Как найти наибольшее значение функции ограниченной линиями

Наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в замкнутой области

Краткая теория

---

Примеры решения задач

---

Задача 1

Найти наибольшее и наименьшее
значение в области

, ограниченной заданными линиями.

Решение

Область

 показана на рисунке:

  

Найдем стационарные точки:

Частные производные:  

Приравняем найденные частные производные к нулю и решим систему
уравнений:

Области

 принадлежит
точка

Исследуем функцию на границах области

:

при

:  

Приравниваем производную к нулю:

Находим значения функции:

При

Приравниваем производную к нулю:

Находим значения функции:

при

Приравниваем производную к нулю:

Находим значения функции:

На сайте можно заказать решение контрольной или самостоятельной работы, домашнего задания, отдельных задач. Для этого вам нужно только связаться со мной:

ВКонтакте
WhatsApp
Telegram

Мгновенная связь в любое время и на любом этапе заказа. Общение без посредников. Удобная и быстрая оплата переводом на карту СберБанка. Опыт работы более 25 лет.

Подробное решение в электронном виде (docx, pdf) получите точно в срок или раньше.

Сопоставляя полученные значения, получаем:

---

Задача 2

Найти наименьшее и
наибольшее значения функции

 в
указанной области. Сделать чертеж области.

  в круге

Решение

Область

 показана на рисунке:

Найдем стационарные точки:

Стационарных точек функция
не имеет

Исследуем функцию на
границах области:

при

Приравниваем производную к нулю:

Значение

 в
найденной точке:

Находим значения функции:

при

Приравниваем производную к нулю:

Значение

 в
найденной точке:

Находим значения функции:

Сопоставляя полученные
значения, находим:

 в
точке

 в
точке

Наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в замкнутой области.

Пусть функция $z=f(x,y)$ определена и непрерывна в некоторой ограниченной замкнутой области $D$. Пусть в этой области заданная функция имеет конечные частные производные первого порядка (за исключением, быть может, конечного количества точек). Чтобы найти наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в данной замкнутой области требуется выполнить три шага простого алгоритма.

Алгоритм поиска наибольшего и наименьшего значений функции $z=f(x,y)$ в замкнутой области $D$.

1. Найти критические точки функции $z=f(x,y)$, принадлежащие области $D$. Вычислить значения функции в критических точках.
2. Исследовать поведение функции $z=f(x,y)$ на границе области $D$, найдя точки возможного наибольшего и наименьшего значений. Вычислить значения функции в полученных точках.
3. Из значений функции, полученных в предыдущих двух пунктах, выбрать наибольшее и наименьшее.

Что такое критические точки? показатьскрыть

Пример №1

Найти наибольшее и наименьшее значения функции $z=x^2+2xy-y^2-4x$ в замкнутой области, ограниченной линиями $x=3$, $y=0$ и $y=x+1$.

Решение

Будем следовать указанному выше алгоритму, но для начала разберёмся с чертежом заданной области, которую обозначим буквой $D$. Нам заданы уравнения трёх прямых, кои эту область ограничивают. Прямая $x=3$ проходит через точку $(3;0)$ параллельно оси ординат (оси Oy). Прямая $y=0$ – это уравнение оси абсцисс (оси Ox). Ну, а для построения прямой $y=x+1$ найдём две точки, через которые и проведём данную прямую. Можно, конечно, подставить вместо $x$ парочку произвольных значений. Например, подставляя $x=10$, получим: $y=x+1=10+1=11$. Мы нашли точку $(10;11)$, лежащую на прямой $y=x+1$. Однако лучше отыщем те точки, в которых прямая $y=x+1$ пересекается с линиями $x=3$ и $y=0$. Почему это лучше? Потому, что мы одним выстрелом уложим пару зайцев: получим две точки для построения прямой $y=x+1$ и заодно выясним, в каких точках эта прямая пересекает иные линии, ограничивающие заданную область. Прямая $y=x+1$ пересекает прямую $x=3$ в точке $(3;4)$, а прямую $y=0$ – в точке $(-1;0)$. Дабы не загромождать ход решения вспомогательными пояснениями, то вопрос о получении этих двух точек вынесу в примечание.

Как были получены точки $(3;4)$ и $(-1;0)$? показатьскрыть

Всё готово для построения чертежа, который будет иметь такой вид:

Вот теперь перейдём к первому шагу алгоритма. Найдём частные производные первого порядка:

$$
frac{partial z}{partial x}=2x+2y-4; frac{partial z}{partial y}=2x-2y.
$$

Заметьте, что найденные производные первого порядка существуют для всех значений $x$ и $y$. Т.е. нету точек, в которых хотя бы одна производная не существует. Попробуем отыскать точки, в которых обе частные производные равны нулю (стационарные точки):

$$
left { begin{aligned}
& 2x+2y-4=0;\
& 2x-2y=0.
end{aligned} right.

;; left { begin{aligned}
& x+y=2;\
& x-y=0.
end{aligned} right.
$$

Мы получили систему линейных алгебраических уравнений. Для решения таких систем можно применить, например, метод Крамера. Однако в данном случае можно поступить попроще. Из второго уравнения имеем: $y=x$. Подставляя $y=x$ в первое уравнение, получим: $x+x=2$, $2x=2$, $x=1$. Так как $x=1$, то $y=x=1$. Итак, $(1;1)$ – единственная стационарная точка функции $z$.

Однако недостаточно просто найти стационарные точки. Нужно выбрать те из них, которые принадлежат области $D$. В нашем случае точка $(1;1)$ принадлежит этой области. Обозначим эту точку как $M_1(1;1)$. Вычислим значение функции в этой точке:

$$z_1=z(M_1)=1^2+2cdot 1cdot 1-1^2-4cdot 1=-2.$$

А почему точка $(1;1)$ принадлежит области $D$? показатьскрыть

Теперь настал черёд исследовать поведение функции на границе области, т.е. переходим ко второму шагу алгоритма. Начнём с прямой $y=0$.

Прямая $y=0$ (ось абсцисс) ограничивает область $D$ при условии $-1 ≤ x ≤ 3$. Подставим $y=0$ в заданную функцию $z(x,y)=x^2+2xy-y^2-4x$. Полученную в результате подстановки функцию одной переменной $x$ обозначим как $f_1(x)$:

$$
f_1(x)=z(x,0)=x^2+2xcdot 0-0^2-4x=x^2-4x.
$$

Теперь для функции $f_1(x)$ нужно найти наибольшее и наименьшее значения на отрезке $-1 ≤ x ≤ 3$. Отыщем производную этой функции и приравняем её к нулю:

$$
f_{1}^{‘}(x)=2x-4;\
2x-4=0; ; x=2.
$$

Значение $x=2$ принадлежит отрезку $-1 ≤ x ≤ 3$, поэтому к списку точек добавим ещё и $M_2(2;0)$. Кроме того, вычислим значения функции $z$ на концах отрезка $-1 ≤ x ≤ 3$, т.е. в точках $M_3(-1;0)$ и $M_4(3;0)$. Кстати, если бы точка $M_2$ не принадлежала рассматриваемому отрезку, то, разумеется, значение функции $z$ в ней вычислять не было бы надобности.

Итак, вычислим значения функции $z$ в точках $M_2$, $M_3$, $M_4$. Можно, конечно, подставлять координаты данных точек в исходное выражение $z=x^2+2xy-y^2-4x$. Например, для точки $M_2$ получим:

$$z_2=z(M_2)=2^2+2cdot 2cdot 0-0^2-4cdot 2=-4.$$

Однако вычисления можно немного упростить. Для этого стоит вспомнить, что на отрезке $M_3M_4$ имеем $z(x,y)=f_1(x)$. Распишу это подробно:

begin{aligned}
& z_2=z(M_2)=z(2,0)=f_1(2)=2^2-4cdot 2=-4;\
& z_3=z(M_3)=z(-1,0)=f_1(-1)=(-1)^2-4cdot (-1)=5;\
& z_4=z(M_4)=z(3,0)=f_1(3)=3^2-4cdot 3=-3.
end{aligned}

Разумеется, что в столь подробных записях обычно нет нужды, и все вычисления в дальнейшем станем записывать покороче:

$$z_2=f_1(2)=2^2-4cdot 2=-4;; z_3=f_1(-1)=(-1)^2-4cdot (-1)=5;; z_4=f_1(3)=3^2-4cdot 3=-3.$$

Теперь обратимся к прямой $x=3$. Эта прямая ограничивает область $D$ при условии $0 ≤ y ≤ 4$. Подставим $x=3$ в заданную функцию $z$. В результате такой подстановки мы получим функцию $f_2(y)$:

$$
f_2(y)=z(3,y)=3^2+2cdot 3cdot y-y^2-4cdot 3=-y^2+6y-3.
$$

Для функции $f_2(y)$ нужно найти наибольшее и наименьшее значения на отрезке $0 ≤ y ≤ 4$. Отыщем производную этой функции и приравняем её к нулю:

$$
f_{2}^{‘}(y)=-2y+6;\
-2y+6=0; ; y=3.
$$

Значение $y=3$ принадлежит отрезку $0 ≤ y ≤ 4$, поэтому к найденным ранее точкам добавим ещё и $M_5(3;3)$. Кроме того, нужно вычислить значение функции $z$ в точках на концах отрезка $0 ≤ y ≤ 4$, т.е. в точках $M_4(3;0)$ и $M_6(3;4)$. В точке $M_4(3;0)$ мы уже вычисляли значение $z$. Вычислим значение функции $z$ в точках $M_5$ и $M_6$. Напомню, что на отрезке $M_4M_6$ имеем $z(x,y)=f_2(y)$, поэтому:

begin{aligned}
& z_5=f_2(3)=-3^2+6cdot 3-3=6;
& z_6=f_2(4)=-4^2+6cdot 4-3=5.
end{aligned}

И, наконец, рассмотрим последнюю границу области $D$, т.е. прямую $y=x+1$. Эта прямая ограничивает область $D$ при условии $-1 ≤ x ≤ 3$. Подставляя $y=x+1$ в функцию $z$, будем иметь:

$$
f_3(x)=z(x,x+1)=x^2+2xcdot (x+1)-(x+1)^2-4x=2x^2-4x-1.
$$

Вновь мы получили функцию одной переменной $x$. И вновь нужно найти наибольшее и наименьшее значения этой функции на отрезке $-1 ≤ x ≤ 3$. Отыщем производную функции $f_{3}(x)$ и приравняем её к нулю:

$$
f_{3}^{‘}(x)=4x-4;\
4x-4=0; ; x=1.
$$

Значение $x=1$ принадлежит отрезку $-1 ≤ x ≤ 3$. Если $x=1$, то $y=x+1=2$. Добавим к списку точек ещё и $M_7(1;2)$ и выясним, чему равно значение функции $z$ в этой точке. Точки на концах отрезка $-1 ≤ x ≤ 3$, т.е. точки $M_3(-1;0)$ и $M_6(3;4)$, были рассмотрены ранее, значение функции в них мы уже находили.

$$z_7=f_3(1)=2cdot 1^2-4cdot 1-1=-3.$$

Второй шаг решения закончен. Мы получили семь значений:

$$z_1=-2;;z_2=-4;;z_3=5;;z_4=-3;;z_5=6;;z_6=5;;z_7=-3.$$

Обратимся к третьему шагу алгоритма. Выбирая наибольшее и наименьшее значения из тех чисел, что были получены в третьем пункте, будем иметь:

$$z_{min}=-4; ; z_{max}=6.$$

Задача решена, осталось лишь записать ответ.

Ответ: $z_{min}=-4; ; z_{max}=6$.

Пример №2

Найти наибольшее и наименьшее значения функции $z=x^2+y^2-12x+16y$ в области $x^2+y^2 ≤ 25$.

Решение

Сначала построим чертёж. Уравнение $x^2+y^2=25$ (это граничная линия заданной области) определяет окружность с центром в начале координат (т.е. в точке $(0;0)$) и радиусом 5. Неравенству $x^2+y^2 ≤ 25$ удовлетворяют все точки внутри и на упомянутой окружности.

Будем действовать по алгоритму. Найдем частные производные и выясним критические точки.

$$
frac{partial z}{partial x}=2x-12; frac{partial z}{partial y}=2y+16.
$$

Точек, в которых найденные частные производные не существуют, нет. Выясним, в каких точках обе частные производные одновременно равны нулю, т.е. найдём стационарные точки.

$$
left { begin{aligned}
& 2x-12=0;\
& 2y+16=0.
end{aligned} right. ;;
left { begin{aligned}
& x=6;\
& y=-8.
end{aligned} right.
$$

Мы получили стационарную точку $(6;-8)$. Однако найденная точка не принадлежит области $D$. Это легко показать, даже не прибегая к помощи рисунка. Проверим, выполняется ли неравенство $x^2+y^2 ≤ 25$, которое определяет нашу область $D$. Если $x=6$, $y=-8$, то $x^2+y^2=36+64=100$, т.е. неравенство $x^2+y^2 ≤ 25$ не выполнено. Вывод: точка $(6;-8)$ не принадлежит области $D$.

Итак, внутри области $D$ нет критических точек. Переходим дальше, ко второму шагу алгоритма. Нам нужно исследовать поведение функции на границе заданной области, т.е. на окружности $x^2+y^2=25$. Можно, конечно, выразить $y$ через $x$, а потом подставить полученное выражение в нашу функцию $z$. Из уравнения окружности получим: $y=sqrt{25-x^2}$ или $y=-sqrt{25-x^2}$. Подставляя, например, $y=sqrt{25-x^2}$ в заданную функцию, будем иметь:

$$
z=x^2+y^2-12x+16y=x^2+25-x^2-12x+16sqrt{25-x^2}=25-12x+16sqrt{25-x^2}; ;; -5≤ x ≤ 5.
$$

Дальнейшее решение будет полностью идентично исследованию поведения функции на границе области в предыдущем примере №1. Однако мне кажется более разумным в этой ситуации применить метод Лагранжа. Нас будет интересовать лишь первая часть этого метода. После применения первой части метода Лагранжа мы получим точки, в которых и исследуем функцию $z$ на предмет минимального и максимального значений.

Составляем функцию Лагранжа:

$$
F=z(x,y)+lambdacdot(x^2+y^2-25)=x^2+y^2-12x+16y+lambdacdot (x^2+y^2-25).
$$

Находим частные производные функции Лагранжа и составляем соответствующую систему уравнений:

$$
F_{x}^{‘}=2x-12+2lambda x; ;; F_{y}^{‘}=2y+16+2lambda y.\
left { begin{aligned}
& 2x-12+2lambda x=0;\
& 2y+16+2lambda y=0;\
& x^2+y^2-25=0.
end{aligned} right.
;; left { begin{aligned}
& x+lambda x=6;\
& y+lambda y=-8;\
& x^2+y^2=25.
end{aligned} right.
$$

Для решения этой системы давайте сразу укажем, что $lambdaneq -1$. Почему $lambdaneq -1$? Попробуем подставить $lambda=-1$ в первое уравнение:

$$
x+(-1)cdot x=6; ; x-x=6; ; 0=6.
$$

Полученное противоречие $0=6$ говорит о том, что значение $lambda=-1$ недопустимо. Вывод: $lambdaneq -1$. Выразим $x$ и $y$ через $lambda$:

begin{aligned}
& x+lambda x=6;; x(1+lambda)=6;; x=frac{6}{1+lambda}. \
& y+lambda y=-8;; y(1+lambda)=-8;; y=frac{-8}{1+lambda}.
end{aligned}

Полагаю, что тут становится очевидным, зачем мы специально оговаривали условие $lambdaneq -1$. Это было сделано, чтобы без помех поместить выражение $1+lambda$ в знаменатели. Т.е., чтобы быть уверенным, что знаменатель $1+lambdaneq 0$.

Подставим полученные выражения для $x$ и $y$ в третье уравнение системы, т.е. в $x^2+y^2=25$:

$$
left(frac{6}{1+lambda} right)^2+left(frac{-8}{1+lambda} right)^2=25;\
frac{36}{(1+lambda)^2}+frac{64}{(1+lambda)^2}=25;\
frac{100}{(1+lambda)^2}=25; ; (1+lambda)^2=4.
$$

Из полученного равенства следует, что $1+lambda=2$ или $1+lambda=-2$. Отсюда имеем два значения параметра $lambda$, а именно: $lambda_1=1$, $lambda_2=-3$. Соответственно, получим и две пары значений $x$ и $y$:

begin{aligned}
& x_1=frac{6}{1+lambda_1}=frac{6}{2}=3; ; y_1=frac{-8}{1+lambda_1}=frac{-8}{2}=-4. \
& x_2=frac{6}{1+lambda_2}=frac{6}{-2}=-3; ; y_2=frac{-8}{1+lambda_2}=frac{-8}{-2}=4.
end{aligned}

Итак, мы получили две точки возможного условного экстремума, т.е. $M_1(3;-4)$ и $M_2(-3;4)$. Найдём значения функции $z$ в точках $M_1$ и $M_2$:

begin{aligned}
& z_1=z(M_1)=3^2+(-4)^2-12cdot 3+16cdot (-4)=-75; \
& z_2=z(M_2)=(-3)^2+4^2-12cdot(-3)+16cdot 4=125.
end{aligned}

На третьем шаге алгоритма следует выбрать наибольшее и наименьшее значения из тех, что мы получили на первом и втором шагах. Но в данном случае выбор невелик 🙂 Имеем:

$$
z_{min}=-75; ; z_{max}=125.
$$

Ответ: $z_{min}=-75; ; z_{max}=125$.

Пусть функция
определена и непрерывна в ограниченной
замкнутой области.
Тогда она достигает в некоторых точкахсвоего наибольшегои наименьшегозначений (так называемыйглобальный
экстремум). Эти значения достигаются
функцией в точках, расположенных внутри
области,
или в точках, лежащих на границе области.

Правило нахождения наибольшего и наименьшего значений в замкнутой области

1. Найти все критические точки функции,
   принадлежащие
   ,
   и вычислить значения функции в них.

2. Найти наибольшее и наименьшее значения
   функции
   на границах области.

3. Сравнить все найденные значения функции
   и выбрать из них наибольшее
   и наименьшее.

Пример 2.2.Найти наибольшее и
наименьшее значения функциив замкнутой области, ограниченной
линиями:.

Решение.1)Строим замкнутую
область,
ограниченную линиями:.


,,,.

Таким образом, получаем четыре стационарные
точки, ни одна из которых не принадлежит
области
.

3)Исследуем функцию на границе
области, состоящей из участкови.

а) на границу
:.

Тогда получаем функцию от одной переменной
:.
Находим критические точки:.

.

Далее
.

б) на границу
:.

Тогда получаем функцию от одной переменной
:.
Находим критические точки:.

и.

Далее
.

в) на границу
:.

Тогда получаем функцию от одной переменной
:.
Находим критические точки:.

.

Далее
.

г) на границу
:.

Тогда получаем функцию от одной переменной
:

.

Находим критические точки:
.

.
Значит, на границекритических точек нет.

4)Находим значения функции в вершинах
области:.
Выше были найдены значения функциии,
что соответствует значениям функции в
точкахи.
Поэтому находим значения функции в
точкахи:

;

.

Из всех полученных значений функции
выбираем наибольшее и наименьшее:

;.



3. Производная по направлению. Градиент

3.1. Производная по направлению

Пусть задана функция
,
и точка.
Будем предполагать, что функциянепрерывна и имеет непрерывные производные
по своим аргументам в области.

Проведем из точки
вектор,
направляющие косинусы которого.

.

Учитывая, что
,
то полученное равенство будет иметь
следующий вид:

.

Перейдем к пределу при
.

Определение 3.1.Предел отношенияприназываетсяпроизводной от функции
в точкепо направлению вектораи обозначается,
т.е..

Итак, если функция
дифференцируемая, то производная от
функции в точке
по направлению вектора
находится по следующей формуле:

,
(3.1)

где
направляющие
косинусы вектора
.

В случае функции двух переменных
,
т.е. когда поле плоское, формула (3.2)
примет следующий вид:

,
(3.2)

где
.

Подобно тому, как частные производные
характеризуют скорость изменения
функции
в направлении осей координат, так и
производная по направлениюбудет являтьсяскоростью изменения
функции
в
точке
по направлению вектора
.

3.2. Градиент

В каждой точке области
,
в которой задана функция,
определим вектор, проекциями которого
на оси координат являются значения
частных производныхв выбранной точке
.Назовем этот векторградиентомфункциии обозначим его символами.

Определение 3.2.Градиентом
функции в точке
называется вектор, проекции которого
служат значения частных производных
этой функции, т.е.

.
(3.3)

Подчеркнем, что проекции градиента
зависят от выбора точки
и изменяются с изменением координат
этой точки. Таким образом, каждой точке
скалярного поля, определяемого функцией,
соответствует определенный вектор –
градиент этой функции.

Учитывая то, что скалярное произведение
равно модулю одного вектора умноженному
на проекцию другого вектора на направление
первого, то можно еще сказать, что:
производная функции по данному
направлению равна проекции градиента
функции на направление дифференцирования,
т.е.

,

где угол междуи направлением.

Установим некоторые свойства градиента.

Отсюда следует, что производная по
направлению достигает наибольшего
значения, когда
,
т.е. при.

1) Производная в данной точке по
направлению вектора
имеет наибольшее значение, если
направление векторасовпадает с направлением градиента;
это наибольшее значение производной
равно.

Таким образом, направление градиента
есть направление наискорейшего
возрастания функции.В противоположном
направлении функция будет быстрее всего
убывать.наибольшая скорость
изменения функциив точке.

2) Производная по направлению вектора,
перпендикулярного к вектору
,
равна нулю.

Пример 3.1.Дана функция.
Найти:

1) производную в точке
по направлению вектора;

2) производную в точке
по направлению к точке;

3) градиент функции в точке
.

Решение.1) Находим частные производные
и значения частных производных в точке:

;

;

.

Находим направляющие косинусы вектора
:

.

Тогда по формуле (3.1) получаем:

.

Так как
,
то в данном направлении функция
возрастает.

2) Находим координаты и направляющие
косинусы вектора
:

;

.

Тогда по формуле (3.1) получаем:

.

Так как
,
то в данном направлении функция убывает.

3) Используя формулу (3.3) запишем градиент
функции в точке
:

.



Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в замкнутой области.

Пусть функция $z=f(x,y)$ определена и непрерывна в некоторой ограниченной замкнутой области $D$. Пусть в этой области заданная функция имеет конечные частные производные первого порядка (за исключением, быть может, конечного количества точек). Чтобы найти наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в данной замкнутой области требуется выполнить три шага простого алгоритма.

Алгоритм поиска наибольшего и наименьшего значений функции $z=f(x,y)$ в замкнутой области $D$.

1. Найти критические точки функции $z=f(x,y)$, принадлежащие области $D$. Вычислить значения функции в критических точках.
2. Исследовать поведение функции $z=f(x,y)$ на границе области $D$, найдя точки возможного наибольшего и наименьшего значений. Вычислить значения функции в полученных точках.
3. Из значений функции, полученных в предыдущих двух пунктах, выбрать наибольшее и наименьшее.

Что такое критические точки? показатьскрыть

Под критическими точками подразумевают такие точки, в которых обе частные производные первого порядка равны нулю (т.е. $frac<partial z><partial x>=0$ и $frac<partial z><partial y>=0$) или хотя бы одна частная производная не существует.

Часто точки, в которых частные производные первого порядка равны нулю, именуют стационарными точками. Таким образом, стационарные точки – есть подмножество критических точек.

Найти наибольшее и наименьшее значения функции $z=x^2+2xy-y^2-4x$ в замкнутой области, ограниченной линиями $x=3$, $y=0$ и $y=x+1$.

Будем следовать указанному выше алгоритму, но для начала разберёмся с чертежом заданной области, которую обозначим буквой $D$. Нам заданы уравнения трёх прямых, кои эту область ограничивают. Прямая $x=3$ проходит через точку $(3;0)$ параллельно оси ординат (оси Oy). Прямая $y=0$ – это уравнение оси абсцисс (оси Ox). Ну, а для построения прямой $y=x+1$ найдём две точки, через которые и проведём данную прямую. Можно, конечно, подставить вместо $x$ парочку произвольных значений. Например, подставляя $x=10$, получим: $y=x+1=10+1=11$. Мы нашли точку $(10;11)$, лежащую на прямой $y=x+1$. Однако лучше отыщем те точки, в которых прямая $y=x+1$ пересекается с линиями $x=3$ и $y=0$. Почему это лучше? Потому, что мы одним выстрелом уложим пару зайцев: получим две точки для построения прямой $y=x+1$ и заодно выясним, в каких точках эта прямая пересекает иные линии, ограничивающие заданную область. Прямая $y=x+1$ пересекает прямую $x=3$ в точке $(3;4)$, а прямую $y=0$ – в точке $(-1;0)$. Дабы не загромождать ход решения вспомогательными пояснениями, то вопрос о получении этих двух точек вынесу в примечание.

Как были получены точки $(3;4)$ и $(-1;0)$? показатьскрыть

Начнём с точки пересечения прямых $y=x+1$ и $x=3$. Координаты искомой точки принадлежат и первой, и второй прямой, поэтому для нахождения неизвестных координат нужно решить систему уравнений:

Решение такой системы тривиально: подставляя $x=3$ в первое уравнение будем иметь: $y=3+1=4$. Точка $(3;4)$ и есть искомая точка пересечения прямых $y=x+1$ и $x=3$.

Теперь отыщем точку пересечения прямых $y=x+1$ и $y=0$. Вновь составим и решим систему уравнений:

Подставляя $y=0$ в первое уравнение, получим: $0=x+1$, $x=-1$. Точка $(-1;0)$ и есть искомая точка пересечения прямых $y=x+1$ и $y=0$ (оси абсцисс).

Всё готово для построения чертежа, который будет иметь такой вид:

Вот теперь перейдём к первому шагу алгоритма. Найдём частные производные первого порядка:

Заметьте, что найденные производные первого порядка существуют для всех значений $x$ и $y$. Т.е. нету точек, в которых хотя бы одна производная не существует. Попробуем отыскать точки, в которых обе частные производные равны нулю (стационарные точки):

Мы получили систему линейных алгебраических уравнений. Для решения таких систем можно применить, например, метод Крамера. Однако в данном случае можно поступить попроще. Из второго уравнения имеем: $y=x$. Подставляя $y=x$ в первое уравнение, получим: $x+x=2$, $2x=2$, $x=1$. Так как $x=1$, то $y=x=1$. Итак, $(1;1)$ – единственная стационарная точка функции $z$.

Однако недостаточно просто найти стационарные точки. Нужно выбрать те из них, которые принадлежат области $D$. В нашем случае точка $(1;1)$ принадлежит этой области. Обозначим эту точку как $M_1(1;1)$. Вычислим значение функции в этой точке:

$$z_1=z(M_1)=1^2+2cdot 1cdot 1-1^2-4cdot 1=-2.$$

А почему точка $(1;1)$ принадлежит области $D$? показатьскрыть

Вопрос примечания кажется очевидным, ведь всё видно по рисунку. Однако стоит помнить, что рисунок не может служить доказательством. Рисунок – лишь иллюстрация для наглядности.

Наша область была задана с помощью уравнений прямых, которые её ограничивают. Очевидно, что эти прямые определяют треугольник, не так ли? Или не совсем очевидно? А может, нам задана иная область, ограниченная теми же прямыми:

Конечно, в условии сказано, что область замкнута, поэтому показанный рисунок неверен. Но чтобы избегать подобных двусмысленностей, области лучше задавать неравенствами. Нас интересует часть плоскости, расположенная под прямой $y=x+1$? Ок, значит, $y ≤ x+1$. Наша область должна располагаться над прямой $y=0$? Отлично, значит $y ≥ 0$. Кстати, два последних неравенства легко объединяются в одно: $0 ≤ y ≤ x+1$.

Далее, нас интересует часть плоскости, лежащая левее прямой $x=3$. Эта часть плоскости задаётся неравенством $x ≤ 3$. Итак, область $D$ определяется такими неравенствами:

Эти неравенства и задают область $D$, причём задают её однозначно, не допуская никаких двусмысленностей. Но как это поможет нам в том вопросе, что указан в начале примечания? Ещё как поможет 🙂 Нам нужно проверить, принадлежит ли точка $M_1(1;1)$ области $D$. Подставим $x=1$ и $y=1$ в систему неравенств, которые эту область определяют. Если оба неравенства будут выполнены, то точка лежит внутри области. Если хотя бы одно из неравенств будет не выполнено, то точка области не принадлежит. Итак:

Оба неравенства справедливы. Точка $M_1(1;1)$ приналежит области $D$.

Теперь настал черёд исследовать поведение функции на границе области, т.е. переходим ко второму шагу алгоритма. Начнём с прямой $y=0$.

Прямая $y=0$ (ось абсцисс) ограничивает область $D$ при условии $-1 ≤ x ≤ 3$. Подставим $y=0$ в заданную функцию $z(x,y)=x^2+2xy-y^2-4x$. Полученную в результате подстановки функцию одной переменной $x$ обозначим как $f_1(x)$:

Теперь для функции $f_1(x)$ нужно найти наибольшее и наименьшее значения на отрезке $-1 ≤ x ≤ 3$. Отыщем производную этой функции и приравняем её к нулю:

Значение $x=2$ принадлежит отрезку $-1 ≤ x ≤ 3$, поэтому к списку точек добавим ещё и $M_2(2;0)$. Кроме того, вычислим значения функции $z$ на концах отрезка $-1 ≤ x ≤ 3$, т.е. в точках $M_3(-1;0)$ и $M_4(3;0)$. Кстати, если бы точка $M_2$ не принадлежала рассматриваемому отрезку, то, разумеется, значение функции $z$ в ней вычислять не было бы надобности.

Итак, вычислим значения функции $z$ в точках $M_2$, $M_3$, $M_4$. Можно, конечно, подставлять координаты данных точек в исходное выражение $z=x^2+2xy-y^2-4x$. Например, для точки $M_2$ получим:

$$z_2=z(M_2)=2^2+2cdot 2cdot 0-0^2-4cdot 2=-4.$$

Однако вычисления можно немного упростить. Для этого стоит вспомнить, что на отрезке $M_3M_4$ имеем $z(x,y)=f_1(x)$. Распишу это подробно:

Разумеется, что в столь подробных записях обычно нет нужды, и все вычисления в дальнейшем станем записывать покороче:

$$z_2=f_1(2)=2^2-4cdot 2=-4;; z_3=f_1(-1)=(-1)^2-4cdot (-1)=5;; z_4=f_1(3)=3^2-4cdot 3=-3.$$

Теперь обратимся к прямой $x=3$. Эта прямая ограничивает область $D$ при условии $0 ≤ y ≤ 4$. Подставим $x=3$ в заданную функцию $z$. В результате такой подстановки мы получим функцию $f_2(y)$:

$$ f_2(y)=z(3,y)=3^2+2cdot 3cdot y-y^2-4cdot 3=-y^2+6y-3. $$

Для функции $f_2(y)$ нужно найти наибольшее и наименьшее значения на отрезке $0 ≤ y ≤ 4$. Отыщем производную этой функции и приравняем её к нулю:

Значение $y=3$ принадлежит отрезку $0 ≤ y ≤ 4$, поэтому к найденным ранее точкам добавим ещё и $M_5(3;3)$. Кроме того, нужно вычислить значение функции $z$ в точках на концах отрезка $0 ≤ y ≤ 4$, т.е. в точках $M_4(3;0)$ и $M_6(3;4)$. В точке $M_4(3;0)$ мы уже вычисляли значение $z$. Вычислим значение функции $z$ в точках $M_5$ и $M_6$. Напомню, что на отрезке $M_4M_6$ имеем $z(x,y)=f_2(y)$, поэтому:

И, наконец, рассмотрим последнюю границу области $D$, т.е. прямую $y=x+1$. Эта прямая ограничивает область $D$ при условии $-1 ≤ x ≤ 3$. Подставляя $y=x+1$ в функцию $z$, будем иметь:

Вновь мы получили функцию одной переменной $x$. И вновь нужно найти наибольшее и наименьшее значения этой функции на отрезке $-1 ≤ x ≤ 3$. Отыщем производную функции $f_<3>(x)$ и приравняем её к нулю:

Значение $x=1$ принадлежит отрезку $-1 ≤ x ≤ 3$. Если $x=1$, то $y=x+1=2$. Добавим к списку точек ещё и $M_7(1;2)$ и выясним, чему равно значение функции $z$ в этой точке. Точки на концах отрезка $-1 ≤ x ≤ 3$, т.е. точки $M_3(-1;0)$ и $M_6(3;4)$, были рассмотрены ранее, значение функции в них мы уже находили.

$$z_7=f_3(1)=2cdot 1^2-4cdot 1-1=-3.$$

Второй шаг решения закончен. Мы получили семь значений:

Обратимся к третьему шагу алгоритма. Выбирая наибольшее и наименьшее значения из тех чисел, что были получены в третьем пункте, будем иметь:

Задача решена, осталось лишь записать ответ.

Найти наибольшее и наименьшее значения функции $z=x^2+y^2-12x+16y$ в области $x^2+y^2 ≤ 25$.

Сначала построим чертёж. Уравнение $x^2+y^2=25$ (это граничная линия заданной области) определяет окружность с центром в начале координат (т.е. в точке $(0;0)$) и радиусом 5. Неравенству $x^2+y^2 ≤ 25$ удовлетворяют все точки внутри и на упомянутой окружности.

Будем действовать по алгоритму. Найдем частные производные и выясним критические точки.

Точек, в которых найденные частные производные не существуют, нет. Выясним, в каких точках обе частные производные одновременно равны нулю, т.е. найдём стационарные точки.

Мы получили стационарную точку $(6;-8)$. Однако найденная точка не принадлежит области $D$. Это легко показать, даже не прибегая к помощи рисунка. Проверим, выполняется ли неравенство $x^2+y^2 ≤ 25$, которое определяет нашу область $D$. Если $x=6$, $y=-8$, то $x^2+y^2=36+64=100$, т.е. неравенство $x^2+y^2 ≤ 25$ не выполнено. Вывод: точка $(6;-8)$ не принадлежит области $D$.

Итак, внутри области $D$ нет критических точек. Переходим дальше, ко второму шагу алгоритма. Нам нужно исследовать поведение функции на границе заданной области, т.е. на окружности $x^2+y^2=25$. Можно, конечно, выразить $y$ через $x$, а потом подставить полученное выражение в нашу функцию $z$. Из уравнения окружности получим: $y=sqrt<25-x^2>$ или $y=-sqrt<25-x^2>$. Подставляя, например, $y=sqrt<25-x^2>$ в заданную функцию, будем иметь:

Дальнейшее решение будет полностью идентично исследованию поведения функции на границе области в предыдущем примере №1. Однако мне кажется более разумным в этой ситуации применить метод Лагранжа. Нас будет интересовать лишь первая часть этого метода. После применения первой части метода Лагранжа мы получим точки, в которых и исследуем функцию $z$ на предмет минимального и максимального значений.

Составляем функцию Лагранжа:

Находим частные производные функции Лагранжа и составляем соответствующую систему уравнений:

Для решения этой системы давайте сразу укажем, что $lambdaneq -1$. Почему $lambdaneq -1$? Попробуем подставить $lambda=-1$ в первое уравнение:

Полученное противоречие $0=6$ говорит о том, что значение $lambda=-1$ недопустимо. Вывод: $lambdaneq -1$. Выразим $x$ и $y$ через $lambda$:

Полагаю, что тут становится очевидным, зачем мы специально оговаривали условие $lambdaneq -1$. Это было сделано, чтобы без помех поместить выражение $1+lambda$ в знаменатели. Т.е., чтобы быть уверенным, что знаменатель $1+lambdaneq 0$.

Подставим полученные выражения для $x$ и $y$ в третье уравнение системы, т.е. в $x^2+y^2=25$:

Из полученного равенства следует, что $1+lambda=2$ или $1+lambda=-2$. Отсюда имеем два значения параметра $lambda$, а именно: $lambda_1=1$, $lambda_2=-3$. Соответственно, получим и две пары значений $x$ и $y$:

Итак, мы получили две точки возможного условного экстремума, т.е. $M_1(3;-4)$ и $M_2(-3;4)$. Найдём значения функции $z$ в точках $M_1$ и $M_2$:

На третьем шаге алгоритма следует выбрать наибольшее и наименьшее значения из тех, что мы получили на первом и втором шагах. Но в данном случае выбор невелик 🙂 Имеем:

Заметили ошибку, опечатку, или некорректно отобразилась формула? Отпишите, пожалуйста, об этом в данной теме на форуме (регистрация не требуется).

Наибольшее и наименьшее значение функции

На практике довольно часто приходится использовать производную для того, чтобы вычислить самое большое и самое маленькое значение функции. Мы выполняем это действие тогда, когда выясняем, как минимизировать издержки, увеличить прибыль, рассчитать оптимальную нагрузку на производство и др., то есть в тех случаях, когда нужно определить оптимальное значение какого-либо параметра. Чтобы решить такие задачи верно, надо хорошо понимать, что такое наибольшее и наименьшее значение функции.

Обычно мы определяем эти значения в рамках некоторого интервала x , который может в свою очередь соответствовать всей области определения функции или ее части. Это может быть как отрезок [ a ; b ] , так и открытый интервал ( a ; b ) , ( a ; b ] , [ a ; b ) , бесконечный интервал ( a ; b ) , ( a ; b ] , [ a ; b ) либо бесконечный промежуток – ∞ ; a , ( – ∞ ; a ] , [ a ; + ∞ ) , ( – ∞ ; + ∞ ) .

В этом материале мы расскажем, как вычисляется наибольшее и наименьшее значение явно заданной функции с одной переменной y=f(x) y = f ( x ) .

Основные определения

Начнем, как всегда, с формулировки основных определений.

Наибольшее значение функции y = f ( x ) на некотором промежутке x – это значение m a x y = f ( x 0 ) x ∈ X , которое при любом значении x x ∈ X , x ≠ x 0 делает справедливым неравенство f ( x ) ≤ f ( x 0 ) .

Наименьшее значение функции y = f ( x ) на некотором промежутке x – это значение m i n x ∈ X y = f ( x 0 ) , которое при любом значении x ∈ X , x ≠ x 0 делает справедливым неравенство f(X f ( x ) ≥ f ( x 0 ) .

Данные определения являются достаточно очевидными. Еще проще можно сказать так: наибольшее значение функции – это ее самое большое значение на известном интервале при абсциссе x 0 , а наименьшее – это самое маленькое принимаемое значение на том же интервале при x 0 .

Стационарными точками называются такие значения аргумента функции, при которых ее производная обращается в 0 .

Зачем нам нужно знать, что такое стационарные точки? Для ответа на этот вопрос надо вспомнить теорему Ферма. Из нее следует, что стационарная точка – это такая точка, в которой находится экстремум дифференцируемой функции (т.е. ее локальный минимум или максимум). Следовательно, функция будет принимать наименьшее или наибольшее значение на некотором промежутке именно в одной из стационарных точек.

Еще функция может принимать наибольшее или наименьшее значение в тех точках, в которых сама функция является определенной, а ее первой производной не существует.

Первый вопрос, который возникает при изучении этой темы: во всех ли случаях мы может определить наибольшее или наименьшее значение функции на заданном отрезке? Нет, мы не можем этого сделать тогда, когда границы заданного промежутка будут совпадать с границами области определения, или если мы имеем дело с бесконечным интервалом. Бывает и так, что функция в заданном отрезке или на бесконечности будет принимать бесконечно малые или бесконечно большие значения. В этих случаях определить наибольшее и/или наименьшее значение не представляется возможным.

Более понятными эти моменты станут после изображения на графиках:

Наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке

Первый рисунок показывает нам функцию, которая принимает наибольшее и наименьшее значения ( m a x y и m i n y ) в стационарных точках, расположенных на отрезке [ – 6 ; 6 ] .

Разберем подробно случай, указанный на втором графике. Изменим значение отрезка на [ 1 ; 6 ] и получим, что наибольшее значение функции будет достигаться в точке с абсциссой в правой границе интервала, а наименьшее – в стационарной точке.

На третьем рисунке абсциссы точек представляют собой граничные точки отрезка [ – 3 ; 2 ] . Они соответствуют наибольшему и наименьшему значению заданной функции.

Наибольшее и наименьшее значение функции на открытом интервале

Теперь посмотрим на четвертый рисунок. В нем функция принимает m a x y (наибольшее значение) и m i n y (наименьшее значение) в стационарных точках на открытом интервале ( – 6 ; 6 ) .

Если мы возьмем интервал [ 1 ; 6 ) , то можно сказать, что наименьшее значение функции на нем будет достигнуто в стационарной точке. Наибольшее значение нам будет неизвестно. Функция могла бы принять наибольшее значение при x , равном 6 , если бы x = 6 принадлежала интервалу. Именно этот случай нарисован на графике 5 .

На графике 6 наименьшее значение данная функция приобретает в правой границе интервала ( – 3 ; 2 ] , а о наибольшем значении мы не можем сделать определенных выводов.

Наибольшее и наименьшее значение функции на бесконечности

На рисунке 7 мы видим, что функция будет иметь m a x y в стационарной точке, имеющей абсциссу, равную 1 . Наименьшего значения функция достигнет на границе интервала с правой стороны. На минус бесконечности значения функции будут асимптотически приближаться к y = 3 .

Если мы возьмем интервал x ∈ 2 ; + ∞ , то увидим, что заданная функция не будет принимать на нем ни наименьшего, ни наибольшего значения. Если x стремится к 2 , то значения функции будут стремиться к минус бесконечности, поскольку прямая x = 2 – это вертикальная асимптота. Если же абсцисса стремится к плюс бесконечности, то значения функции будут асимптотически приближаться к y = 3 . Именно этот случай изображен на рисунке 8 .

Как найти наибольшее и наименьшее значение непрерывной функции на заданном отрезке

В этом пункте мы приведем последовательность действий, которую нужно выполнить для нахождения наибольшего или наименьшего значения функции на некотором отрезке.

1. Для начала найдем область определения функции. Проверим, входит ли в нее заданный в условии отрезок.
2. Теперь вычислим точки, содержащиеся в данном отрезке, в которых не существует первой производной. Чаще всего их можно встретить у функций, аргумент которых записан под знаком модуля, или у степенных функций, показатель которых является дробно рациональным числом.
3. Далее выясним, какие стационарные точки попадут в заданный отрезок. Для этого надо вычислить производную функции, потом приравнять ее к 0 и решить получившееся в итоге уравнение, после чего выбрать подходящие корни. Если у нас не получится ни одной стационарной точки или они не будут попадать в заданный отрезок, то мы переходим к следующему шагу.
4. Определим, какие значения будет принимать функция в заданных стационарных точках (если они есть), или в тех точках, в которых не существует первой производной (если они есть), либо же вычисляем значения для x = a и x = b .
5. 5. У нас получился ряд значений функции, из которых теперь нужно выбрать самое больше и самое маленькое. Это и будут наибольшее и наименьшее значения функции, которые нам нужно найти.

Посмотрим, как правильно применить этот алгоритм при решении задач.

Условие: задана функция y = x 3 + 4 x 2 . Определите ее наибольшее и наименьшее значение на отрезках [ 1 ; 4 ] и [ – 4 ; – 1 ] .

Решение:

Начнем с нахождения области определения данной функции. В этом случае ей будет множество всех действительных чисел, кроме 0 . Иными словами, D ( y ) : x ∈ ( – ∞ ; 0 ) ∪ 0 ; + ∞ . Оба отрезка, заданных в условии, будут находиться внутри области определения.

Теперь вычисляем производную функции согласно правилу дифференцирования дроби:

y ‘ = x 3 + 4 x 2 ‘ = x 3 + 4 ‘ · x 2 – x 3 + 4 · x 2 ‘ x 4 = = 3 x 2 · x 2 – ( x 3 – 4 ) · 2 x x 4 = x 3 – 8 x 3

Мы узнали, что производная функции будет существовать во всех точках отрезков [ 1 ; 4 ] и [ – 4 ; – 1 ] .

Теперь нам надо определить стационарные точки функции. Сделаем это с помощью уравнения x 3 – 8 x 3 = 0 . У него есть только один действительный корень, равный 2 . Он будет стационарной точкой функции и попадет в первый отрезок [ 1 ; 4 ] .

Вычислим значения функции на концах первого отрезка и в данной точке, т.е. для x = 1 , x = 2 и x = 4 :

y ( 1 ) = 1 3 + 4 1 2 = 5 y ( 2 ) = 2 3 + 4 2 2 = 3 y ( 4 ) = 4 3 + 4 4 2 = 4 1 4

Мы получили, что наибольшее значение функции m a x y x ∈ [ 1 ; 4 ] = y ( 2 ) = 3 будет достигнуто при x = 1 , а наименьшее m i n y x ∈ [ 1 ; 4 ] = y ( 2 ) = 3 – при x = 2 .

Второй отрезок не включает в себя ни одной стационарной точки, поэтому нам надо вычислить значения функции только на концах заданного отрезка:

y ( – 1 ) = ( – 1 ) 3 + 4 ( – 1 ) 2 = 3

Значит, m a x y x ∈ [ – 4 ; – 1 ] = y ( – 1 ) = 3 , m i n y x ∈ [ – 4 ; – 1 ] = y ( – 4 ) = – 3 3 4 .

Ответ: Для отрезка [ 1 ; 4 ] – m a x y x ∈ [ 1 ; 4 ] = y ( 2 ) = 3 , m i n y x ∈ [ 1 ; 4 ] = y ( 2 ) = 3 , для отрезка [ – 4 ; – 1 ] – m a x y x ∈ [ – 4 ; – 1 ] = y ( – 1 ) = 3 , m i n y x ∈ [ – 4 ; – 1 ] = y ( – 4 ) = – 3 3 4 .

Как найти наибольшее и наименьшее значение непрерывной функции на открытом или бесконечном интервале

Перед тем как изучить данный способ, советуем вам повторить, как правильно вычислять односторонний предел и предел на бесконечности, а также узнать основные методы их нахождения. Чтобы найти наибольшее и/или наименьшее значение функции на открытом или бесконечном интервале, выполняем последовательно следующие действия.

1. Для начала нужно проверить, будет ли заданный интервал являться подмножеством области определения данной функции.
2. Определим все точки, которые содержатся в нужном интервале и в которых не существует первой производной. Обычно они бывают у функций, где аргумент заключен в знаке модуля, и у степенных функций с дробно рациональным показателем. Если же эти точки отсутствуют, то можно переходить к следующему шагу.
3. Теперь определим, какие стационарные точки попадут в заданный промежуток. Сначала приравняем производную к 0 , решим уравнение и подберем подходящие корни. Если у нас нет ни одной стационарной точки или они не попадают в заданный интервал, то сразу переходим к дальнейшим действиям. Их определяет вид интервала.

• Если интервал имеет вид [ a ; b ) , то нам надо вычислить значение функции в точке x = a и односторонний предел lim x → b – 0 f ( x ) .
• Если интервал имеет вид ( a ; b ] , то нам надо вычислить значение функции в точке x = b и односторонний предел lim x → a + 0 f ( x ) .
• Если интервал имеет вид ( a ; b ) , то нам надо вычислить односторонние пределы lim x → b – 0 f ( x ) , lim x → a + 0 f ( x ) .
• Если интервал имеет вид [ a ; + ∞ ) , то надо вычислить значение в точке x = a и предел на плюс бесконечности lim x → + ∞ f ( x ) .
• Если интервал выглядит как ( – ∞ ; b ] , вычисляем значение в точке x = b и предел на минус бесконечности lim x → – ∞ f ( x ) .
• Если – ∞ ; b , то считаем односторонний предел lim x → b – 0 f ( x ) и предел на минус бесконечности lim x → – ∞ f ( x )
• Если же – ∞ ; + ∞ , то считаем пределы на минус и плюс бесконечности lim x → + ∞ f ( x ) , lim x → – ∞ f ( x ) .

1. В конце нужно сделать вывод на основе полученных значений функции и пределов. Здесь возможно множество вариантов. Так, если односторонний предел равен минус бесконечности или плюс бесконечности, то сразу понятно, что о наименьшем и наибольшем значении функции сказать ничего нельзя. Ниже мы разберем один типичный пример. Подробные описания помогут вам понять, что к чему. При необходимости можно вернуться к рисункам 4 – 8 в первой части материала.

Пример 2

Условие: дана функция y = 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 . Вычислите ее наибольшее и наименьшее значение в интервалах – ∞ ; – 4 , – ∞ ; – 3 , ( – 3 ; 1 ] , ( – 3 ; 2 ) , [ 1 ; 2 ) , 2 ; + ∞ , [ 4 ; + ∞ ) .

Решение

Первым делом находим область определения функции. В знаменателе дроби стоит квадратный трехчлен, который не должен обращаться в 0 :

x 2 + x – 6 = 0 D = 1 2 – 4 · 1 · ( – 6 ) = 25 x 1 = – 1 – 5 2 = – 3 x 2 = – 1 + 5 2 = 2 ⇒ D ( y ) : x ∈ ( – ∞ ; – 3 ) ∪ ( – 3 ; 2 ) ∪ ( 2 ; + ∞ )

Мы получили область определения функции, к которой принадлежат все указанные в условии интервалы.

Теперь выполним дифференцирование функции и получим:

y ‘ = 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 ‘ = 3 · e 1 x 2 + x – 6 ‘ = 3 · e 1 x 2 + x – 6 · 1 x 2 + x – 6 ‘ = = 3 · e 1 x 2 + x – 6 · 1 ‘ · x 2 + x – 6 – 1 · x 2 + x – 6 ‘ ( x 2 + x – 6 ) 2 = – 3 · ( 2 x + 1 ) · e 1 x 2 + x – 6 x 2 + x – 6 2

Следовательно, производные функции существуют на всей области ее определения.

Перейдем к нахождению стационарных точек. Производная функции обращается в 0 при x = – 1 2 . Это стационарная точка, которая находится в интервалах ( – 3 ; 1 ] и ( – 3 ; 2 ) .

Вычислим значение функции при x = – 4 для промежутка ( – ∞ ; – 4 ] , а также предел на минус бесконечности:

y ( – 4 ) = 3 e 1 ( – 4 ) 2 + ( – 4 ) – 6 – 4 = 3 e 1 6 – 4 ≈ – 0 . 456 lim x → – ∞ 3 e 1 x 2 + x – 6 = 3 e 0 – 4 = – 1

Поскольку 3 e 1 6 – 4 > – 1 , значит, m a x y x ∈ ( – ∞ ; – 4 ] = y ( – 4 ) = 3 e 1 6 – 4 . Это не дает нам возможности однозначно определить наименьшее значение функции. Мы можем только сделать вывод, что внизу есть ограничение – 1 , поскольку именно к этому значению функция приближается асимптотически на минус бесконечности.

Особенностью второго интервала является то, что в нем нет ни одной стационарной точки и ни одной строгой границы. Следовательно, ни наибольшего, ни наименьшего значения функции мы вычислить не сможем. Определив предел на минус бесконечности и при стремлении аргумента к – 3 с левой стороны, мы получим только интервал значений:

lim x → – 3 – 0 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = lim x → – 3 – 0 3 e 1 ( x + 3 ) ( x – 3 ) – 4 = 3 e 1 ( – 3 – 0 + 3 ) ( – 3 – 0 – 2 ) – 4 = = 3 e 1 ( + 0 ) – 4 = 3 e + ∞ – 4 = + ∞ lim x → – ∞ 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = 3 e 0 – 4 = – 1

Значит, значения функции будут расположены в интервале – 1 ; + ∞

Чтобы найти наибольшее значение функции в третьем промежутке, определим ее значение в стационарной точке x = – 1 2 , если x = 1 . Также нам надо будет знать односторонний предел для того случая, когда аргумент стремится к – 3 с правой стороны:

y – 1 2 = 3 e 1 – 1 2 2 + – 1 2 – 6 – 4 = 3 e 4 25 – 4 ≈ – 1 . 444 y ( 1 ) = 3 e 1 1 2 + 1 – 6 – 4 ≈ – 1 . 644 lim x → – 3 + 0 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = lim x → – 3 + 0 3 e 1 ( x + 3 ) ( x – 2 ) – 4 = 3 e 1 – 3 + 0 + 3 ( – 3 + 0 – 2 ) – 4 = = 3 e 1 ( – 0 ) – 4 = 3 e – ∞ – 4 = 3 · 0 – 4 = – 4

У нас получилось, что наибольшее значение функция примет в стационарной точке m a x y x ∈ ( 3 ; 1 ] = y – 1 2 = 3 e – 4 25 – 4 . Что касается наименьшего значения, то его мы не можем определить. Все, что нам известно, – это наличие ограничения снизу до – 4 .

Для интервала ( – 3 ; 2 ) возьмем результаты предыдущего вычисления и еще раз подсчитаем, чему равен односторонний предел при стремлении к 2 с левой стороны:

y – 1 2 = 3 e 1 – 1 2 2 + – 1 2 – 6 – 4 = 3 e – 4 25 – 4 ≈ – 1 . 444 lim x → – 3 + 0 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = – 4 lim x → 2 – 0 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = lim x → – 3 + 0 3 e 1 ( x + 3 ) ( x – 2 ) – 4 = 3 e 1 ( 2 – 0 + 3 ) ( 2 – 0 – 2 ) – 4 = = 3 e 1 – 0 – 4 = 3 e – ∞ – 4 = 3 · 0 – 4 = – 4

Значит, m a x y x ∈ ( – 3 ; 2 ) = y – 1 2 = 3 e – 4 25 – 4 , а наименьшее значение определить невозможно, и значения функции ограничены снизу числом – 4 .

Исходя из того, что у нас получилось в двух предыдущих вычислениях, мы можем утверждать, что на интервале [ 1 ; 2 ) наибольшее значение функция примет при x = 1 , а найти наименьшее невозможно.

На промежутке ( 2 ; + ∞ ) функция не достигнет ни наибольшего, ни наименьшего значения, т.е. она будет принимать значения из промежутка – 1 ; + ∞ .

lim x → 2 + 0 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = lim x → – 3 + 0 3 e 1 ( x + 3 ) ( x – 2 ) – 4 = 3 e 1 ( 2 + 0 + 3 ) ( 2 + 0 – 2 ) – 4 = = 3 e 1 ( + 0 ) – 4 = 3 e + ∞ – 4 = + ∞ lim x → + ∞ 3 e 1 x 2 + x – 6 – 4 = 3 e 0 – 4 = – 1

Вычислив, чему будет равно значение функции при x = 4 , выясним, что m a x y x ∈ [ 4 ; + ∞ ) = y ( 4 ) = 3 e 1 14 – 4 , и заданная функция на плюс бесконечности будет асимптотически приближаться к прямой y = – 1 .

Сопоставим то, что у нас получилось в каждом вычислении, с графиком заданной функции. На рисунке асимптоты показаны пунктиром.

Это все, что мы хотели рассказать о нахождении наибольшего и наименьшего значения функции. Те последовательности действий, которые мы привели, помогут сделать необходимые вычисления максимально быстро и просто. Но помните, что зачастую бывает полезно сначала выяснить, на каких промежутках функция будет убывать, а на каких возрастать, после чего можно делать дальнейшие выводы. Так можно более точно определить наибольшее и наименьшее значение функции и обосновать полученные результаты.

Наибольшее и наименьшее значение функции.

С практической точки зрения наибольший интерес представляет использование производной для нахождения наибольшего и наименьшего значения функции. С чем это связано? Максимизация прибыли, минимизация издержек, определение оптимальной загрузки оборудования. Другими словами, во многих сферах жизни приходится решать задачи оптимизации каких-либо параметров. А это и есть задачи на нахождение наибольшего и наименьшего значения функции.

Следует отметить, что наибольшее и наименьшее значение функции обычно ищется на некотором интервале X , который является или всей областью определения функции или частью области определения. Сам интервал X может быть отрезком , открытым интервалом , бесконечным промежутком .

В этой статье мы будем говорить о нахождении наибольшего и наименьшего значений явно заданной функции одной переменной y=f(x) .

Навигация по странице.

Наибольшее и наименьшее значение функции – определения, иллюстрации.

Кратко остановимся на основных определениях.

Наибольшим значением функции y=f(x) на промежутке X называют такое значение , что для любого справедливо неравенство .

Наименьшим значением функции y=f(x) на промежутке X называют такое значение , что для любого справедливо неравенство .

Эти определения интуитивно понятны: наибольшее (наименьшее) значение функции – это самое большое (маленькое) принимаемое значение на рассматриваемом интервале при абсциссе .

Стационарные точки – это значения аргумента, при которых производная функции обращается в ноль.

Для чего нам стационарные точки при нахождении наибольшего и наименьшего значений? Ответ на этот вопрос дает теорема Ферма. Из этой теоремы следует, что если дифференцируемая функция имеет экстремум (локальный минимум или локальный максимум) в некоторой точке, то эта точка является стационарной. Таким образом, функция часто принимает свое наибольшее (наименьшее) значение на промежутке X в одной из стационарных точек из этого промежутка.

Также часто наибольшее и наименьшее значение функция может принимать в точках, в которых не существует первая производная этой функции, а сама функция определена.

Сразу ответим на один из самых распространенных вопросов по этой теме:”Всегда ли можно определить наибольшее (наименьшее) значение функции”? Нет, не всегда. Иногда границы промежутка X совпадают с границами области определения функции или интервал X бесконечен. А некоторые функции на бесконечности и на границах области определения могут принимать как бесконечно большие так и бесконечно малые значения. В этих случаях ничего нельзя сказать о наибольшем и наименьшем значении функции.

Для наглядности дадим графическую иллюстрацию. Посмотрите на рисунки – и многое прояснится.

На первом рисунке функция принимает наибольшее ( max y ) и наименьшее ( min y ) значения в стационарных точках, находящихся внутри отрезка [-6;6] .

Рассмотрим случай, изображенный на втором рисунке. Изменим отрезок на [1;6] . В этом примере наименьшее значение функции достигается в стационарной точке, а наибольшее – в точке с абсциссой, соответствующей правой границе интервала.

На рисунке №3 граничные точки отрезка [-3;2] являются абсциссами точек, соответствующих наибольшему и наименьшему значению функции.

На открытом интервале

На четвертом рисунке функция принимает наибольшее ( max y ) и наименьшее ( min y ) значения в стационарных точках, находящихся внутри открытого интервала (-6;6) .

На интервале [1;6) наименьшее значение функции достигается в стационарной точке, а про наибольшее значение мы ничего сказать не можем. Если бы точка x=6 была частью интервала, тогда при этом значении функция принимала бы наибольшее значение. Этот пример изображен на рисунке №5.

На рисунке №6 наименьшее значение функции достигается в правой границе интервала (-3;2] , о наибольшем значении никаких выводов сделать нельзя.

В примере, представленном на седьмом рисунке, функция принимает наибольшее значение ( max y ) в стационарной точке с абсциссой x=1 , а наименьшее значение ( min y ) достигается на правой границе интервала. На минус бесконечности значения функции асимптотически приближаются к y=3 .

На интервале функция не достигает ни наименьшего, ни наибольшего значения. При стремлении к x=2 справа значения функции стремятся к минус бесконечности (прямая x=2 является вертикальной асимптотой), а при стремлении абсциссы к плюс бесконечности, значения функции асимптотически приближаются к y=3 . Графическая иллюстрация этого примера приведена на рисунке №8.

Алгоритм нахождения наибольшего и наименьшего значения непрерывной функции на отрезке [a;b] .

Запишем алгоритм, позволяющий находить наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке.

1. Находим область определения функции и проверяем, содержится ли в ней весь отрезок [a;b] .
2. Находим все точки, в которых не существует первая производная и которые содержатся в отрезке [a;b] (обычно такие точки встечаются у функций с аргументом под знаком модуля и у степенных функций с дробно-рациональным показателем). Если таких точек нет, то переходим к следующему пункту.
3. Определяем все стационарные точки, попадающие в отрезок [a;b] . Для этого, находим производную функции, приравниваем ее к нулю, решаем полученное уравнение и выбираем подходящие корни. Если стационарных точек нет или ни одна из них не попадает в отрезок, то переходим к следующему пункту.
4. Вычисляем значения функции в отобранных стационарных точках (если такие имеются), в точках, в которых не существует первая производная (если такие имеются), а также при x=a и x=b .
5. Из полученных значений функции выбираем наибольшее и наименьшее – они и будут искомыми наибольшим и наименьшим значениями функции соответственно.

Разберем алгоритм при решении примера на нахождение наибольшего и наименьшего значения функции на отрезке.

Найти наибольшее и наименьшее значение функции

• на отрезке [1;4] ;
• на отрезке [-4;-1] .

Областью определения функции является все множество действительных чисел, за исключением нуля, то есть . Оба отрезка попадают в область определения.

Находим производную функции по правилу дифференцирования дроби:

Очевидно, производная функции существует во всех точках отрезков [1;4] и [-4;-1] .

Стационарные точки определим из уравнения . Единственным действительным корнем является x=2 . Эта стационарная точка попадает в первый отрезок [1;4] .

Для первого случая вычисляем значения функции на концах отрезка и в стационарной точке, то есть при x=1 , x=2 и x=4 :

Следовательно, наибольшее значение функции достигается при x=1 , а наименьшее значение – при x=2 .

Для второго случая вычисляем значения функции лишь на концах отрезка [-4;-1] (так как он не содержит ни одной стационарной точки):

Следовательно, .

Алгоритм нахождения наибольшего и наименьшего значения непрерывной функции на открытом или бесконечном интервале X .

Прежде чем ознакомиться с алгоритмом нахождения наибольшего и наименьшего значения функции на открытом или бесконечном интервале рекомендуем повторить определения одностороннего предела и предела на бесконечности, а также способы нахождения пределов.

Проверяем, является ли интервал X подмножеством области определения функции.

Находим все точки, в которых не существует первая производная и которые содержатся в интервале X (обычно такие точки встечаются у функций с аргументом под знаком модуля и у степенных функций с дробно-рациональным показателем). Если таких точек нет, то переходим к следующему пункту.

Определяем все стационарные точки, попадающие в промежуток X . Для этого приравниваем производную функции к нулю, решаем полученное уравнение и выбираем подходящие корни.

Если стационарных точек нет или ни одна из них не попадает в интервал, то переходим к следующему пункту.

Вычисляем значения функции в стационарных точках и точках, в которых не существует первая производная функции (если такие точки есть).

Дальнейшие действия зависят от интервала X .

Если интервал X имеет вид:

• [a;b) , то вычисляем значение функции в точке x=a и односторонний предел ;
• (a;b] , то вычисляем значение функции в точке x=b и односторонний предел ;
• (a;b) , то вычисляем односторонние пределы ;
• , то вычисляем значение функции в точке x=a и предел на плюс бесконечности ;
• , то вычисляем односторонний предел и предел на плюс бесконечности ;
• , то вычисляем значение функции в точке x=b и предел на минус бесконечности ;
• , то вычисляем односторонний предел и предел на минус бесконечности ;
• , то вычисляем пределы на плюс и минус бесконечности .

Делаем выводы, отталкиваясь от полученных значений функции и пределов. Здесь может быть масса вариантов. К примеру, если односторонний предел равен минус бесконечности (плюс бесконечности), то о наименьшем (наибольшем) значении функции ничего сказать нельзя для данного интервала. Ниже разобраны несколько типичных примеров. Надеемся подробные описания их решения помогут Вам усвоить тему. Рекомендуем вернуться к рисункам с №4 до №8 из первого раздела этой статьи.

Найти наибольшее и наименьшее значение функции на интервалах:

3. (-3;1]
4. (-3;2)
5. [1;2)

Начнем с области определения функции. Квадратный трехчлен в знаменателе дроби не должен обращаться в ноль:

Легко проверить, что все интервалы из условия задачи принадлежат области определения функции.

Продифференцируем функцию:

Очевидно, производная существует на всей области определения функции.

Найдем стационарные точки. Производная обращается в ноль при . Эта стационарная точка попадает в интервалы (-3;1] и (-3;2) .

Для первого промежутка вычисляем значение функции при x=-4 и предел на минус бесконечности:

Так как , то , а о наименьшем значении функции выводов сделать нельзя. Можно лишь утверждать, что значения функции ограничены снизу значением -1 (на минус бесконечности значения функции асимптотически приближаются к прямой y=-1 ).

Второй интервал интересен тем, что не содержит ни одной стационарной точки и ни одна из его границ не является строгой. В этом случае мы не сможем найти ни наибольшего, ни наименьшего значения функции. Вычислив предел на минус бесконечности и при стремлении аргумента к минус трем слева, мы лишь сможем определить интервал значений функции:

Следовательно, значения функции находятся в интервале при x из промежутка .

Для третьего промежутка (-3;1] вычислим значение функции в стационарной точке и при x=1 , а также односторонний предел, при стремлении аргумента к -3 справа:

Следовательно, наибольшее значение на этом интервале функция принимает в стационарной точке , наименьшее значение функции мы вычислить не можем, но значения функции ограничены снизу величиной -4 .

Для интервала (-3;2) воспользуемся результатами из предыдущего пункта и еще вычислим односторонний предел при стремлении к двойке слева:

Поэтому , наименьшее значение определить нет возможности, значения функции ограничены снизу величиной -4 .

Результаты предыдущих двух пунктов позволяют утверждать, что на интервале [1;2) наибольшее значение функция принимает при x=1 , наименьшее значение найти нельзя, значения функции ограничены снизу величиной -4 .

На промежутке функция не достигает ни наибольшего, ни наименьшего значения.

То есть, на этом интервале функция принимает значения из промежутка .

Вычислив значение функции при x=4 , можно утверждать, что и на плюс бесконечности функция асимптотически приближается к прямой y=-1 .

А теперь можно сопоставить полученные в каждом пункте результаты с графиком функции. Синими пунктирными линиями обозначены асимптоты.

На этом можно закончить с нахождением наибольшего и наименьшего значения функции. Алгоритмы, разобранные в этой статье, позволяют получить результаты при минимуме действий. Однако бывает полезно сначала определить промежутки возрастания и убывания функции и только после этого делать выводы о наибольшем и наименьшем значении функции на каком-либо интервале. Это дает более ясную картину и строгое обоснование результатов.

[spoiler title=”источники:”]

http://zaochnik.com/spravochnik/matematika/funktsii/naibolshee-i-naimenshee-znachenie-funktsii/

http://www.cleverstudents.ru/functions/maximum_minimum.html

[/spoiler]