Головна › Ходова частина › Як визначити найменше значення функції? Найбільше та найменше значення функції на відрізку.

Як визначити найменше значення функції? Найбільше та найменше значення функції на відрізку.

Постановка задачі 2:

Дана функція, певна і безперервна на певному проміжку. Потрібно знайти найбільше (найменше) значення функції у цьому проміжку.

Теоретичні основи.
Теорема (Друга теорема Вейєрштраса):

Якщо функція визначена і безперервна в замкнутому проміжку , вона досягає у цьому проміжку своїх найбільшого і найменшого значень.

Функція може досягати своїх найбільших і найменших значень на внутрішніх точках проміжку, або на його межах. Проілюструємо усі можливі варіанти.

Пояснення:
1) Функція досягає свого найбільшого значенняна лівій межі проміжку в точці, а свого найменшого значення на правій межі проміжку в точці.
2) Функція досягає свого найбільшого значення в точці (це точка максимуму), а свого найменшого значення на правій межі проміжку в точці.
3) Функція досягає свого найбільшого значення на лівій межі проміжку в точці, а свого найменшого значення в точці (це точка мінімуму).
4) Функція стала на проміжку, тобто. вона досягає свого мінімального та максимального значення в будь-якій точці проміжку, причому мінімальне та максимальне значення рівні між собою.
5) Функція досягає свого найбільшого значення у точці , а свого найменшого значення точці (попри те, що функція має у цьому проміжку як максимум, і мінімум).
6) Функція досягає свого найбільшого значення у точці (це точка максимуму), а свого найменшого значення у точці (це точка мінімуму).
Примітка:

"Максимум" і "максимальне значення" - різні речі. Це випливає із визначення максимуму та інтуїтивного розуміння словосполучення «максимальне значення».

Алгоритм розв'язання задачі 2.

4) Вибрати з отриманих значень найбільше (найменше) та записати відповідь.

Приклад 4:

Визначити найбільше та найменше значенняфункції на відрізку.
Рішення:
1) Знайти похідну функції.

2) Знайти стаціонарні точки (і точки, підозрілі на екстремум), розв'язавши рівняння . Звернути увагу на точки, в яких немає двосторонньої кінцевої похідної.

3) Обчислити значення функції у стаціонарних точках і межах інтервалу.

4) Вибрати з отриманих значень найбільше (найменше) та записати відповідь.

Функція цьому відрізку досягає свого найбільшого значення у точці з координатами .

Функція цьому відрізку досягає свого найменшого значення у точці з координатами .

У правильність обчислень можна переконатися, подивившись графік досліджуваної функції.

Примітка:Найбільшого значення функція сягає у точці максимуму, а найменшого – межі відрізка.

Окремий випадок.

Припустимо, потрібно знайти максимально та мінімальне значення деякої функції на відрізку. Після виконання першого пункту алгоритму, тобто. обчислення похідної, стає ясно, що, наприклад, вона набуває лише негативних значень на всьому розглянутому відрізку. Пам'ятаємо, якщо похідна негативна, то функція зменшується. Отримали, що на всьому відрізку функція зменшується. Ця ситуація відображена на графіку №1 на початку статті.

На відрізку функція зменшується, тобто. точок екстремумів у неї немає. З зображення видно, що найменше значення функція прийме на правій межі відрізка, а найбільше значення - на лівій. якщо похідна на відрізку всюди позитивна, то функція зростає. Найменше значення - на лівій межі відрізка, найбільше - на правій.

Процес пошуку найменшого і максимального значення функції на відрізку нагадує цікавий обліт об'єкта (графіка функції) на гелікоптері з обстрілом з далекобійної гармати певних точок і вибором з цих точок дуже особливих точок для контрольних пострілів. Крапки вибираються певним чином і за певними правилами. За якими правилами? Про це ми далі й поговоримо.

Якщо функція y = f(x) безперервна на відрізку [ a, b] , то вона досягає на цьому відрізку найменшого і найбільшого значень . Це може статися або в точках екстремуму, або кінцях відрізка. Тому для знаходження найменшого і найбільшого значень функції , безперервний на відрізку [ a, b], потрібно обчислити її значення у всіх критичних точкахі на кінцях відрізка, а потім вибрати з них найменше та найбільше.

Нехай, наприклад, потрібно визначити найбільше значення функції f(x) на відрізку [ a, b]. Для цього слід знайти всі її критичні точки, що лежать на [ a, b] .

Критичною точкою називається точка, в якій функція визначена, а її похіднаабо дорівнює нулю, або немає. Потім слід обчислити значення функції критичних точках. І, нарешті, слід порівняти між собою за величиною значення функції в критичних точках і кінцях відрізка ( f(a) та f(b)). Найбільше з цих чисел і буде найбільшим значенням функції на відрізку [a, b] .

Аналогічно вирішуються завдання на перебування найменших значень функції .

Шукаємо найменше та найбільше значення функції разом

Приклад 1. Знайти найменше та найбільше значення функції на відрізку [-1, 2] .

Рішення. Знаходимо похідну цієї функції. Прирівняємо похідну нулю () та отримаємо дві критичні точки: і . Для знаходження найменшого та найбільшого значень функції на заданому відрізку достатньо обчислити її значення на кінцях відрізка і в точці, оскільки точка не належить відрізку [-1, 2]. Ці значення функції - такі: , , . З цього виходить що найменше значення функції(на графіці нижче позначено червоним), що дорівнює -7, досягається на правому кінці відрізка - у точці , а найбільше(теж червоне на графіці), дорівнює 9, - у критичній точці .

Якщо функція безперервна в деякому проміжку і цей проміжок не є відрізком (а є, наприклад, інтервалом; різниця між інтервалом та відрізком: граничні точки інтервалу не входять до інтервалу, а граничні точки відрізка входять у відрізок), то серед значень функції може і не бути найменшого та найбільшого. Так, наприклад, функція, зображена на малюнку нижче, безперервна на ]-∞, +∞[ і не має найбільшого значення.

Однак для будь-якого проміжку (закритого, відкритого чи нескінченного) справедлива наступна властивість безперервних функцій.

Приклад 4. Знайти найменше та найбільше значення функції на відрізку [-1, 3] .

Рішення. Знаходимо похідну цієї функції як похідну приватного:

Прирівнюємо похідну нулю, що дає нам одну критичну точку: . Вона належить відрізку [-1, 3]. Для знаходження найменшого та найбільшого значень функції на заданому відрізку знаходимо її значення на кінцях відрізка та в знайденій критичній точці:

Порівнюємо ці значення. Висновок: , рівного -5/13, у точці та найбільшого значення, рівного 1, у точці .

Продовжуємо шукати найменше та найбільше значення функції разом

Існують викладачі, які на тему знаходження найменшого і максимального значень функції не дають студентам на вирішення приклади складніше щойно розглянутих, тобто таких, у яких функція - многочлен чи дріб, чисельник і знаменник якої - многочлены. Але ми не обмежимося такими прикладами, оскільки серед викладачів бувають любителі змусити студентів думати по повній (таблиці похідних). Тому в хід підуть логарифм та тригонометрична функція.

Приклад 6. Знайти найменше та найбільше значення функції на відрізку .

Рішення. Знаходимо похідну цієї функції як похідну твори :

Прирівнюємо похідну нулю, що дає одну критичну точку: . Вона належить відрізку. Для знаходження найменшого та найбільшого значень функції на заданому відрізку знаходимо її значення на кінцях відрізка та в знайденій критичній точці:

Результат усіх дій: функція досягає найменшого значення, рівного 0, у точці та в точці та найбільшого значення, рівного e², у точці.

Приклад 7. Знайти найменше та найбільше значення функції на відрізку .

Рішення. Знаходимо похідну цієї функції:

Прирівнюємо похідну нулю:

Єдина критична точка належить відрізку. Для знаходження найменшого та найбільшого значень функції на заданому відрізку знаходимо її значення на кінцях відрізка та в знайденій критичній точці:

Висновок: функція досягає найменшого значення, рівного , у точці та найбільшого значення, рівного , у точці .

У прикладних екстремальних задачах знаходження найменшого (найбільшого) значень функції, як правило, зводиться до знаходження мінімуму (максимуму). Але більший практичний інтерес мають самі мінімуми чи максимуми, а ті значення аргументу, у яких досягаються. При вирішенні прикладних завдань виникає додаткова труднощі - складання функцій, що описують явище, що розглядається, або процес.

Приклад 8.Резервуар ємністю 4 має форму паралелепіпеда з квадратною основою і відкритий зверху, потрібно вилудити оловом. Якими мають бути розміри резервуара, щоб на його покриття пішла найменша кількість матеріалу?

Рішення. Нехай x- сторона основи, h- Висота резервуара, S- площа поверхні без кришки, V- Його обсяг. Площа поверхні резервуара виражається формулою, тобто. є функцією двох змінних. Щоб виразити Sяк функцію однієї змінної, скористаємося тим, що , звідки . Підставивши знайдений вираз hу формулу для S:

Досліджуємо цю функцію на екстремум. Вона визначена і диференційована всюди ]0, +∞[ , причому

Прирівнюємо похідну нулю () і знаходимо критичну точку. Крім того, при похідна не існує, але це значення не входить в область визначення і тому не може бути точкою екстремуму. Отже, єдина критична точка. Перевіримо її на наявність екстремуму, використовуючи другу достатню ознаку. Знайдемо другу похідну. При другому похідному більше нуля (). Значить, при функція досягає мінімуму . Оскільки цей мінімум - єдиний екстремум цієї функції, і є її найменшим значенням. Отже, сторона основи резервуара повинна дорівнювати 2 м, а його висота .

Приклад 9.З пункту A, що знаходиться на лінії залізниці, в пункт Звіддалений від неї на відстані l, повинні переправити вантажі. Вартість провезення вагової одиниці на одиницю відстані залізницею дорівнює, а шосе вона дорівнює. До якої точки Млінії залізниціслід провести шосе, щоб транспортування вантажу з Ав Збула найбільш економічною (ділянка АВзалізниці передбачається прямолінійним)?

Як знайти найбільше та найменше значення функції на відрізку?

Для цього ми слідуємо відомому алгоритму:

1 . Знаходимо ОДЗ функції.

2 . Знаходимо похідну функції

3 . Прирівнюємо похідну до нуля

4 . Знаходимо проміжки, на яких похідна зберігає знак, і за ними визначаємо проміжки зростання та зменшення функції:

Якщо на проміжку I похідна функції 0" title="f^(prime)(x)>0">, то функция !} зростає у цьому проміжку.

Якщо на проміжку I похідна функції, то функція зменшується у цьому проміжку.

5 . Знаходимо точки максимуму та мінімуму функції.

У точці максимуму функції похідна змінює знак з "+" на "-".

У точці мінімуму функціїпохідна змінює знак з "-" на "+".

6 . Знаходимо значення функції в кінцях відрізка,

потім порівнюємо значення функції в кінцях відрізка і в точках максимуму, і вибираємо з них найбільше, якщо потрібно знайти найбільше значення функції
або порівнюємо значення функції в кінцях відрізка і в точках мінімуму, та вибираємо з них найменше, якщо потрібно знайти найменше значення функції

Однак, залежно від того, як поводиться функція на відрізку, це алгоритм можна значно скоротити.

Розглянемо функцію . Графік цієї функції виглядає так:

Розглянемо кілька прикладів розв'язання задач з Відкритого банкузавдань для

1 . Завдання B15 (№ 26695)

На відрізку.

1. Функція визначена при всіх дійсних значеннях

Вочевидь, що це рівнянь немає рішень, і похідна за всіх значеннях х позитивна. Отже, функція зростає і набуває найбільшого значення правому кінці проміжку, тобто при х=0.

Відповідь: 5.

2 . Завдання B15 (№ 26702)

Знайдіть найбільше значення функції на відрізку.

1. ОДЗ функції title="x(pi)/2+(pi)k, k(in)(bbZ)">!}

Похідна дорівнює нулю при , однак, у цих точках вона не змінює знак:

Отже, title="3/(cos^2(x))>=3">, значит, title="3/(cos^2(x))-3>=0">, то есть производная при всех допустимых значених х неотрицательна, следовательно, функция !} зростає та приймає найбільше значення у правому кінці проміжку, при .

Щоб стало очевидно, чому похідна не змінює знак, перетворюємо вираз для похідної так:

Title="y^(prime)=3/(cos^2(x))-3=(3-3cos^2(x))/(cos^2(x))=(3sin^2 (x))/(cos^2(x))=3tg^2(x)>=0">!}

Відповідь: 5.

3 . Завдання B15 (№ 26708)

Знайдіть найменше значення функції на відрізку.

1. ОДЗ функції: title="x(pi)/2+(pi)k, k(in)(bbZ)">!}

Розташуємо коріння цього рівняння на тригонометричному колі.

Проміжку належать два числа: і

Розставимо знаки. Для цього визначимо знак похідної у точці х=0: . При переході через крапки і похідна змінює знак.

Зобразимо зміну знаків похідної функції координатної прямої:

Очевидно, що точка є точкою мінімуму (у ній похідна змінює знак з "-" на "+"), і щоб знайти найменше значення функції на відрізку, потрібно порівняти значення функції в точці мінімуму і в лівому кінці відрізка, .

У цій статті я розповім про алгоритм пошуку найбільшого та найменшого значенняфункції, точок мінімуму та максимуму.

З теорії нам нагоді таблиця похіднихі правила диференціювання. Все це є в цій табличці:

Алгоритм пошуку найбільшого та найменшого значення.

Мені зручніше пояснювати конкретному прикладі. Розглянемо:

Приклад:Знайдіть найбільше значення функції y=x^5+20x^3–65x на відрізку [–4;0].

Крок 1.Беремо похідну.

Y" = (x^5+20x^3–65x)" = 5x^4 + 20*3x^2 - 65 = 5x^4 + 60x^2 - 65

Крок 2Знаходимо точки екстремуму.

Крапкою екстремумуми називаємо такі точки, у яких функція сягає свого найбільшого чи найменшого значення.

Щоб знайти точки екстремуму, треба прирівняти похідну функцію до нуля (y" = 0)

5x^4 + 60x^2 - 65 = 0

Тепер вирішуємо це біквадратне рівняння і знайдене коріння є наші точки екстремуму.

Я розв'язую такі рівняння заміною t = x^2, тоді 5t^2 + 60t - 65 = 0.

Скоротимо рівняння на 5, отримаємо: t^2 + 12t - 13 = 0

D = 12 ^ 2 - 4 * 1 * (-13) = 196

T_(1) = (-12 + sqrt (196)) / 2 = (-12 + 14) / 2 = 1

T_(2) = (-12 - sqrt(196))/2 = (-12 - 14)/2 = -13

Робимо зворотну заміну x^2 = t:

X_(1 та 2) = ±sqrt(1) = ±1
x_(3 і 4) = ±sqrt(-13) (виключаємо, під коренем не може бути негативних чисел, якщо звичайно не йдеться про комплексні числа)

Разом: x_(1) = 1 і x_(2) = -1 - і є наші точки екстремуму.

Крок 3Визначаємо найбільше та найменше значення.

Метод підстановки.

За умови нам було дано відрізок [b][–4;0]. Точка x=1 у цей відрізок не входить. Отже її ми не розглядаємо. Але крім точки x=-1 нам також треба розглянути ліву та праву межу нашого відрізка, тобто точки -4 та 0. Для цього підставляємо всі ці три точки у вихідну функцію. Зауважте вихідну - це ту, яка дана в умові (y=x^5+20x^3–65x), деякі починають підставляти у похідну...

Y(-1) = (-1)^5 + 20*(-1)^3 - 65*(-1) = -1 - 20 + 65 = [b]44
y(0) = (0)^5 + 20*(0)^3 - 65*(0) = 0
y(-4) = (-4)^5 + 20*(-4)^3 - 65*(-4) = -1024 - 1280 + 260 = -2044

Значить найбільше значення функції це [b]44 і досягається воно точки [b]-1, яка називається точкою максимуму функції на відрізку [-4; 0].

Ми вирішили та отримали відповідь, ми молодці, можна розслабитися. Але стоп! Вам не здається, що рахувати y(-4) якось надто складно? В умовах обмеженого часу краще скористатися іншим способом, я називаю його так:

Через проміжки знакостійності.

Знаходяться ці проміжки для похідної функції, тобто нашого біквадратного рівняння.

Я роблю це так. Малюю спрямований відрізок. Розставляю точки: -4, -1, 0, 1. Не дивлячись на те, що 1 не входить у заданий відрізок, її все одно слід зазначити для того, щоб коректно визначити проміжки знакопостійності. Візьмемо якесь число набагато більше 1, припустимо 100, подумки підставимо їх у наше биквадратное рівняння 5(100)^4 + 60(100)^2 - 65. Навіть нічого крім стає очевидно, що у точці 100 функція має знак плюс. А значить, і на проміжки від 1 до 100 вона має знак плюс. При переході через 1 (ми йдемо праворуч наліво) функція змінить знак на мінус. При переході через точку 0 функція збереже свій знак, оскільки це лише межа відрізка, а чи не корінь рівняння. При переході через -1 функція знову змінить знак плюс.

З теорії ми знаємо, що там, де похідна функції (а ми саме для неї це й креслили) змінює знак із плюсу на мінус (точка -1 у нашому випадку)функція досягає свого локального максимуму (y(-1)=44, як було пораховано раніше)на даному відрізку (це логічно дуже зрозуміло, функція перестала зростати, оскільки досягла свого максимуму і почала зменшуватися).

Відповідно, там де похідна функції змінює знак з мінусу на плюсдосягається локальний мінімум функції. Так, так, ми також знайшли точку локального мінімуму це 1, а y(1) – це мінімальне значення функції на відрізку, допустимо від -1 до +∞. Зверніть велику увагу, що це лише локальний мінімум, тобто мінімум на певному відрізку. Так як дійсний (глобальний) мінімум функція досягне десь там, -∞.

На погляд перший спосіб простіше теоретично, а другий простіше з погляду арифметичних дій, але набагато складніше з погляду теорії. Адже іноді бувають випадки, коли функція не змінює знак при переході через корінь рівняння, та й взагалі можна заплутатися з цими локальними, глобальними максимумами та мінімумами, хоча Вам так і так доведеться це добре освоїти, якщо ви плануєте вступати до технічного ВНЗ (а для чого інакше здавати профільне ЄДІта вирішувати це завдання). Але практика і лише практика раз і назавжди навчить Вас вирішувати такі завдання. А тренуватись можете на нашому сайті. Ось.

Якщо виникли якісь питання, чи щось незрозуміло – обов'язково запитайте. Я з радістю Вам відповім і внесу зміни, доповнення до статті. Пам'ятайте, ми робимо цей сайт разом!

Популярне в рубриці: