Как найти число точек минимум функций

Минимумом называют точку на функции, в которой значение функции меньше, чем в соседних точках.

Максимумом называют точку на функции, в которой значение функции больше, чем в соседних точках.

Также можно сказать, что в этих точках меняется направление движения функции: если функция перестает падать и начинает расти – это точка минимума, наоборот – максимума.

на графике функции отмечены локальные минимумы и максимумы

Минимумы и максимумы вместе именуют экстремумами функции.

Иными словами, все пять точек, выделенных на графике выше, являются экстремумами.

В точках экстремумов (т.е. максимумов и минимумов) производная
равна нулю.

Благодаря этому найти эти точки не составляет проблем, даже если у вас нет графика функции.

Внимание! Когда пишут экстремумы или максимумы/минимумы имеют в виду значение функции т.е. (y). Когда пишут точки экстремумов или точки максимумов/минимумов имеют в виду иксы в которых достигаются максимумы/минимумы. Например, на рисунке выше, (-5) точка минимума (или точка экстремума), а (1) – минимум (или экстремум).

Как найти точки экстремумов функции по графику производной (7 задание ЕГЭ)?

Давайте вместе найдем количество точек экстремума функции по графику производной на примере:

найдите количество точек экстремумов функции

У нас дан график производная — значит ищем в каких точках на графике производная равна нулю. Очевидно, это точки (-13), (-11), (-9),(-7) и (3). Количество точек экстремума функции – (5).

Внимание! Если дан график производной функции, а нужно найти точки экстремумов функции, мы не считаем максимумы и минимумы производной! Мы считаем точки, в которых производная функции обращается в ноль (т.е. пересекает ось (x)).

на графике функции отмечены локальные минимумы и максимумы         график производной и отмеченные на ней точки минимумов и максимумов функции

Как найти точки максимумов или минимумов функции по графику производной (7 задание ЕГЭ)?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить еще два важных правил:

– Производная положительна там, где функция возрастает.
– Производная отрицательна там, где функция убывает.

С помощью этих правил давайте найдем на графике производной точки минимума и максимума функции.

найдите количество точек экстремумов функции

Понятно, что минимумы и максимумы надо искать среди точек экстремумов, т.е. среди (-13), (-11), (-9),(-7) и (3).

Чтобы проще было решать задачу расставим на рисунке сначала знаки плюс и минус, обозначающие знак производной. Потом стрелки – обозначающие возрастание, убывания функции.

по графику производной определить минимумы и максимумы функции

Начнем с (-13): до (-13) производная положительна т.е. функция растет, после – производная отрицательна т.е. функция падает. Если это представить, то становится ясно, что (-13) – точка максимума.

(-11): производная сначала положительна, а потом отрицательна, значит функция возрастает, а потом убывает. Опять попробуйте это мысленно нарисовать и вам станет очевидно, что (-11) – это минимум.

(- 9): функция возрастает, а потом убывает – максимум.

(-7): минимум.

(3): максимум.

Все вышесказанное можно обобщить следующими выводами:

– Функция имеет максимум там, где производная равна нулю и меняет знак с плюса на минус.
– Функция имеет минимум там, где производная равна нулю и меняет знак с минуса на плюс.

Как найти точки максимумов и минимумов если известна формула функции (12 задание ЕГЭ)?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно делать все то же, что и в предыдущем пункте: находить где производная положительна, где отрицательна и где равна нулю. Чтобы было понятнее напишу алгоритм с примером решения:

  1. Найдите производную функции (f'(x)). 
  2. Найдите корни уравнения (f'(x)=0). 
  3. Нарисуйте ось (x) и отметьте на ней точки полученные в пункте 2, изобразите дугами промежутки, на которые разбивается ось. Подпишите над осью (f'(x)), а под осью (f(x)).
  4. Определите знак производной в каждом промежутке (методом интервалов). 
  5. Поставьте знак производной в каждом промежутке (над осью), а стрелкой укажите возрастание (↗) или убывание (↘) функции (под осью). 
  6. Определите, как изменился знак производной при переходе через точки, полученные в пункте 2:
    – если (f’(x)) изменила знак с «(+)» на «(-)», то (x_1) – точка максимума;
    – если (f’(x)) изменила знак с «(-)» на «(+)», то (x_3) – точка минимума;
    – если (f’(x)) не изменила знак, то (x_2) – может быть точкой перегиба.

нахождение минимума и максимума

Всё! Точки максимумов и минимумов найдены.

Изображая на оси точки в которых производная равна нулю – масштаб можно не учитывать. Поведение функции можно показать так, как это сделано на рисунке ниже. Так будет очевиднее где максимум, а где минимум.

схематичное изображение функции

Пример(ЕГЭ). Найдите точку максимума функции (y=3x^5-20x^3-54).
Решение:
1. Найдем производную функции: (y’=15x^4-60x^2).
2. Приравняем её к нулю и решим уравнение:

(15x^4-60x^2=0)      (|:15)
(x^4-4x^2=0)
(x^2 (x^2-4)=0)
(x=0)       (x^2-4=0)
               (x=±2)

3. – 6. Нанесем точки на числовую ось и определим, как меняется знак производной и как движется функция:

поиск минимумов и максимумов

Теперь очевидно, что точкой максимума является (-2).

Ответ. (-2).

Смотрите также:
Связь функции и её производной | 7 задача ЕГЭ
Разбор задач на поиск экстремумов, минимумов и максимумов

Скачать статью

Как найти точки минимума и максимума функции

Содержание:

  • Минимум и максимум функции

    • Точка минимума, минимум функции
    • Точка максимума, максимум функции
  • Исследование функций на экстремумы
  • Примеры задач

Минимум и максимум функции

Минимумом и максимумом функции, другими словами экстремумами, называют точки, в которых функция меняет характер монотонности (с возрастания на убывание и наоборот). Важно понимать, что экстремумы это не максимальные и минимальные значения функции. Обозначаются следующим образом: 

  • (y_{min}, y_{max}) — минимум, максимум функции или экстремумы;
  • (x_{min}, x_{max}) — точки минимума, максимума функции;
  • (y_{наиб}, y_{наим}) — наибольшее (максимальное), наименьшее (минимальное) значение функции.

Точка минимума, минимум функции

Точка минимума — такая точка (x_0), если у неё существует окрестность, для всех точек которой выполняется неравенство (f(x)geq f(x_0))

Минимум функции — значение функции в точке минимума (x_0)

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Простыми словами, точка минимума — это та, где убывание функции меняется на возрастание.

Точка максимума, максимум функции

Точка максимума — такая точка (x_0), если у неё существует окрестность, для всех точек которой выполняется неравенство (f(x)leq f(x_0))

Максимум функции — значение функции в точке максимума (x_0)

Простыми словами, точка максимума — это та, где возрастание функции меняется на убывание.

Точки максимума и минимума на графике:

Точка экстремума

Источник: school-collection.edu.ru

Исследование функций на экстремумы

Теорема. Если функция f(x) имеет экстремум в точке (x=x_0,) то в ней производная либо равна 0, либо не существует.

Алгоритм нахождения экстремумов с помощью производной:

  1. Найти область определения функции — D(y).

  2. Определить производную — f ‘(x).

  3. Определить стационарные точки f(x), т.е. те, которые принадлежат D(y), f ‘(x) в них обращается в ноль, отыскать критические точки, в которых производной не существует (пример: (f^,(x)=frac1{2sqrt x}), производной не существует при x = 0).

  4. Исследовать характер изменения функции (x) и знак f ‘(x) в промежутках, на которые найденные критические точки делят область определения (при отрицательном знаке производной функция убывает, при положительном — возрастает).

  5. Относительно каждой критической точки определить, является ли она точкой максимума, минимума  (возрастание меняется на убывание — точка максимума, убывание на возрастание — минимума) или не является точкой экстремума (то есть, меняется ли знак производной при переходе через исследуемую точку).

  6. Вычислить значения функции в точках экстремума.

Примеры задач

Задача 1

Исследовать на экстремумы функцию (f(x)=x^3-3x^2.)

Решение задачи по алгоритму:

1) (D(y): xin(-infty;+infty)), т.е. x — любое число.

2) Производная: (f'(x)=3x^2-6x) .

3) Из пункта 1 следует, что критических точек нет. Найдем стационарные:

Приравниваем f ‘(x) к 0, решаем квадратное уравнение (3x^2-6x=0), получаем (x_1=0),(;x_2=2.)

4) Отметим на горизонтальной оси координат точки 0 и 2. Подставим любое x из интервала ((-infty;0)) в f'(x), например, пусть x = -1, тогда (f'(x)=3{(-1)}^2-6(-1)=3+6=9). Получаем f ‘(x)>0, значит на исследуемом интервале f(x) возрастает. Аналогично рассмотрим оставшиеся интервалы. Итого, на отрезке (0;2) производная отрицательна, функция убывает, а на интервале ((2;+infty)) производная положительна, возрастает. Из этого следует, что x=0 – точка максимума, а x=2 – минимума.

5) Найдем значение экстремумов функции.

(f(0)=0-3times0=0)

(f(2)=2^3-3times2^2=8-12=-4)

Ответ: (x_{min}=2,;y_{min}=-4;;x_{max}=0,;y_{max}=0) или (0;0) – минимум функции, (2;-4) – максимум.

Задача 2

Найти промежутки монотонности функции (f(x)=frac x{x^2-4}).

1) (D(y): xinmathbb{R},;)кроме(;pm2)

2) (f'(x)=frac{1(x^2-4)-xtimes2x}{{(x^2-4)}^2}=-frac{x^2+4}{{(x^2-4)}^2})

3) Итак, как выяснилось в пункте 1, критические точки 2 и -2. Если мы приравняем f ‘(x) к 0, чтобы найти стационарные точки, то увидим, что уравнение не будет иметь корней. Значит, стационарных точек нет. Из этого следует, что функция монотонна на всей области определения. Проверим, возрастает она или убывает. Для этого решаем неравенство (-frac{x^2+4}{{(x^2-4)}^2}leq0) и получим, что неравенство верно при любом x, значит функция убывает.

Не забываем, что в ответе, указывая промежуток, обязательно нужно исключить критические точки -2 и 2 т.к. в них функция не определена.

Ответ: f(x) убывает на промежутке ((-infty;-2)cup(-2;2)cup(2;+infty)).

Задача 3

Докажите, что функция (f(x)=x^5+2x^3-4) возрастает на всех числовой прямой.

1) (D(y): xinmathbb{R}), значит критических точек нет.

2) (f'(x)=5x^4+6x)

3) Приравняем f'(x) к 0 и найдем корень: x = 0. Отметим 0 на числовой прямой и определим знак производной на промежутках ((-infty;0)) и ((0;+infty)). Получим, что производная положительна на обоих промежутках, следовательно функция возрастает на всей числовой прямой.

Утверждение доказано

Что будем изучать:

1. Введение.
2. Точки минимума и максимума.
3. Экстремум функции.
4. Как вычислять экстремумы?
5. Примеры.

Введение в экстремумы функций

Ребята, давайте посмотрим на график некоторой функции:

Экстремумы функции, максимум и минимум

Заметит, что поведение нашей функции y=f (x) во многом определяется двумя точками x1 и x2. Давайте внимательно посмотрим на график функции в этих точках и около них.

До точки x2 функция возрастает, в точке x2 происходит перегиб, и сразу после этой точки функция убывает до точки x1. В точке x1
функция опять перегибается, и после этого — опять возрастает.

Точки x1 и x2 пока так и будем называть точками перегиба. Давайте проведем касательные в этих точках:

Экстремумы функции, максимум и минимум

Касательные в наших точках параллельны оси абсцисс, а значит, угловой коэффициент касательной равен нулю. Это значит, что и производная нашей функции в этих точках равна нулю.

Посмотрим на график вот такой функции:

Экстремумы функции, максимум и минимум

Касательные в точках x2 и x1 провести невозможно. Значит, производной в этих точках не существует. Теперь посмотрим опять на наши точки на двух графиках. Точка x2 — это точка, в которой функция достигает наибольшего значения в некоторой области (рядом с точкой x2). Точка x1 — это точка, в
которой функция достигает своего наименьшего значения в некоторой области (рядом с точкой x1).

Точки минимума и максимума

  • Определение: Точку x= x0 называют точкой минимума функции y=f(x), если существует окрестность точки x0, в которой выполняется неравенство: f(x) ≥ f(x0).
  • Определение: Точку x=x0 называют точкой максимума функции y=f(x), если существует окрестность точки x0, в которой выполняется неравенство: f(x) ≤ f(x0).
  • Ребята, а что такое окрестность?
  • Определение: Окрестность точки — множество точек, содержащее нашу точку, и близкие к ней.

Окрестность мы можем задавать сами. Например, для точки x=2, мы можем определить окрестность в виде точек 1 и 3.

Вернемся к нашим графикам, посмотрим на точку x2, она больше всех других точек из некоторой окрестности, тогда по определению — это точка максимума. Теперь посмотрим на точку x1, она меньше всех других точек из некоторой окрестности, тогда по определению — это точка минимума.

Ребята, давайте введем обозначения:

ymin — точка минимума,
ymax — точка максимума.

Важно! Ребята, не путайте точки максимума и минимума с наименьшим и наибольшим значение функции. Наименьшее и наибольшее значения ищутся на всей области определения заданной функции, а точки минимума и максимума в некоторой окрестности.

Экстремумы функции

Для точек минимума и максимума есть общей термин – точки экстремума.

Экстремум (лат. extremum – крайний) – максимальное или минимальное значение функции на заданном множестве. Точка, в которой достигается экстремум, называется точкой экстремума.

Соответственно, если достигается минимум – точка экстремума называется точкой минимума, а если максимум – точкой максимума.

Как же искать экстремумы функции?

Давайте вернемся к нашим графикам. В наших точках производная либо обращается в нуль (на первом графике), либо не существует (на втором графике).

  1. Тогда можно сделать важное утверждение: Если функция y= f(x) имеет экстремум в точке x=x0, то в этой точке производная функции либо равна нулю, либо не существует.
  2. Точки, в которых производная равна нулю называются стационарными.
  3. Точки, в которых производной функции не существует, называются критическими.

Как вычислять экстремумы?

Ребята, давайте опять вернемся к первому графику функции:

Экстремумы функции, максимум и минимум

Анализируя этот график, мы говорили: до точки x2 функция возрастает, в точке x2 происходит перегиб, и после этой точки функция убывает до точки x1. В точке x1 у функции опять перегибается, и после этого
функция опять возрастает.

На основании таких рассуждений, можно сделать вывод, что функция в точках экстремума меняет характер монотонности, а значит и производная функция меняет знак. Вспомним: если функция убывает, то производная меньше либо равно нулю, а если функция возрастает, то производная больше либо равна нулю.

Обобщим полученные знания утверждением:

Теорема: Достаточное условие экстремума: пусть функция y=f(x) непрерывна на некотором промежутке Х и имеет внутри промежутка стационарную или критическую точку x= x0. Тогда:

  • Если у этой точки существует такая окрестность, в которой при x < x0 выполняется f’(x) < 0, а при x > x0 выполняется f’(x)>0, то точка x0 – точка минимума функции y= f(x).
  • Если у этой точки существует такая окрестность, в которой при x < x0 выполняется f ’(x)>0, а при x> x0 выполняется f’(x)Если у этой точки существует такая окрестность, в которой и слева и справа от точки x0 знаки производной одинаковы, то в точке x0 экстремума нет.

Для решении задач запомните такие правила: Если знаки производных определены то:

Экстремумы функции, максимум и минимум

Алгоритм исследования непрерывной функции y= f(x) на монотонность и экстремумы:

  • Найти производную y’.
  • Найти стационарные(производная равна нулю) и критические точки (производная не существует).
  • Отметить стационарные и критические точки на числовой прямой и определить знаки производной на получившихся промежутках.
  • По указанным выше утверждениям сделать вывод о характере точек экстремума.

Примеры нахождения точки экстремумов

1) Найти точки экстремума функции и определить их характер: y= 7+ 12*x — x3

Решение: Наша функция непрерывна, тогда воспользуемся нашим алгоритмом:
а) y’= 12 — 3×2,
б) y’= 0, при x= ±2,Экстремумы функции, максимум и минимум
г) посмотрим на наш рисунок, где изображены правила определения экстремумов. Точка x= -2 — точка минимума функции, точка x= 2 — точка максимума функции.
Ответ: x= -2 — точка минимума функции, x= 2 — точка максимума функции.

2) Найти точки экстремума функции и определить их характер.

Экстремумы функции, максимум и минимум
Решение: Наша функция непрерывна. Воспользуемся нашим алгоритмом:
а) Экстремумы функции, максимум и минимум
б) в точке x= 2 производная не существует, т.к. на нуль делить нельзя,
Экстремумы функции, максимум и минимум
Область определения функции: [2; +∞], в этой точки экстремума нет, т.к. окрестность точки не определена. Найдем значения, в которой производная равна нулю:
Экстремумы функции, максимум и минимум
в) Отметим стационарные точки на числовой прямой и определим знаки производной:

г) посмотрим на наш рисунок, где изображены правила определения экстремумов. Точка x= 3 — точка минимума функции.
Ответ: x= 3 — точка минимума функции.

  • 3) Найти точки экстремума функции y= x — 2cos(x) и определить их характер, при -π ≤ x ≤ π.
  • в) отметим стационарные точки на числовой прямой и определим знаки производной:

    г) посмотрим на наш рисунок, где изображены правила определения экстремумов.

  • 4) Найти точки экстремума функции и определить их характер:

Решение: Наша функция непрерывна, воспользуемся нашим алгоритмом:
а) y’= 1 + 2sin(x),
б) найдем значения в которой производная равна нулю: 1 + 2sin(x)= 0, sin(x)= -1/2, т.к. -π ≤ x ≤ π, то: x= -π/6, -5π/6,
Точка x= -5π/6 — точка максимума функции.
Точка x= -π/6 — точка минимума функции.
Ответ: x= -5π/6 — точка максимума функции, x= -π/6 — точка минимума функции.

Решение: Наша функция имеет разрыв только в одной точке x= 0. Воспользуемся алгоритмом:
а)
б) найдем значения в которой производная равна нулю: y’= 0 при x= ±2,
в) отметим стационарные точки на числовой прямой и определим знаки производной:
г) посмотрим на наш рисунок, где изображены правила определения экстремумов.
Точка x= -2 точка минимума функции.
Точка x= 2 — точка минимума функции. В точке x= 0 функция не существует.
Ответ: x= ±2 — точки минимума функции.

Задачи для самостоятельного решения

а) Найти точки экстремума функции и определить их характер: y= 5×3 — 15x — 5.
б) Найти точки экстремума функции и определить их характер:

в) Найти точки экстремума функции и определить их характер: y= 2sin(x) — x при π ≤ x ≤ 3π.

г) Найти точки экстремума функции и определить их характер:

Источник: https://mathematics-tests.com/algebra-10-klass-urok-ekstremumy-funktsii

Значения функции и точки максимума и минимума

Неопубликованная запись

Экстремумы функции, максимум и минимум

  • Наменьшее значение функции 
  • Точки max 
  • Точки min

Как говорил крестный отец: «Ничего личного». Только производные!

Статью Как посчитать производные? надеюсь, ты изучил, без этого дальше будет проблематично.

12 задание по статистике считается достаточно трудным, а все потому, что ребята не прочитали эту статью (joke). В большинстве случаев виной всему невнимательность.

12 задание бывает двух видов:

  1. Найти точку максимума / минимума (просят найти значения «x»).
  2. Найти наибольшее / наименьшее значение функции (просят найти значения «y»).

Как же действовать в этих случаях?

Найти точку максимума / минимума

  1. Взять производную от предложенной функции.
  2. Приравнять ее к нулю.
  3. Найденный или найденные «х» и будут являться точками минимума или максимума.
  4. Определить с помощью метода интервалов знаки и выбрать, какая точка нужна в задании.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Задания с ЕГЭ: 

Найдите точку максимума функции 

Экстремумы функции, максимум и минимумЭкстремумы функции, максимум и минимум

  • Приравняем ее к нулю:Экстремумы функции, максимум и минимум
  • Получили одно значение икса, для нахождения знаков подставим −20 слева от корня и 0 справа от корня в преобразованную производную (последняя строчка с преобразованием):

Экстремумы функции, максимум и минимумВсе верно, сначала функция возрастает, затем убывает — это точка максимума!

Ответ: −15

Найдите точку минимума функции

Экстремумы функции, максимум и минимум

  • Преобразуем и возьмем производную: 

Экстремумы функции, максимум и минимум

  • Получается один корень «−2», однако не стоит забывать о «−3», она тоже будет влиять на изменение знака.Экстремумы функции, максимум и минимум
  • Отлично! Сначала функция убывает, затем возрасает — это точка минимума!

Ответ: −2

Найти наибольшее / наименьшее значение функции

  1. Взять производную от предложенной функции.
  2. Приравнять ее к нулю.
  3. Найденный «х» и будет являться точкой минимума или максимума.
  4. Определить с помощью метода интервала знаки и выбрать, какая точка нужна в задании.
  5. В таких заданиях всегда задается промежуток: иксы, найденные в пункте 3, должны входить в данный промежуток.
  6. Подставить в первоначальное уравнение полученную точку максимума или минимума, получаем наибольшее или наименьшее значение функции. 
  1. Задания с ЕГЭ: 
  2. Найдите наибольшее значение функции на отрезке [−4; −1] 
  3. Экстремумы функции, максимум и минимум
  • Преобразуем и возьмем производную: 
  • «3» не вдходит в промежуток [−4; −1]. Значит, остается проверить «−3» — это точка максимума?
  • Подходит, сначала функция возрастает, затем убывает — это точка максимума, и в ней будет наибольшее значение функции. Остается только подставить в первоначальную функцию:
  • Ответ: −6
  • Найдите наибольшее значение функции на отрезке [0; 1,5π]
  • Берем производную:
  • Находим, чему равняется sin(x):
  • Но такое невозможно! Sin(x)…
  • Получается, что уравнение не имеет решения, и в таких ситуациях нужно подставлять крайние значения промежутка в первоначальное уравнение:
  • Наибольшее значение функции равно «11» при точке максимума (на этом отрезке) «0».

Ответ: 11

Выводы:

  1. 70% ошибок заключается в том, что ребята не запоминают, что в ответ на наибольшее/наименьшее значение функции нужно написать «y», а на точку максимума/минимума написать «х».
  2. Нет решения у производной при нахождении значений функции? Не беда, подставляй крайние точки промежутка!
  3. Ответ всегда может быть записан в виде числа или десятичной дроби. Нет? Тогда перерешивай пример.
  4. В большинстве заданий будет получаться одна точка и наша лень проверять максимум или минимум будет оправдана. Получили одну точку — можно смело писать в ответ.
  5. А вот с поиском значения функции так поступать не стоит! Проверяйте, что это нужная точка, иначе крайние значения промежутка могут оказаться больше или меньше.

Будь в курсе новых статеек, видео и легкого математического юмора.

Источник: https://ik-study.ru/ege_math/znachieniia_funktsii_i_tochki_max_i_min0

Максимумы, минимумы и экстремумы функций

Минимумом называют точку на функции, в которой значение функции меньше, чем в соседних точках

Максимумом называют точку на функции, в которой значение функции больше, чем в соседних точках

Также можно сказать, что в этих точках меняется направление движения функции: если функция перестает падать и начинает расти – это точка минимума, наоборот – максимума.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Минимумы и максимумы вместе именуют экстремумами функции

Иными словами, все пять точек, выделенных на графике выше, являются экстремумами.

В точках экстремумов (т.е. максимумов и минимумов) производная равна нулю

Благодаря этому найти эти точки не составляет проблем, даже если у вас нет графика функции.

Внимание! Когда пишут экстремумы или максимумы/минимумы имеют в виду значение функции т.е. (y). Когда пишут точки экстремумов или точки максимумов/минимумов имеют в виду иксы в которых достигаются максимумы/минимумы. Например, на рисунке выше, (-5) точка минимума (или точка экстремума), а (1) – минимум (или экстремум).

Давайте вместе найдем количество точек экстремума функции по графику производной на примере:

Экстремумы функции, максимум и минимум

У нас дан график производная — значит ищем в каких точках на графике производная равна нулю. Очевидно, это точки (-13), (-11), (-9),(-7) и (3). Количество точек экстремума функции – (5).

Внимание! Если дан график производной функции, а нужно найти точки экстремумов функции, мы не считаем максимумы и минимумы производной! Мы считаем точки, в которых производная функции обращается в ноль (т.е. пересекает ось (x)).

Экстремумы функции, максимум и минимум         Экстремумы функции, максимум и минимум

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить еще два важных правил:

— Производная положительна там, где функция возрастает. — Производная отрицательна там, где функция убывает.

С помощью этих правил давайте найдем на графике производной точки минимума и максимума функции.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Понятно, что минимумы и максимумы надо искать среди точек экстремумов, т.е. среди (-13), (-11), (-9),(-7) и (3).

Чтобы проще было решать задачу расставим на рисунке сначала знаки плюс и минус, обозначающие знак производной. Потом стрелки – обозначающие возрастание, убывания функции.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Начнем с (-13): до (-13) производная положительна т.е. функция растет, после — производная отрицательна т.е. функция падает. Если это представить, то становится ясно, что (-13) – точка максимума.

(-11): производная сначала положительна, а потом отрицательна, значит функция возрастает, а потом убывает. Опять попробуйте это мысленно нарисовать и вам станет очевидно, что (-11) – это минимум.

  • (- 9): функция возрастает, а потом убывает – максимум.
  • (-7): минимум.
  • (3): максимум.
  • Все вышесказанное можно обобщить следующими выводами:

— Функция имеет максимум там, где производная равна нулю и меняет знак с плюса на минус. — Функция имеет минимум там, где производная равна нулю и меняет знак с минуса на плюс.

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно делать все то же, что и в предыдущем пункте: находить где производная положительна, где отрицательна и где равна нулю. Чтобы было понятнее напишу алгоритм с примером решения:

  1. Найдите производную функции (f'(x)). 
  2. Найдите корни уравнения (f'(x)=0). 
  3. Нарисуйте ось (x) и отметьте на ней точки полученные в пункте 2, изобразите дугами промежутки, на которые разбивается ось. Подпишите над осью (f'(x)), а под осью (f(x)).
  4. Определите знак производной в каждом промежутке (методом интервалов). 
  5. Поставьте знак производной в каждом промежутке (над осью), а стрелкой укажите возрастание (↗) или убывание (↘) функции (под осью). 
  6. Определите, как изменился знак производной при переходе через точки, полученные в пункте 2: — если (f’(x)) изменила знак с «(+)» на «(-)», то (x_1) – точка максимума; — если (f’(x)) изменила знак с «(-)» на «(+)», то (x_3) – точка минимума;

    — если (f’(x)) не изменила знак, то (x_2) – может быть точкой перегиба.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Всё! Точки максимумов и минимумов найдены.

Изображая на оси точки в которых производная равна нулю – масштаб можно не учитывать. Поведение функции можно показать так, как это сделано на рисунке ниже. Так будет очевиднее где максимум, а где минимум.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Пример(ЕГЭ). Найдите точку максимума функции (y=3x^5-20x^3-54). Решение: 1. Найдем производную функции: (y’=15x^4-60x^2).

  1. 2. Приравняем её к нулю и решим уравнение:
  2. (15x^4-60x^2=0)      (|:15) (x^4-4x^2=0) (x^2 (x^2-4)=0) (x=0)       (x^2-4=0)
  3.                (x=±2)

3. – 6. Нанесем точки на числовую ось и определим, как меняется знак производной и как движется функция:

Экстремумы функции, максимум и минимум

Теперь очевидно, что точкой максимума является (-2).

Ответ. (-2).

Источник: http://cos-cos.ru/math/327/

Урок алгебры в 11 классе Максимум и минимум функции

Урок №33. Алгебра и НМА в 11 классе. Дата 06.11.18 г.

Учитель математики Абкелямова З.Н.

Тема урока: Анализ контрольной работы.Максимум и минимум функции.

  • Цели: изучить понятие максимума и минимума функции;
  • Составить алгоритм нахождения максимального и минимального значения функции.
  • Мотивация: на успешность подготовки к ЕГЭ по математике.
  • Ход урока.
  • Русский математик XIX века Чебышев говорил , что « особенную важность имеют методы науки, которые позволяют решать задачу, общую для всей практической деятельности человека: как располагать своими средствами для достижения наибольшей выгоды.»
  1. Подготовка к изучению новой темы.

  1. При исследовании поведения функции вблизи точки удобно пользоваться понятием окрестности.

Окрестностью точки а называется любой интервал , содержащий эту точку.

Определение. Точка х0 называется точкой максимума функции f(х), если существует такая окрестность точки х, что для всех х≠х0 из этой окрестности выполняется неравенство f(x) f(x0).

Пусть график некоторой функции имеет вот такой вид.

 а) Если рассмотреть значение функции в точкехна этом графике то оно будет наибольшим (максимальным), чем в любой другой точке из близлежащей окрестности. В этом случае говорят, чтох0 точка максимума (max).

Точках из области определения функции называется точкой максимума, если длялюбого  из окрестноститочки хвыполняется неравенство f(x).

 Максимум и минимум функции объединяют словом экстремум( с латинского — крайний), а точки максимума и минимума называют точками экстремума (экстремальными точками)Изучая график можно прийти к выводу, что наиболее «заметными» точками области определения являются какие точки Х, в которых возрастание функции сменяется убыванием (х=-6; х=2; х=7), или, наоборот убывание сменяется возрастанием (х=-7,5; х=-1,5; х=4). Эти точки называются соответственно точками максимума хmax=-6 хmax=2 хmax=7 и минимума хmin=-7,5; хmin=2; хmin=7.

  1. Точку отрезка [а;в], в которой функция достигает наибольшего значения на отрезке называют точкой максимума на отрезке.
  2. Значение функции в этой точке и есть максимум функции на отрезке.
  3. Точку отрезка [а;в], в которой функция достигает наименьшего значения на отрезке называют точкой минимума на отрезке.
  4. Значение функции в этой точке и есть минимум функции на отрезке.
  5. Названия и обозначения максимума и минимума происходит от латинских слов maximum ( наибольшее) minimum ( наименьшее).
  1. На рисунке изображён график непрерывной функции на отрезке [а;в]

  2. Экстремумы функции, максимум и минимум

2,5 – точка максимума на отрезке [-3;5] .

0– точка минимума на отрезке [-3;5] .

Для точек максимума и минимума принято общее название . Их называют точками экстремума: хmax и хmin.

Значения функции в этих точках называют соответственно максимума и минимума функции уmax, ymin.

  1. Пусть надо найти наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке [а;в] и имеющей производную на интервале (а,в). Важную роль при нахождении наибольшего и наименьшего значения функции , при построении графика играют критические точки.

Определение. Внутренние точки области определения , в которых производная равна нулю или не существуют называются критическими точками.

  1. Найти критические точки функции

№5.6 а), в), №5.7 а),в).

№5.6 а) у= 2х3-3х2 [-3;3] .

  • у ʹ=6х2-6х у ʹ=0 х= 0, х=1- критические точки
  • в) у=3х4+х3+7 [-3;2]
  • у ʹ=12х3+3х2 у ʹ=0 х=0, х=-1 –критические точки
  • №5.7 а) у= [-1;1]
  • у ʹ= у ʹ=0 х=0 производная не существует, следовательно
  • х=0 критическая точка
  • 6) В ЕГЭ В11 нахождение наибольшего и наименьшего значения функции.
  • Алгоритм нахождения точек экстремума
  1. Найти производную функции.

  2. Решить уравнение f ´(х)=0, и найти тем самым стационарные точки или критические точки

  3. Найти критические точки функции на интервале (а,в);

  4. Вычислить значения функции в найденных точках, принадлежащих интервалу (а,в);

  5. Вычислить значения функции на концах отрезка, т.е. в точках х=а, х=в;

  6. Среди всех вычисленных значений функции выбрать наибольшее и наименьшее.

Замечания.

  • Если функция у=f(x) на [а;в], имеет точку максимума (минимума), то в этой точке функция принимает наибольшее или наименьшее значение.
  • Если функция у=f(x) на [а;в] не имеет критических точек, то это означает, что на нем функция монотонно возрастает или убывает. Следовательно, свое наибольшее значение функция принимает на одном конце отрезка, а наименьшее на другом.
  1. Найти наибольшее и наименьшее значение функции f(x)=3х2+4х3+1 на отрезке [-2;1] . (Решает учитель)

  1. fʹʹ(x)=(3х2+4х3+1) ʹ=6х+12х2. Для любого хЄR найдем производную f(x)
  2. fʹʹ(x)=0
  3. 6х+12х2=0
  4. Х( 6+12х)=0
  5. Х=0 или 6+12х=0
  6. Х= —
  7. Х=0 и х= — критические точки, принадлежат заданному отрезку.
  8. 0Є[-2;1], — Є[-2;1],
  9. Найдем значения функции в заданных точках.
  10. f(0)=1
  11. f(- =1,25
  12. f(-2)=-11
  13. f(1)=8 сравнив значения функций, выбираем наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке.
  14. max f(x)= f(1) =8
  15. min f(x)= f(-2)=-11
  16. Ответ : 8,11.
  17. Г) № 5.10 а) в) ( для тех кто работает быстро, за каждый верно выполненный пример ученик получает +, три + «5» в журнал)
  18. №5.11 а)в)

Домашнее задание №5.10 (в,г) 5.14 стр 120.

дополнительное задание.Найти наибольшее значение функции у= 12 cosх+6х-2+6 на отрезке [0;].

  • Тема урока: Максимум и минимум функции.
  • Цели: закрепить навык нахождения наибольшего и наименьшего значения функции на отрезке путем решения разнообразных задач.
  • Ход урока.
  1. Проверка домашнего задания.

  1. №5.6 б) f(х) =5х3-15х на отрезке [-2;2]

  1. f’ (х) =15х2 -15 f(х) =0 х=1 х=-1 критические точки
  2. г) у=х4-4х2 на отрезке [-4;4]
  3. у’=4х3 -8х у’=0 х1=0 х2= х=- критические точки
  4. № 5.7 б) у= на отрезке
  5. У’= у’=0 х=0 производная не существует, следовательно, х=0 критическая точка
  6. г) у= 2 -х на промежутке (0; 2]
  7. У’= у’=0 х=0 производная не существует, следовательно
  8. Х=0 критическая точка.
  9. № 5.8 б) у=ех-хе на отрезке [-2;2]
  10. У’= ех-х у’=0 ех-е=0
  11. Х=1
  12. г) у= cos2х +х на отрезке [- π; π]
  13. у’= -2sin 2х+1 у’=0 -2sin 2х+1=0
  14. х= (-1)к +к, кЄZ
  15. х= ; π ; Є [- π; π]
  16. № 5.10 б) у= х3+ 3х на отрезке [-1;2]
  17. У’= 3х2+3 у=0 3х2+3=0
  18. Критических точек нет , значит функция достигает свое наибольшее и наименьшее значение на концах отрезка.
  19. У(-1)=-4
  20. У(2)=14 Г) у= х3- 3х на отрезке [-1;2]
  21. У’=3х2-3 у=0 3х2-3=0
  22. Х=-1 х=1 -1;1 Є [-1;2]
  23. У(-1)=0 у(3)=18 у(1)=-2 у(-2)=-2
  24. Наибольшее значение 18, наименьшее значение -2.

№ 5.11 б) наибольшее значение 3, наименьшее значение -3.

  1. (Два ученика на обратной стороне доски)

  • Взять производные функций
  • Cos3х, ех, (х-14)ех-13, ln(2х+3), tg2х
  • Класс делает в тетрадях и потом проверяем.
  • Верно ли , что если функция у= f(x) непрерывна на отрезке[а;в] , то существуют точки этого отрезка, в которых функция принимает свое наибольшее и наименьшее значение. (да)
  • Какую точку отрезка [а;в] называют точкой максимума и минимума функции у= f(x); точкой минимума функции у= f(x).
  • Как называются значения функции в этих точках?
  • Какие точки отрезка [а;в] называются критическими точками функции? Как найти эти точки?
  • Как найти максимум и минимум функции на отрезке?
  1. Работа по графику .
  2. Указать точки максимума и минимума функции.
  3. Назвать максимум и минимум функции на отрезке.

Экстремумы функции, максимум и минимум

Работа с классом.

  1. Найдите наибольшее значение функции у=-х2 +10х на отрезке [0;7].

( У(0)=0, у(7)=21, у(15)=25)

  1. Найдите наименьшее значение функции у=(х-21)ех-20 на отрезке

[19;21].

У(19)= у(20)=-1 у(21)=0

  1. Найдите наибольшее значение функции у= 7 cosх+7х-на отрезке [0;].

  1. У() =16 у(0)= 7- +9 у(=

  1. Аналогично определяется максимум и минимум функции на интервале и полуинтервале.

-14-

Экстремумы функции, максимум и минимум

Хmax=-5,5 ymin=4

Хmin- нет, т.к. х=3 не входит в (-5,5;3)

  • Работа с классом. ( у доски работает ученик)
  • Найти наибольшее значение функции у= -2х2 на промежутке (-2;2).
  • Решение.
  • У`= х3-4х у=0 х=0 х=2 х=-2 критические точки , но х=2 и х=-2 не входят в данный промежуток.

Найдем значение функции у(0)=0, а у= (х2-8) 0 при каждом х, таком , что 0х|, то на интервале (-2;2) функция имеет максимум в точке х=0.

На интервале (-2;2) функция не имеет минимума, так как у= -2х2 -4при каждом х, таком, что |х|Экстремумы функции, максимум и минимум2 и -2 не принадлежат (-2;2), следовательно у=0 максимум функции.

Обучающая самостоятельная работа.

  1. найдите наибольшее значение функции у=(х-8)ех-7 на отрезке [6;8].

  2. найдите наибольшее значение функции у=7х-6sinх+8 на отрезке [].

3) найти наименьшее значение функции у=х2-3х+lnх+3 на отрезке [;]

На задания даётся 15 минут. С помощью проектора ученики проверяют решение.

Решение.

  1. у=(х-8)ех-7 на отрезке[6;8].

  1. у’=ех-7(х-7) у’=0 х=7 критическая точка
  2. у(6)= у(7)=-1 у(8)=0
  3. наибольшее значение функции равно 0
  1. у=7х-6sinх+8 на отрезке [].

  • у’=7- 6cosх у’=0 6cosх=7 х= критических точек нет
  • у(-=14 у(0)=8
  • наибольшее значение функции равно 8
  • 3) у=х2-3х+lnх+3 на отрезке [;] ОДЗ: х
  • у’=2х-3+ у’=0 2х2-3х+1=0
  • х=1 х= не принадлежит [;]
  • у(1)=1 у()= ln+3 у()= ln +3
  • наименьшее значение функции равно1.
  • Домашнее задание: рассмотреть из открытого банка заданий — 5 функций.

Источник: https://infourok.ru/urok-algebri-v-klasse-maksimum-i-minimum-funkcii-3350394.html

Урок 16. экстремумы функции — Алгебра и начала математического анализа — 11 класс — Российская электронная школа

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.

  1. Максимум функции. Значение функции в точке максимума называют максимумом функции 
  2. Минимум функции. Значение функции в точке минимума называют минимумом функции 
  3. 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).
  1. Точки максимума и минимума – точки экстремума.
  2. Функция может иметь неограниченное количество экстремумов.
  3. Критическая точка – это точка, производная в которой равна  или не существует.
  4. Важно помнить, что любая точка экстремума является критической точкой, но не всякая критическая является экстремальной.
  5. 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

Экстремумы функции, максимум и минимум

  1. х=4
  2. Определяем знак производной функции и изобразим на рисунке, следовательно, функция возрастает при хϵ (4;+∞); убывает при хϵ (-∞;4)
  3. Ответ: возрастает при хϵ (4;+∞); убывает при хϵ (-∞;4)
  4. №2. Найдите точку минимума функции у= 2х-ln(х+3)+9

х=-2,5

Определим знаки производной функции и изобразим на рисунке поведение функции:

Экстремумы функции, максимум и минимум

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: https://resh.edu.ru/subject/lesson/3987/conspect/

Конспект по «Машинному обучению». Математический анализ. Градиентный спуск

Экстремумы функции, максимум и минимум

Вспомним математический анализ

Непрерывность функции и производная

Пусть , — предельная точка множества (т.е. ), .

  • Определение 1 (предел функции по Коши):
  • Функция стремится к при , стремящемся к , если

Обозначение: . Определение 2:

  1. Интервалом называется множество ;
  2. Интервал, содержащий точку , называется окрестностью этой точки.
  3. Проколотой окрестностью точки называется окрестность точки, из которой исключена сама эта точка.

Обозначение:

  1. или — окрестность точки ;
  2. — проколотая окрестность точки ;

Определение 3 (предел функции через окрестности): Определения 1 и 3 равносильны.

Определение 4 (непрерывность функции в точке):

  1. непрерывна в
  2. непрерывна в

Из определений 3 и 4 видно, что

( непрерывна в , где — предельная точка )

  1. Определение 5:
  2. Функция называется непрерывной на множестве , если она непрерывна в каждой точке множества .
  3. Определение 6:
  1. Функция , определённая на множестве , называется дифференцируемой в точке , предельной для множества , если существует такая линейная относительно приращения аргумента функция [дифференциал функции в точке ], что приращение функции представляется в виде
  2. Величина называется производной функции в точке .

Также

Определение 7:

  1. Точка называется точкой локального максимума (минимума), а значение функции в ней — локальным максимумом (минимумом) функции , если :
  2. Точки локального максимума и минимума называются точками локального экстремума, а значения функции в них — локальными экстремумами функции.
  3. Точка экстремума функции называется точкой внутреннего экстремума, если является предельной точкой как для множества , так и для множества .

Лемма 1 (Ферма):

Если функция дифференцируема в точке внутреннего экстремума , то её производная в этой точке равна нулю: .

Утверждение 1 (теорема Ролля):

Если функция непрерывна на отрезке , дифференцируема в интервале и , то найдётся точка такая, что .

  • Теорема 1 (теорема Лагранжа о конечном приращении):
  • Если функция непрерывна на отрезке и дифференцируема в интервале , то найдётся точка такая, что

Следствие 1 (признак монотонности функции): Если в любой точке некоторого интервала производная функции неотрицательная (положительная), то функция не убывает (возрастает) на этом интервале.

Следствие 2 (критерий постоянства функции):

Непрерывная на отрезке функция постоянна не нём тогда и только тогда, когда её производная равна нулю в любой точке отрезка (или хотя бы интервала ).

Частная производная функции многих переменных

Через обозначают множество:

  1. Определение 8:
  2. Функция , определённая на множестве , называется дифференцируемой в точке , предельной для множества , если

где — линейная относительно функция [дифференциал функции в точке (обозн.

или )], а при .

  • Соотношение (1) можно переписать в следующем виде:

или Если перейти к координатной записи точки , вектора и линейной функции , то равенство (1) выглядит так где — связанные с точкой вещественные числа. Необходимо найти эти числа.

Обозначим

где — базис в .

  1. При из (2) получаем
  2. Из (3) получаем

Определение 9: Предел (4) называется частной производной функции в точке по переменной . Обозначается:

  • Пример 1:

Градиентный спуск

Пусть , где .

  1. Определение 10:
  2. Градиентом функции называется вектор, -й элемент которого равен :

Градиент — это то направление, в котором функция быстрее всего возрастает. А значит, направление, в котором она быстрее всего убывает, — это и есть направление, обратное градиенту, то есть .

  • Целью метода градиентного спуска является поиск точки экстремума (минимума) функции.
  • Обозначим через вектор параметров функции на шаге . Вектор обновления параметров на шаге :

В формуле выше параметр — это скорость обучения, которая регулирует размер шага, который мы делаем в направлении склона-градиента.

В частности, могут возникать две противоположные друг другу проблемы:

  • если шаги будут слишком маленькими, то обучение будет слишком долгим, и повышается вероятность застрять в небольшом неудачном локальном минимуме по дороге (первое изображение на картинке ниже);
  • если слишком большие, можно бесконечно прыгать через искомый минимум взад-вперёд, но так и не прийти в самую нижнюю точку (третье изображение на картинке ниже).

Пример: Рассмотрим пример работы метода градиентного спуска в простейшем случае (). То есть . Пусть . Тогда: В случае, когда , получается ситуация, как на третьем изображении картинки выше. Мы постоянно перепрыгиваем точку экстремума. Пусть . Тогда: Видно, что итеративно мы приближаемся к точке экстремума. Пусть . Тогда: Точка экстремума найдена за 1 шаг.

Список используемой литературы:

  • «Математический анализ. Часть 1», В.А. Зорич, Москва, 1997;
  • «Глубокое обучение. Погружение в мир нейронных сетей», С. Никуленко, А. Кадурин, Е. Архангельская, ПИТЕР, 2018.

Источник: https://habr.com/post/474338/

Необходимые и достаточные условия существования экстремумов. Примеры

 Экстремумом функции называется максимальное (минимальное) значение функции на заданном множестве. Точка, в которой достигается экстремум называется точкой экстремума.
Точка называется точкой локального максимума функции , если выполняется условие:
Аналогично точка называется точкой локального минимума функции , если выполняется условие:

Точки, в которых производная равна нулю, называются стационарными точками.Точки, в которых функция непрерывна, а её производная либо равна нулю, либо не существует, называются критическими точками.

Теорема (необходимое условие экстремума)

Если точка — точка экстремума функции , то она критическая.

Доказательство

По условию точка — точка экстремума функции по теореме Ферма производная точка является критической.

Пример:

Найти экстремум функции .
Найдем производную этой функции: критические точки задаются уравнением . Корни этого уравнения и .

Как видно по рисунку функция имеет максимум в точке 1, а минимум в точке 3. Подставим эти значения чтобы убедиться в исходную функцию: и в точке  функция имеет минимум, равный -4, а в точке функция имеет максимум, равный 0.

Замечания:

Не всякая критическая точка является точкой экстремума.

Пример:

  • Рассмотрим функцию . Построим график этой функции:
  • Производная данной функции в точке по определению является критической точкой, однако в этой точке функция не имеет экстремума.

Теорема (первое достаточное условие экстремума в терминах первой производной)

Пусть функция определена и дифференцируема в некоторой окрестности точки , кроме, быть может, самой точки и непрерывна в этой точке. Тогда:

  1. Если производная меняет знак с «-» на «+» при переходе через точку : и , то — точка строго минимума функции
  2. Если производная меняет знак с «+» на «-» при переходе через точку : и  , то — точка строго максимума функции

Доказательство

Пусть, например, меняет знак с «-» на «+». Рассмотрим точку на сегменте Воспользуемся теоремой о конечных приращениях Лагранжа: , . Поскольку при переходе через точку функция меняет знак с «-» на «+», то и , то
Аналогично рассмотрим сегмент , получим
  — точка строгого минимума функции.

Замечания:

Если — точка строго экстремума, то из этого не следует, что производная меняет знак при переходе через точку

Теорема (второе достаточное условие строгого экстремума в терминах второй производной)

Пусть дана функция , она определена в некоторой окрестности точки , ее первая производная и пусть , тогда:

  1. Если , то точка — точка строгого минимума;
  2. Если , то точка — точка строгого максимума.

Доказательство

Докажем теорему для первого случая, когда . По скольку непрерывна, то на достаточно малом интервале , т.к , то возрастает в этом интервале. , значит на интервале и  на интервале .
Таким образом функция убывает на интервале и возрастает на интервале по первому достаточному условию экстремума функция в точке имеет минимум.
Аналогично доказывается второй случай теоремы.

Замечания:

Если и , то функция может и не иметь экстремум в точке

Теорема (третье достаточное условие строгого экстремума в терминах производных порядка больше двух)

Пусть функция определена в некоторой окрестности точки , и в этой точке существуют производные до n-го порядка пусть , и , Тогда:

  1. Если (т.е — четное), то — точка экстремума:
    • если , то — точка локального максимума;
    • если , то — точка локального минимума;
  2. Если (т.е — нечетное), то — не является точкой экстремума.

Доказательство

Воспользуемся формулой Тейлора в окрестности точки с остатком в форме Пеано: .
По скольку все производные до порядка включительно равны нулю получим: Запишем полученное выражение в виде: . Выражение . Пусть , . Отсюда следует, что сохранение или изменение знака приращения функции во время перехода через точку зависит от четности . Последний факт и доказывает теорему.

Список литературы:

максимум из 4 баллов

Таблица загружается
Нет данных

Место Имя Записано Баллы Результат

Источник: https://ib.mazurok.com/2013/05/17/extremum-of-the-function/

Содержание:

  1. Критические точки и экстремумы функции
  2. Теорема Ферма (Необходимое условие существовании экстремумов)
  3. Достаточное условие существования экстремума
  4. Задача пример №117
  5. Задача пример №118
  6. Задача пример №119
  7. Задача пример №120
  8. Задача пример №121

Критические точки и экстремумы функции

В некоторых точках из области определения производная функции может быть равна нулю или вообще может не существовать. Такие точки из области определения называются критическими точками функции. Покажем критические точки на графике заданной функции.

1. Для значений Критические точки и экстремумы функции равных Критические точки и экстремумы функцииКритические точки и экстремумы функции угловой коэффициент касательной к графику равен 0. Т.e. Критические точки и экстремумы функции. Эти точки являются критическими точками функции.

2. В точках Критические точки и экстремумы функции функция не имеет производной. Эти тоже критические точки функции.

Критические точки и экстремумы функции

3. Для рассматриваемой нами функции критические точки Критические точки и экстремумы функцииКритические точки и экстремумы функции делят ее область определения на чередующиеся интервалы возрастания и убывания. Точки Критические точки и экстремумы функции– критические точки, которые не изменяют возрастание и убывание (или наоборот).

По графику видно, что в точках внутреннего экстремума Критические точки и экстремумы функции производная функции равна нулю, а в точке Критические точки и экстремумы функции производная не существует. Точки, в которых производная функции равна нулю, также называются стационарными точками.

Критические точки и экстремумы функции

Теорема Ферма (Необходимое условие существовании экстремумов)

Во внутренних точках экстремума производная либо равна нулю, либо не существует.

Примечание. Точка, в которой производная равна нулю, может и не быть точкой экстремума. Например, в точке Критические точки и экстремумы функции производная функции Критические точки и экстремумы функции равна нулю, но эта точка не является ни точкой максимума, ни точкой минимума.

На отрезке непрерывности функция может иметь несколько критических точек, точек максимума и минимума. Существование экстремума в точке зависит от значения функции в данной точке и в точках, близких к данной, т.е. имеет смысл локального (местного) значения. Поэтому иногда используют термин локальный максимум и локальный минимум.

Критические точки и экстремумы функции Критические точки и экстремумы функции

Достаточное условие существования экстремума

Пусть функция Критические точки и экстремумы функции непрерывна на промежутке Критические точки и экстремумы функции и Критические точки и экстремумы функции. Если Критические точки и экстремумы функции является критической точкой, в окрестности которой функция дифференцируема, то, если в этой окрестности:

1 ) Критические точки и экстремумы функции слева от точки Критические точки и экстремумы функции положительна, а справа – отрицательна, то точка Критические точки и экстремумы функции является точкой максимума.

2) Критические точки и экстремумы функции слева от Критические точки и экстремумы функции отрицательна, а справа – положительна, то точка Критические точки и экстремумы функции является точкой минимума

3) Критические точки и экстремумы функции с каждой стороны от точки Критические точки и экстремумы функции имеет одинаковые знаки, то точка Критические точки и экстремумы функции не является точкой экстремума.

Чтобы найти наибольшее (абсолютный максимум) или наименьшее (абсолютный минимум) значение функции, имеющей конечное число критических точек на отрезке, надо найти значение функции во всех критических точках и на концах отрезка, а затем из полученных значений выбрать наибольшее или наименьшее.

Соответствующие наибольшее и наименьшее значения функции Критические точки и экстремумы функции на отрезке Критические точки и экстремумы функции записываются как Критические точки и экстремумы функции и Критические точки и экстремумы функции.

Ниже представлены примеры определения максимума и минимума в соответствии со знаком производной первого порядка.

Критические точки и экстремумы функции

Задача пример №117

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.

1. Производная функции: Критические точки и экстремумы функции

2. Критические точки функции: Критические точки и экстремумы функции

3. Точки Критические точки и экстремумы функции и Критические точки и экстремумы функции разбивают область определения функции на три промежутка.

Проверим знак Критические точки и экстремумы функции на 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 (1;-1) – минимум

4. 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

Задача пример №118

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 функции и на концах отрезка.

Критические точки и экстремумы функции

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

Задача пример №119

Найдите экстремумы функции Критические точки и экстремумы функции.

Решение:

1. Производная функции: Критические точки и экстремумы функции

2. Критические точки: Критические точки и экстремумы функции, Критические точки и экстремумы функции

3. Интервалы, на которые критические точки делят область определения функции: Критические точки и экстремумы функции

Проверим знак Критические точки и экстремумы функции на интервалах, выбрав пробные точки.

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

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

Для промежутка 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

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

• Функция Критические точки и экстремумы функции на промежутке Критические точки и экстремумы функции возрастает.

• Точка Критические точки и экстремумы функции критическая точка функции Критические точки и экстремумы функции, но не является экстремумом.

• Функция Критические точки и экстремумы функции на промежутке [0; 1,5] возрастает.

• Функция Критические точки и экстремумы функциина промежутке Критические точки и экстремумы функции убывает.

Критические точки и экстремумы функции

Задача пример №120

Найдите экстремумы функции Критические точки и экстремумы функции

Решение:

1. Производная Критические точки и экстремумы функции

2. Критические точки: для этого надо решить уравнение Критические точки и экстремумы функции или найти точки, в которых производная не существует. В точке Критические точки и экстремумы функции функция не имеет конечной производной. Однако точка Критические точки и экстремумы функции принадлежит области определения. Значит, точка Критические точки и экстремумы функции является критической точкой функции.

3. Промежутки, на которые критическая точка делит область определения функции: Критические точки и экстремумы функции и 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

• Функция Критические точки и экстремумы функции на промежутке Критические точки и экстремумы функции убывает.

• Функция Критические точки и экстремумы функции на промежутке Критические точки и экстремумы функции возрастает.

Критические точки и экстремумы функции

Задача пример №121

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 функции в точке Критические точки и экстремумы функции равна нулю, а при Критические точки и экстремумы функции отрицательна, значит, на интервале Критические точки и экстремумы функции функция убывающая. При Критические точки и экстремумы функции производная положительна, а это говорит о том, что функция Критические точки и экстремумы функции на промежутке Критические точки и экстремумы функции возрастает. Точкой перехода от возрастания к убыванию функции является точка Критические точки и экстремумы функции. Соответствующий график представлен на рисунке.

Критические точки и экстремумы функции

Эта лекция взята из раздела решения задач по математике, там вы найдёте другие лекци по всем темам математики:

Другие темы которые вам помогут понять математику:

  • Объемы подобных фигур
  • Нахождение промежутков возрастания и убывания функции
  • Построение графиков функции с помощью производной
  • Задачи на экстремумы. Оптимизации

Лекции:

  • Экстремумы функции двух переменных. Производная по направлению
  • Доказательство неравенств
  • Системы уравнений
  • Максимальные и минимальные значения функции
  • Действия с корнями
  • Отрицательное биномиальное распределение
  • Длина дуги кривой
  • Вычислить несобственный интеграл
  • Градиент функции: пример решения
  • Интеграл натурального логарифма

12. Исследование функций с помощью производной


1. Вспоминай формулы по каждой теме


2. Решай новые задачи каждый день


3. Вдумчиво разбирай решения

Поиск точек экстремума у элементарных функций

(blacktriangleright) Простейшие элементарные функции (ПЭФ) и их производные: [begin{array}{|r|c|c|}
hline & text{Функция } f(x) & text{Производная } f'(x)\
hline
textbf{1} & c & 0\&&\
textbf{2} & x^a & acdot x^{a-1}\&&\
textbf{3} & ln x & dfrac1x\&&\
textbf{4} & log_ax & dfrac1{xcdot ln a}\&&\
textbf{5} & e^x & e^x\&&\
textbf{6} & a^x & a^xcdot ln a\&&\
textbf{7} & sin x & cos x\&&\
textbf{8} & cos x & -sin x\[1ex]
hline
end{array} quad quad quad quad
begin{array}{|r|c|c|}
hline & text{Функция } f(x) & text{Производная } f'(x)\
hline
textbf{9} & mathrm{tg}, x & dfrac1{cos^2 x}\&&\
textbf{10} & mathrm{ctg}, x & -,dfrac1{sin^2 x}\&&\
textbf{11} & arcsin x & dfrac1{sqrt{1-x^2}}\&&\
textbf{12} & arccos x & -,dfrac1{sqrt{1-x^2}}\&&\
textbf{13} & mathrm{arctg}, x & dfrac1{1+x^2}\&&\
textbf{14} & mathrm{arcctg}, x & -,dfrac1{1+x^2}\[0.5ex]
hline
end{array}]

(blacktriangleright) Элементарные функции (ЭФ) — любые линейные комбинации простейших элементарных функций (то есть их сумма, разность, умножение на число).

Пример: (f(x)=4cos x +dfrac{x^3}2)

(blacktriangleright) Основные формулы поиска производной ((f=f(x), g=g(x)) – функции):

1. Умножение функции на число: [(ccdot f)’=ccdot f’]

2. Сумма или разность двух функций: [(fpm g)’=f’pm
g’]

(blacktriangleright) Хитрости, упрощающие поиск производной:

I. Т.к. (sqrt[n]{x^m}=x^{frac mn}), то производную этой функции можно искать по формуле (2).

Частный случай: (sqrt x =x^{frac12}): [(sqrt x)’=dfrac1{2sqrt x}]

II. Т.к. (dfrac1{x^a}=x^{-a}), то производную этой функции можно также искать по формуле (2): [left(dfrac1{x^a}right)’=-dfrac a{x^{a+1}}]

(blacktriangleright) Для того, чтобы найти точки экстремума, необходимо схематично изобразить график функции.
В задачах из данной подтемы это можно сделать с помощью производной: найти промежутки возрастания ((f’>0)) и убывания ((f'<0)) функции, критические точки (где (f’=0) или (f’) не существует).


Задание
1

#2390

Уровень задания: Легче ЕГЭ

Найдите точку максимума функции (y = -x^2).

ОДЗ: (x) – произвольный.

1) [y’ = -2x]

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует): [-2x = 0qquadLeftrightarrowqquad x = 0,.] Производная существует при любом (x).

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Эскиз графика:

Таким образом, (x = 0) – точка максимума функции (y).

Ответ: 0


Задание
2

#2391

Уровень задания: Легче ЕГЭ

Найдите точку минимума функции (y = x^2 + 2x + 2) на отрезке ([-2; 2]).

ОДЗ: (x) – произвольный.

1) [y’ = 2x + 2]

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует): [2x + 2 = 0qquadLeftrightarrowqquad x = -1,.] Производная существует при любом (x).

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Найдём промежутки знакопостоянства (y’) на рассматриваемом отрезке ([-2; 2]):

4) Эскиз графика на отрезке ([-2; 2]):

Таким образом, (x = -1) – точка минимума функции (y) на ([-2; 2]).

Ответ: -1


Задание
3

#2392

Уровень задания: Легче ЕГЭ

Найдите точку минимума функции (y = 3x^2 – 6x + pi) на отрезке ([-3; 3]).

ОДЗ: (x) – произвольный.

1) [y’ = 6x – 6]

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует): [6x – 6 = 0qquadLeftrightarrowqquad x = 1,.] Производная существует при любом (x).

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Найдём промежутки знакопостоянства (y’) на рассматриваемом отрезке ([-3; 3]):

4) Эскиз графика на отрезке ([-3; 3]):

Таким образом, (x = 1) – точка минимума функции (y) на ([-3; 3]).

Ответ: 1


Задание
4

#2691

Уровень задания: Равен ЕГЭ

Найдите точку локального минимума функции (y = x^3 – 3x).

ОДЗ: (x) – произвольный.

1) [y’ = 3x^2 – 3]

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует): [3x^2 – 3 = 0qquadLeftrightarrowqquad x = pm 1,.] Производная существует при любом (x).

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Эскиз графика (y):

Таким образом, (x = 1) – точка локального минимума функции (y).

Ответ: 1


Задание
5

#2710

Уровень задания: Равен ЕГЭ

Найдите точку локального максимума функции

(y = x^3 – 15x^2 + 48x + e).

1) (y’ = 3x^2 – 30x + 48 = 3(x^2 – 10x + 16)).

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует):

[3(x^2 – 10x + 16) = 0qquadLeftrightarrowqquad x^2 – 10x + 16 = 0,] откуда находим (x_1 = 2, x_2 = 8). Таким образом, [y’ = 3(x – 2)(x – 8).] Для того, чтобы найти точки локального максимума/минимума функции, нужно понять, как схематично выглядит её график.

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Эскиз графика (y):

Таким образом, (x = 2) – точка локального максимума функции (y).

Ответ: 2


Задание
6

#869

Уровень задания: Равен ЕГЭ

Найдите точку локального максимума функции (y = dfrac{1}{3}x^3 – 8x^2 + 55x + 11).

1) (y’ = x^2 – 16x + 55).

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует):

(x^2 – 16x + 55 = 0), откуда находим корни (x_1 = 5, x_2 = 11). Таким образом, [y’ = (x-5)(x-11).] Для того, чтобы найти точки локального максимума/минимума функции, нужно понять, как схематично выглядит её график.

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Эскиз графика (y):

Таким образом, (x = 5) – точка локального максимума функции (y).

Ответ: 5


Задание
7

#868

Уровень задания: Равен ЕГЭ

Найдите точку локального минимума функции (y = dfrac{1}{3}x^3 – 3x^2 + 8x + 2).

1) (y’ = x^2 – 6x + 8).

Найдём критические точки (то есть внутренние точки области определения функции, в которых её производная равна (0) или не существует):

(x^2 – 6x + 8 = 0), откуда находим корни (x_1 = 2, x_2 = 4). Таким образом, [y’ = (x-2)(x-4).] Для того, чтобы найти точки локального максимума/минимума функции, нужно понять, как схематично выглядит её график.

2) Найдём промежутки знакопостоянства (y’):

3) Эскиз графика (y):

Таким образом, (x = 4) – точка локального минимума функции (y).

Ответ: 4

Задачи, при выполнении которых требуется найти точки экстремума у элементарных функций, в ЕГЭ по математике включаются каждый год. Уметь справляться с ними должны школьники, сдающие как базовый уровень экзамена, так и профильный. Научившись безошибочно находить максимум и минимум элементарной функции в задачах ЕГЭ, выпускники смогут выполнить задание и получить конкурентные баллы.

Восполнить пробелы в знаниях и лучше усвоить информацию вам поможет образовательный проект «Школково». Чтобы учащимся было легче справляться с задачами ЕГЭ, в которых необходимо найти минимум и максимум элементарной функции, мы предлагаем прежде всего повторить определения и основные правила. Эту информацию мы разместили в разделе «Теоретическая справка». Здесь собран материал, подготовленный нашими специалистами для выпускников средних школ.

Чтобы закрепить усвоенную информацию и научиться справляться с задачами в ЕГЭ, выполните упражнения, в которых требуется найти точки экстремума у элементарных функций. Богатая подборка задач представлена в разделе «Каталог». Задания здесь регулярно обновляются и дополняются. Выполнить упражнения на нахождение точек экстремума у элементарных функций, которые встречаются в ЕГЭ, можно в режиме онлайн, находясь в Москве или любом другом городе России.

УСТАЛ? Просто отдохни

Добавить комментарий