1. Если производная функции y = f(x) положительна (отрицательна) во всех точках промежутка, то функция y = f(x) монотонно возрастает (убывает) на этом промежутке.
2. Точка x 0 называется точкой максимума (минимума) функции y = f(x), если существует интервал, содержащий точку x 0, такой, что для всех x из этого интервала имеет место неравенство f(x 0 ) ≥ f(x), (f(x 0 ) ≤ f(x)). Точки максимума и точки минимума называются точками экстремума.
3. Необходимое условие экстремума: в точке экстремума функции ее производная либо равна нулю (f ′ (x)=0), либо не существует.
4. Первое достаточное условие экстремума: если в точке x 0 функция y = f(x) непрерывна, а производная f ′ (x) при переходе через точку x 0 меняет знак, то точка x 0 – точка экстремума: максимума, если знак меняется с «+» на «-», и минимума, если с «–» на «+».
Если при переходе через точку x0 производная не меняет знак, то в точке x0 экстремума нет.
5. Второе достаточное условие экстремума: если в точке x0 , а , то x0 является точкой максимума функции. Если , а , то x0 является точкой минимума функции.
|
|
6. Схема исследования функции на экстремум:
1) найти производную ;
2) найти критические точки функции, в которых производная равна нулю или не существует;
3) исследовать знак производной слева и справа от каждой критической точки и сделать вывод о наличии экстремумов функции;
4) найти экстремальные значения функции.
При исследовании функции на экстремум с помощью 2-го достаточного условия п. 1), 2), 4) сохраняются, а в п. 3) необходимо найти вторую производную и определить ее знак в каждой критической точке.
7. Чтобы найти наибольшее и наименьшее значение (глобальный максимум и минимум) функции на отрезке [a,b] следует выбрать наибольшее (наименьшее) из значений функции в критических точках, находящихся в интервале (a,b) и на концах отрезка (в точках a и b).
8. Если дифференцируемая на интервале (a,b) функция имеет единственную точку экстремума, то в этой точке достигается наибольшее или наименьшее значение (глобальный максимум или минимум) функции на интервале (a,b).
8.35. Найти интервалы монотонности и экстремумы функции .
Решение. В соответствии со схемой исследования (п. 6) найдем . Очевидно, производная существует при всех значениях x. Приравнивая y′ к нулю, получаем уравнение откуда и - критические точки. Знаки производной имеют вид (рис. 8.1):
Рис. 8.1
На интервалах и производная и функция возрастает, на интервале и функция убывает;
Рис. 8.2
- точка максимума и - точка минимума и , так как при переходе через эти точки производная меняет свой знак соответственно с «+» на «-» и с «-» на «+».
Замечание. Установить существование экстремума в критических точках и , в которых можно было и с помощью второй производной (см. п. 5). Так как , а , то - точка максимума, а - точка минимума.
|
|
График данной функции схематично показан на рисунке 8.2.
8.36. Найти экстремумы и интервалы монотонности функции .
Решение. .
Производная существует во всех точках, в которых существует и сама функция, т.е. при x > 0. Точки, в которых производная обращается в нуль, задаются равенствами ln x =0, ln x-1 = 0, откуда x1 =1, x2 = е – критические точки. Знаки производной указаны на рис. 8.3.
Рис.8.3
Таким образом, функция монотонно возрастает на промежутках (0;1) и (е;+ ) и монотонно убывает на промежутке (1;е). Точка x = 1 – точка максимума и , точка х = е – точка минимума и .
8.37. Найти экстремумы и интервалы монотонности функции
Решение. . Производная не существует при cos x =1 т.е. при и равна нулю при . Знак производной совпадает со знаком sin(x); таким образом у' >0 при и y'<0 при . Это, соответственно, интервалы возрастания и убывания функции. - точки максимума , - точки минимума .
8.38. Найти наибольшее значение (глобальный максимум) функции на интервале (10;18).
Решение. Найдем . На интервале (10;18) имеется всего одна критическая точка x = 6. Производная при переходе через эту точку меняет знак с «+» на «-», т.е. x = 6 – точка максимума. Следовательно, функция достигает наибольшего значения при x = 16, т.е. . (Заметим, что наименьшего значения (глобального минимума) данной функции на указанном интервале не существует.)
8.40. Забором длиной 24 метра требуется огородить с трех сторон прямоугольный палисадник наибольшей площади. Найти размеры палисадника.
Решение. Пусть длины сторон палисадника x,y. Тогда 2x + y = 24, т.е. y = 24-2x. Площадь палисадника S = xy = x(24-2x) = 24x-2x2, где 0<x<12 (ибо 24-2x>0). Таким образом, задача свелась к отысканию значения x, при котором S(x) принимает наибольшее значение на интервале (0;12). Найдем S'(x) = 24-4x = 0 при x = 6. Легко видеть, что x = 6 – единственная точка экстремума – максимума функции S(x). Это означает, что на интервале (0;12) S(x) принимает наибольшее значение при x = 6, т.е. искомые размеры палисадника 6 м и 24- 2 - 6 = 12 м.
Найти интервалы монотонности и экстремумы функции:
8.41. . 8.42. . 8.43. .
8.44. . 8.45. 8.46. .
8.47. . 8.48. . 8.49. .
8.50. . 8.51. . 8.52. .
8.53. . 8.54. . 8.55. .
8.56. . 8.57. . 8.58. .
8.59. . 8.60. .
Найти наибольшее и наименьшее значение (глобальный максимум и минимум) функции на отрезке [ a,b ]:
8.61. 8.62. 8.63.
8.64. 8.65. 8.66.
8.67. 8.68.
Найти наибольшее или наименьшее значение (глобальный максимум или минимум) функции на интервале (a,b):
8.69. 8.70. 8.71.
8.72. 8.73. 8.74.
8.75. Рассматриваются всевозможные прямоугольные параллелепипеды, основания которых являются квадратами, а каждая из боковых сторон имеет периметр, равный 6 см. найти среди них параллелепипед с наибольшим объемом и найти этот объем.
8.76. Определить размеры открытого бассейна с квадратным дном, при которых на облицовку стен и дна пойдет наименьшее количество материала. Объем бассейна V фиксирован.
8.77. Требуется огородить два участка: один в форме правильного треугольника, другой в форме полукруга. Длина изгороди фиксирована и равна Р. Определить размеры участков (сторону треугольника и радиус полукруга) так, чтобы сумма площадей этих участков была бы наименьшей.
8.78. В треугольнике с основанием a и высотой h вписан прямоугольник, основание которого лежит на основании треугольника, а две вершины - на боковых сторонах. Найти наибольшую площадь вписанного прямоугольника.
8.4. Интервалы выпуклости функции.
Точки перегиба