Как найти количество экстремумов функции по графику

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

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

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:

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)).

         

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

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

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

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:

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.

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.

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:

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

Экстремумы функции

Необходимое условие экстремума функции одной переменной

Достаточное условие экстремума функции одной переменной

Если в точке x * выполняется условие:

Пример №1 . Найти наибольшее и наименьшее значения функции: на отрезке [1; 3].
Решение.

Критическая точка одна x₁ = 2 (f’(x)=0). Эта точка принадлежит отрезку [1;3]. (Точка x=0 не является критической, так как 0∉[1;3]).
Вычисляем значения функции на концах отрезка и в критической точке.
f(1)=9, f(2)= 5 /₂, f(3)=3 8 /₈₁
Ответ: f_min= 5 /₂ при x=2; f_max=9 при x=1

Пример №2 . С помощью производных высших порядков найти экстремум функции y=x-2sin(x) .
Решение.
Находим производную функции: y’=1-2cos(x) . Найдем критические точки: 1-cos(x)=2, cos(x)=½, x=± π /₃+2πk, k∈Z. Находим y’’=2sin(x), вычисляем , значит x= π /₃+2πk, k∈Z – точки минимума функции; , значит x=- π /₃+2πk, k∈Z – точки максимума функции.

Пример №3 . Исследовать на экстремум фцнкцию в окрестностях точки x=0.
Решение. Здесь необходимо найти экстремумы функции. Если экстремум x=0 , то выяснить его тип (минимум или максимум). Если среди найденных точек нет x = 0, то вычислить значение функции f(x=0).
Следует обратить внимание, что когда производная с каждой стороны от данной точки не меняет своего знака, не исчерпываются возможные ситуации даже для дифференцируемых функций: может случиться, что для сколь угодно малой окрестности по одну из сторон от точки x₀ или по обе стороны производная меняет знак. В этих точках приходится применять другие методы для исследования функций на экстремум.

Пример №4 . Разбить число 49 на два слагаемых, произведение которых будет наибольшим.
Решение. Обозначим x – первое слагаемое. Тогда (49-x) – второе слагаемое.
Произведение будет максимальным: x·(49-x) → max
или
49x – x 2

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.

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:

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)).

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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

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

Экстремумы функции: признаки существования, примеры решений

Экстремумы функции, их необходимый и достаточный признаки

Точка экстремума функции – это точка области определения функции, в которой значение функции принимает минимальное или максимальное значение. Значения функции в этих точках называются экстремумами (минимумом и максимумом) функции.

Нахождение эктремумов функции может быть как самостоятельной задачей, так и одним из этапов полного исследования функции и построения её графиков. Кстати, будет полезным открыть в новом окне материал Свойства и графики элементарных функций. И ещё потребуются таблица производных простых функций и таблица производных сложных функций (откроются в новом окне), так как в примерах указано, какая именно табличная производная найдена.

Рассмотрим график непрерывной функции (рисунок снизу).

Определение. Точка x 1 области определения функции f(x) называется точкой максимума функции, если значение функции в этой точке больше значений функции в достаточно близких к ней точках, расположенных справа и слева от неё (то есть выполняется неравенство f(x 0 ) > f(x 0 + Δx) ). В этом случае говорят, что функция имеет в точке x 1 максимум.

Определение. Точка x 2 области определения функции f(x) называется точкой минимума функции, если значение функции в этой точке меньше значений функции в достаточно близких к ней точках, расположенных справа и слева от неё (то есть выполняется неравенство f(x 0 ) 0 + Δx) ). В этом случае говорят, что функция имеет в точке x 2 минимум.

Допустим, точка x 1 – точка максимума функции f(x) . Тогда в интервале до x 1 функция возрастает, поэтому производная функции больше нуля ( f ‘(x) > 0 ), а в интервале после x 1 функция убывает, следовательно, и производная функции меньше нуля ( f ‘(x) ). Тогда в точке x 1 производная функции равна нулю или не существует.

Допустим также, что точка x 2 – точка минимума функции f(x) . Тогда в интервале до x 2 функция убывает, а производная функции меньше нуля ( f ‘(x) ), а в интервале после x 2 функция возрастает, а производная функции больше нуля ( f ‘(x) > 0 ). В этом случае также в точке x 2 производная функции равна нулю или не существует.

Теорема Ферма (необходимый признак существования экстремума функции). Если точка x 0 – точка экстремума функции f(x) , то в этой точке производная функции равна нулю ( f ‘(x) = 0 ) или не существует.

Определение. Точки, в которых производная функции равна нулю или не существует, называются критическими точками.

Пример 1. Рассмотрим функцию .

В точке x = 0 производная функции равна нулю, следовательно, точка x = 0 является критической точкой. Однако, как видно на графике функции, она возрастает во всей области определения, поэтому точка x = 0 не является точкой экстремума этой функции.

Таким образом, условия о том, что производная функции в точке равна нулю или не существует, являются необходимыми условиями экстремума, но не достаточными, поскольку можно привести и другие примеры функций, для которых эти условия выполняются, но экстремума в соответствующей точке функция не имеет. Поэтому нужно располагать достаточными признаками, позволяющими судить, имеется ли в конкретной критической точке экстремум и какой именно – максимум или минимум.

Теорема (первый достаточный признак существования экстремума функции). Критическая точка x 0 является точкой экстремума функции f(x) , если при переходе через эту точку производная функции меняет знак, причём, если знак меняется с “плюса” на “минус”, то точкой максимума, а если с “минуса” на “плюс”, то точкой минимума.

Если же вблизи точки x 0 , слева и справа от неё, производная сохраняет знак, то это означает, что функция либо только убывает, либо только возрастает в некоторой окрестности точки x 0 . В этом случае в точке x 0 экстремума нет.

Итак, чтобы определить точки экстремума функции, требуется выполнить следующее:

1. Найти производную функции.
2. Приравнять производную нулю и определить критические точки.
3. Мысленно или на бумаге отметить критические точки на числовой оси и определить знаки производной функции в полученных интервалах. Если знак производной меняется с “плюса” на “минус”, то критическая точка является точкой максимума, а если с “минуса” на “плюс”, то точкой минимума.
4. Вычислить значение функции в точках экстремума.

Для самопроверки при расчётах можно воспользоваться онлайн калькулятором производных.

Пример 2. Найти экстремумы функции .

Решение. Найдём производную функции (в таблице производных сложных функций – производная 6):

.

Приравняем производную нулю, чтобы найти критические точки:

.

Так как для любых значений “икса” знаменатель не равен нулю, то приравняем нулю числитель:

.

Получили одну критическую точку x = 3 . Определим знак производной в интервалах, разграниченных этой точкой:

в интервале от минус бесконечности до 3 – знак минус, то есть функция убывает,

в интервале от 3 до плюс бесконечности – знак плюс, то есть функция возрастает.

То есть, точка x = 3 является точкой минимума.

Найдём значение функции в точке минимума:

.

Таким образом, точка экстремума функции найдена: (3; 0) , причём она является точкой минимума.

Теорема (второй достаточный признак существования экстремума функции). Критическая точка x 0 является точкой экстремума функции f(x) , если вторая производная функции в этой точке не равна нулю ( f ”(x) ≠ 0 ), причём, если вторая производная больше нуля ( f ”(x) > 0 ), то точкой максимума, а если вторая производная меньше нуля ( f ”(x) ), то точкой минимума.

Замечание 1. Если в точке x 0 обращаются в нуль и первая, и вторая производные, то в этой точке нельзя судить о наличии экстремума на основании второго достаточного признака. В этом случае нужно воспользоваться первым достаточным признаком экстремума функции.

Замечание 2. Второй достаточный признак экстремума функции неприменим и тогда, когда в стационарной точке первая производная не существует (тогда не существует и вторая производная). В этом случае также нужно вопользоваться первым достаточным признаком экстремума функции.

Локальный характер экстремумов функции

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

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

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

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

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

Ищем экстремумы функции вместе

Пример 3. Найти экстремумы функции и построить её график.

Решение. Функция определена и непрерывна на всей числовой прямой. Её производная (и первое, и второе слагаемые – табличная производная 3) существует также на всей числовой прямой. Поэтому в данном случае критическими точками служат лишь те, в которых , т.е. , откуда и . Критическими точками и разбивают всю область определения функции на три интервала монотонности: . Выберем в каждой из них по одной контрольной точке и найдём знак производной в этой точке.

Для интервала контрольной точкой может служить : находим . Взяв в интервале точку , получим , а взяв в интервале точку , имеем . Итак, в интервалах и , а в интервале . Согласно первому достаточному признаку экстремума, в точке экстремума нет (так как производная сохраняет знак в интервале ), а в точке функция имеет минимум (поскольку производная при переходе через эту точку меняет знак с минуса на плюс). Найдём соответствующие значения функции: , а . В интервале функция убывает, так как в этом интервале , а в интервале возрастает, так как в этом интервале .

Чтобы уточнить построение графика, найдём точки пересечения его с осями координат. При получим уравнение , корни которого и , т. е. найдены две точки (0; 0) и (4; 0) графика функции. Используя все полученные сведения, строим график (см. в начале примера).

Для самопроверки при расчётах можно воспользоваться онлайн калькулятором производных.

Пример 4. Найти экстремумы функции и построить её график.

Областью определения функции является вся числовая прямая, кроме точки , т.е. .

Для сокращения исследования можно воспользоваться тем, что данная функция чётная, так как . Поэтому её график симметричен относительно оси Oy и исследование можно выполнить только для интервала .

Находим производную (каждое слагаемое находим как табличную производную 3) и критические точки функции:

1) ;

2) ,

но функция терпит разрыв в этой точке, поэтому она не может быть точкой экстремума.

Таким образом, заданная функция имеет две критические точки: и . Учитывая чётность функции, проверим по второму достаточному признаку экстремума только точку . Для этого найдём вторую производную и определим её знак при : получим . Так как и , то является точкой минимума функции, при этом .

Чтобы составить более полное представление о графике функции, выясним её поведение на границах области определения:

(здесь символом обозначено стремление x к нулю справа, причём x остаётся положительным; аналогично означает стремление x к нулю слева, причём x остаётся отрицательным). Таким образом, если , то . Далее, находим

,

т.е. если , то .

Точек пересечения с осями график функции не имеет. Рисунок – в начале примера.

Найти экстремумы функции самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 5. Найти экстремумы функции .

Пример 6. Найти экстремумы функции .

Пример 7. Найти экстремумы функции .

Для самопроверки при расчётах можно воспользоваться онлайн калькулятором производных.

Продолжаем искать экстремумы функции вместе

Пример 8. Найти экстремумы функции .

Решение. Найдём область определения функции. Так как должно выполняться неравенство , то из получаем .

Найдём первую производную функции (производная вида 2 в таблице производных сложной функции):

Найдём критические точки функции:

Точки и не могут быть точками экстремума, так как находятся на границе области определения функции. В точке производная функции меняет знак с плюса на минус, а в точке – с минуса на плюс. Следовательно, – точка максимума, а точка – точка минимума функции.

Найдём значения функции в этих точках:

Таким образом, экстремумы функции:

.

Пример 9. Найти экстремумы функции .

Решение. Найдём область определения функции.

Найдём критические точки функции:

Таким образом, у данной функции две критические точки: и . Определим значения производной в критических точках. При переходе через точку производная функции продолжает убывать (сохраняет знак минус), а при переходе через точку – начинает возрастать (меняет знак с минуса на плюс). Следовательно, – точка минимума функции.

Найдём значение функции в точке минимума:

Таким образом, минимум функции:

.

Пример 10. Найти экстремумы функции .

Решение. Найдём первую производную функции (первое слагаемое – производная вида 12 в таблице производных простых функций, второе – производная вида 6 в таблице производных сложной функции):

.

Найдём критические точки функции:

.

Так как для любого действительного x должно выполняться условие , то

.

Таким образом, данная функция имеет одну критическую точку. Определим значения производной в критической точке. При переходе через точку производная функции начинает убывать (меняет знак с плюса на минус). Следовательно, – точка максимума функции.

Найдём значение функции в точке максимума:

.

Таким образом, максимум функции:

.

[spoiler title=”источники:”]

http://cos-cos.ru/math/327/

http://function-x.ru/function_extremum.html

[/spoiler]

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:

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:

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:

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:

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:

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,
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.

Решение: Наша функция непрерывна. Воспользуемся нашим алгоритмом:
а)
б) в точке x= 2 производная не существует, т.к. на нуль делить нельзя,

Область определения функции: [2; +∞], в этой точки экстремума нет, т.к. окрестность точки не определена. Найдем значения, в которой производная равна нулю:

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

• 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.

Задания с ЕГЭ: 

Найдите точку максимума функции 

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

Все верно, сначала функция возрастает, затем убывает — это точка максимума!

Ответ: −15

Найдите точку минимума функции

• Преобразуем и возьмем производную: 

• Получается один корень «−2», однако не стоит забывать о «−3», она тоже будет влиять на изменение знака.

• 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. 

• 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.

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:

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)).

         

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.

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.

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.

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.

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:

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. 

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.

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-

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|2 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

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:

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

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/

Рассмотрим примеры заданий из №7 ЕГЭ, в которых нужно найти точки экстремума на графике производной.

Точка x_o, в которой существует производная f'(x_o), является точкой экстремума функции f(x), если производная в этой точке равна нулю и при переходе через x_o производная меняет свой знак.

Отсюда следует, что в точках экстремума функции график производной должен не просто касаться оси Ox, он должен её пересекать.

№1

На рисунке изображён график производной функции f(x), определённой на интервале (-6;7). Найти точку экстремума функции f(x) на отрезке [-2;5].

Решение:

На рисунке изображён график производной (а не график функции)!

В точках экстремума функции производная f'(x) равна нулю и меняет знак.

Выделяем отрезок [-2;5]. Точка, в которой производная равна нулю и меняет знак —  это точка с абсциссой 3.

Значит x=3 — точка экстремума функции y=f(x).

Ответ: 3.

№2

На рисунке изображён график производной функции f(x), определённой на интервале (-9;5). Найти количество точек экстремума функции f(x) на отрезке [6-;4].

Решение:

Выделяем отрезок [-6;4].

На этом отрезке график производной пересекает ось абсцисс в трёх точках.

Следовательно, на отрезке [-6;4] функция f(x) имеет три точки экстремума.

Ответ: 3.

№3

На рисунке изображён график производной функции f(x), определённой на интервале (-7;7). Найти количество точек экстремума функции f(x) на отрезке [-5;6].

Решение:

Выделяем отрезок [-5;6].

На этом отрезке график производной пересекает ось абсцисс в четырёх точках. Значит, функция f(x) имеет на отрезке [-5;6] четыре точки экстремума.

Точка, в которой производная равна нулю, но знак не меняет (график производной коснулся оси Ox, но не пересёк её), не является точкой экстремума.

Ответ: 4.

Важно внимательно читать условие, чтобы не перепутать нахождение точек экстремума по графику производной с заданием на нахождение точек экстремума по графику функции!

Производная положительна только тогда, когда функция возрастает. То есть, нам необходимо найти точки, в которых функция растет. Смотрим на график нашей функции: функция растет на промежутках: от (x=-7) до (x=0) и от (x = 6) до (x=12).

Так как по условию нам нужны только ЦЕЛЫЕ точки, в которых производная положительна, то это будут: (x=—6); (x=-5), (x=-4), (x=-3), (x=-2), (x=-1), (x=7), (x=8), (x=9), (x=10), (x=11). Всего точек получилось (11). Я отметил их зеленым цветом.

Обратите внимание, что точки (x=-7), (x=0), (x=6), (x=12) мы не считаем, так как в этих точках у нас будут минимумы и максимумы функции, а в них производная равна нулю, то есть не положительна.

Ответ: (11.)

Пример 2
На рисунке 6 изображен график функции, определенной на промежутке ((-10;12)). Найдите количество точек, в которых производная функции равна нулю.