – точка максимума; функция возрастает [-5;0] и функция убывает [0; 5].

Приложение

Схематическое изображение графиков функций, рассмотренных в примерах 1-4.

Пример 1. Пример 2.

Пример 3.

Пример 4.

п.1. Алгоритм решения задач на поиск экстремума

Точка максимума (x=5, f_{max}=5cdot (10-5)=25)
Т.е., 10 нужно разбить на две пятерки, которые дадут максимальное возможное произведение 25.
Ответ: 5 и 5, максимальное произведение 25

п.2. Примеры

Пример 1. Какое число в сумме со своим квадратом дает наименьшее значение?
Пусть (x) — данное число.
По условию: (f(x)=x+x^2rightarrow min)
Исследуем полученную функцию на экстремум:
(f'(x)=(x+x^2)’=1+2x)
(f'(x)=0) при (x=-frac12)
По условию значение (xin mathbb{R}).

Точка минимума (x=-frac12, f_{min}=-frac12+left(-frac12right)^2=-frac12+frac14=-frac14)
Ответ: число (left(-frac12right)), минимальная сумма (left(-frac14right))

Пример 2. Какой из прямоугольников, вписанных в круг радиусом R, имеет наибольшую площадь?

Мы получили площадь как функцию от угла: (S(alpha)=2R^2 sin⁡alpha)
Исследуем полученную функцию на экстремум:
(S'(alpha)=2R^2 cosalpha)
(S'(alpha)=0) при (cos⁡alpha=0Rightarrow alpha=fracpi 2) — прямой угол.

Пример 3. Какой из прямоугольников, вписанных в круг радиусом R, имеет наибольший периметр?

Сторона BC: begin{gather*} BC^2=OB^2+OC^2-2OBcdot OCcdot cos(180^{circ}-alpha)=\ =R^2+R^2+2R^2cosalpha=2R^2(1+cosalpha)=2R^2cdot 2cos^2fracalpha 2=4R^2cos^2fracalpha 2\ BC=2Rcosfracalpha 2 end{gather*} Периметр: begin{gather*} P(alpha)=2(AB+BC)=2left(2Rsinfracalpha 2+2Rcosfracalpha 2right)=4Rleft(sinfracalpha 2+cosfracalpha 2right), 0ltfracalpha 2ltfracpi 2 end{gather*} Исследуем полученную функцию на экстремум: begin{gather*} P'(alpha)=4Rleft(frac12 cosfracalpha 2-frac12 sinfracalpha 2right)=2Rleft(cosfracalpha 2-sinfracalpha 2right)\ P'(alpha)=0Rightarrow cosfracalpha 2-sinfracalpha 2=0Rightarrow sinfracalpha 2=cosfracalpha 2 |: cosfracalpha 2\ tgfracalpha 2=1Rightarrow fracalpha 2=fracpi 4=Rightarrow alpha = fracpi 2 — text{прямой угол} end{gather*}

Пример 5*. Найдите наибольшей объем конуса с образующей a.

Объем как функция угла при основании: (V(alpha)=frac{pi a^3}{3}cos^2alpha sinalpha)
Исследуем полученную функцию на экстремум: begin{gather*} V'(alpha)=frac{pi a^3}{3}((cos^2alpha)’sinalpha+cos^2alpha sin’alpha)=frac{pi a^3}{3}(-2cosalphacdot sin^2alpha+cos^3alpha)=\ =frac{pi a^3}{3}cosalpha(cos^2alpha-2sin^2alpha)=frac{pi a^3}{3}cosalpha(cos^2alpha-2(1-cos^2alpha))=\ =frac{pi a^3}{3}cosalpha(3cos^2alpha-2) end{gather*} Решаем уравнение (V'(alpha)=0Rightarrow cosalpha(3cos^2alpha-2)=0Rightarrow left[ begin{array}{l} cosalpha=0\ 3cos^2alpha-2=0 end{array} right. )
(cosalpha=0) дает (alpha=fracpi 2) — это корень не подходит.
Решаем второе уравнение: (3cos^2alpha-2=0Rightarrow cos^2alpha=frac23Rightarrow cosalpha=pmsqrt{frac23})
Для (0ltalphaltfracpi 2) выбираем положительное значение (cosalpha=sqrt{frac23})
Тогда (sinalpha=sqrt{1-cos^2alpha}=sqrt{1-frac23}=frac{1}{sqrt{3}})

Пример 6. В данный конус вписан цилиндр наибольшего объема. Найдите отношение высоты конуса к высоте этого цилиндра.

Исследуем полученную функцию на экстремум: begin{gather*} S'(r)=frac{2H}{R}(Rr-r^2)’=frac{2H}{R}(R-2r)\ S'(r)=0 text{при} r=frac R2 end{gather*} По условию (0lt rlt R)

Точка максимума (r=frac R2)
Искомое отношение в точке максимума: $$ frac Hh=frac{R}{R-r}=frac{R}{R-frac R2}=2 $$
Ответ: 2

Пример 7*. Из трех досок одинаковой ширины сколачивается желоб. При каком угле наклона стенок площадь поперечного сечения желоба будет наибольшей?

Выразим площадь трапеции через угол.
Найдем диагональ AC по формуле косинусов: begin{gather*} AC^2=AB^2+BC^2-2ABcdot BCcdot cosalpha=d^2+d^2-2d^2cosalpha=2d^2(1-cosalpha)=\ =2d^2cdot 2sin^2fracalpha 2=4d^2sin^2fracalpha 2\ AC=sqrt{4d^2sin^2fracalpha 2}=2dsinfracalpha 2 end{gather*} Заметим, что (angle ACD=angle BCD-angle BCA=alpha-left(90^circ-fracalpha 2right)=frac{3alpha}{2}-90^circ)
Площадь трапеции: begin{gather*} S_{ABCD}=S_{ABC}+S_{ACD}=frac12 ABcdot BCcdot sinalpha+frac12 ACcdot CDcdot sinangle ACD=\ =frac12left(d^2sinalpha+2dsinfracalpha 2cdot 2cdot sinleft(frac{3alpha}{2}-90^circright)right)=frac{d^2}{2}left(sinalpha+2sinfracalpha 2 sinleft(frac{3alpha}{2}-90^circright)right)=\ =frac{d^2}{2}left(sinalpha-2sinfracalpha 2 cosfrac{3alpha}{2}right)=frac{d^2}{2}left(sinalpha-sinleft(fracalpha 2+frac{3alpha}{2}right)+sinleft(fracalpha 2-frac{3alpha}{2}right)right)=\ =frac{d^2}{2}(sinalpha-(sin2alpha-sinalpha))=frac{d^2}{4}(2sinalpha-sin2alpha)=\ =frac{d^2}{4}(2sinalpha-2sinalpha cosalpha)=frac{d^2}{2}sinalpha(1-cosalpha) end{gather*} Полученная функция: $$ S(alpha)=frac{d^2}{2}sinalpha(1-cosalpha) $$ Исследуем на экстремум: begin{gather*} S'(alpha)=frac{d^2}{2}(sin’aalpha(1-cosalpha)+sinalpha(1-cosalpha)’)=\ =frac{d^2}{2}(cosalpha(1-cosalpha)+sin^2alpha)=frac{d^2}{2}(cosalpha-cos^2alpha+1-cos^2alpha)=\ =frac{d^2}{2}(1+cosalpha-2cos^2alpha) end{gather*} Решаем уравнение begin{gather*} S'(alpha)=0Rightarrow 1+cosalpha-2cos^2alpha=0\ 2cos^2alpha-cosalpha-1=0 end{gather*} Замена: (t=cosalpha, |t|leq 1) begin{gather*} 2t^2-t-1=0Rightarrow (2t+1)(t-1)=0Rightarrow left[ begin{array}{l} t=-frac12\ t=1 end{array} right. end{gather*} Возвращаемся к исходной переменной. По условию (0lt alphaltpi). begin{gather*} left[ begin{array}{l} cosalpha=-frac12\ cosalpha=1 end{array} right. Rightarrow left[ begin{array}{l} a=frac{2pi}{3}\ a=0 — text{не подходит} end{array} right. end{gather*}

Точка максимума (alpha=frac{2pi}{3})
Максимальная площадь поперечного сечения $$ S_{max}=frac{d^2}{2}sinfrac{2pi}{3}left(1-cosfrac{2pi}{3}right)=frac{d^2}{2}cdot frac{sqrt{3}}{2}cdotleft(1+frac12right)=frac{3sqrt{3}}{8}d^2 $$ Желоб нужно делать с углом (frac{2pi}{3} (120^circ))
Ответ: (frac{2pi}{3})

Содержание:

Экстремум функции

Функция y=f(x) называется возрастающей (убывающей) в некотором интервале, если при

Если дифференцируемая функция у = f(x) на отрезке возрастает (убывает), то ее производная на этом отрезке

Точка называется точкой локального максимума (минимума) функции если существует окрестность точки для всех точек которой верно неравенство

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 то либо 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 — критическая точка. Если f'(х) при переходе через точку меняет знак плюс на минус, то в точке 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 имеет производную f'(х) в окрестности точки и вторую производную в самой точке . Если то точка является точкой локального минимума (максимума) функции f(x). Если же то нужно либо пользоваться первым достаточным условием, либо привлекать высшие производные.

На отрезке функция у = f(x) может достигать наименьшего или наибольшего значения либо в критических точках, либо на концах отрезка .

Пример:

Найти экстремумы функции

Решение:

Так как то критические точки функции и Экстремумы могут быть только в этих точках. Так как при переходе через точку производная меняет знак плюс на минус, то в этой точке функция имеет максимум. При переходе через точку производная меняет знак минус на плюс, поэтому в точке у функции минимум. Вычислив значения функции в точках и 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 Площадь площадки равна Пусть у — это длина стороны, примыкающей к стене. Тогда по условию должно выполняться равенство 2х + у = а. Поэтому (длина и ширина площадки не могут быть отрицательными). откуда Поскольку — единственная критическая точка, проверим, меняется ли знак производной при переходе через эту точку. При значит, в точке функция S имеет максимум. Значение функции

Поскольку S непрерывна на и ее значения на концах 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 Каковы должны быть размеры бака (радиус R и высота Н), чтобы на его изготовление пошло наименьшее количество материала?

Решение:

Площадь полной поверхности цилиндра равна Мы знаем объем цилиндра Значит, Находим производную этой функции:следовательно,

Экстремумы функции

Введём несколько новых понятий. Окрестностью точки  называется любой промежуток, для которого  является внутренней точкой.

Точка  называется точкой минимума (максимума) функции  если для всех  из некоторой окрестности точки  выполняется неравенство 

Точки минимума и максимума обозначают  соответственно.

Значение функции в точке минимума называется минимумом функции, а в точке максимума — максимумом функции. Обозначают их: 

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  точка  является точкой максимума (рис. 77). Её максимум: 

Для функции  точка  является точкой минимума (рис. 78). Её минимум: 

Функция, график которой изображён на рисунке 75, имеет четыре экстремальные точки:  — точки максимума;  и  — 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.

Пусть функция  непрерывна на промежутке  и  — её критическая точка,  Тогда: точка  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  отрицательная, то при переходе через точку  возрастание функции изменяется на убывание (рис. 79). В этом случае  — точка максимума. Если же при переходе через точку  убывание функции изменяется на возрастание, то  — точка минимума (рис. 80).

Если же производная функции в точке  равна нулю, а слева и справа от  производная функции положительная (рис.81) или слева и справа отрицательная, то  не является точкой экстремума.

• Заказать решение задач по высшей математике

Пример №552

Найдите точки экстремума и экстремальные значения функции 

Решение:

 

Критические точки функции:  При переходе через точку  производная меняет знаке  поэтому  —точка максимума. При переходе через точку  производная меняет знак с  поэтому  — точка минимума (рис. 82).

Ответ.

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  и постройте её график.

Решение:

Область определения функции — все действительные числа, кроме  Поскольку она не симметрична относительно нуля, то функция не может быть чётной или нечётной. Функция непериодическая.

Уравнение  не имеет решений, поэтому график функции не пересекает ось  Ось  он пересекает в точке с ординатой 

Критические точки: 

Составим и заполним таблицу.

На промежутках  функция возрастает, на промежутках   функция убывает.  — точка максимума,    —точка минимума,  

Область значений функции: 

График функции имеет вертикальную асимптоту  так как 

График этой функции изображён на рисунке 83.

Пример №554

Может ли нечётная функция иметь экстремум в точке  А чётная функция?

Решение:

Нечётная функция не может. Если в окрестности точки  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  Чётная функция может. Например, функция 

Пример №555

Существуют ли такие числа  при которых имеет экстремум функция 

Решение:

При любых действительных значениях  В каждой точке производная данной функции неотрицательная. Функция возрастает на  поэтому не может иметь экстремумов.

Ответ. Не существуют.

Пример №556

Исследуйте функцию  и постройте её график.

Следовательно, её график симметричен относительно начала координат и достаточно исследовать функцию на промежутке 

3) если  — график пересекает оси координат только в точке 

4) Найдём производную функции:

Очевидно, что  для всех х из области определения. Следовательно, функция убывает на каждом из промежутков  и не имеет максимумов и минимумов.

Для более точного построения вычислим значение функции в нескольких точках:

График функции имеет вертикальные асимптоты  и  (Убедитесь самостоятельно.)

График функции изображён на рисунке 84.