Понятие экстремума функции
Наибольшее или наименьшее значение функции на промежутке называется глобальным экстремумом.
Глобальный экстремум может достигаться либо в точках локального экстремума, либо на концах отрезка.
Необходимое условие экстремума
(Необходимое условие экстремума)
Не в каждой своей критической точке функция обязательно имеет максимум или минимум.
Первое достаточное условие экстремума
(Первое достаточное условие экстремума)
Решение. Находим производную заданной функции:
Второе достаточное условие экстремума
(Второе достаточное условие экстремума)
Понятие экстремума функции не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!
Решение. Находим первую производную заданной функции:
Находим точки, в которых первая производная равна нулю:
Вторая производная заданной функции:
Остались вопросы?
Здесь вы найдете ответы.
Экстремум представляет собой значение функции на определенном интервале в момент достижения им минимального или максимального показания. Под понятием «экстремумы» или по-другому минимумы/максимумы подразумевается значение функции (у).
Если в определенной точке достигается экстремум или, иными словами, максимальное/минимальное значение функции на заданном интервале, то эта точка носит название точки экстремума. Из этого следует, что при достижении минимума, точка экстремума будет названа точкой минимума, и, наоборот, при достижении максимума эта точка будет называться точкой максимума. В случае, когда указываются точки экстремумов (или минимумов/максимумов) подразумеваются иксы, в которых достигаются минимальные или максимальные значения.
Под понятием «минимум функции» имеется в виду та точка на ней, в которой функция имеет значение, являющееся наименьшим среди всех значений, приобретаемых ею в любой из других соседних точек. Другими словами, это означает, что в случае, когда функция, достигнув определенной точки, прекращает падать, а, наоборот, наблюдается ее рост, то данная точка и представляет собой точку ее минимума.
Для ответа на поставленный вопрос нужно отыскать точку минимума указанной функции, в которой ее значение перестает падать. Это можно сделать следующим образом:
Предположив, что минимальное значение данной функции равно 0, можно переписать равенство в следующем виде:
Сократим данное уравнение на 4:
Получившееся равенство также может быть записано в следующем виде после перемены местами слагаемых:
Распишем слагаемые в ином виде, чтобы избавиться от третьей степени:
Это же уравнение может выглядеть так:
Теперь для упрощения можно переписать уравнение в таком виде:
В этом случае х = 1
Знаками «+» и «-» обозначены значения производной.
После проведенных вычислений было установлено, что х = 1, что является точкой минимума функции:
Точкой максимума называется то значение х, достигнув которого, производная начинает менять свой знак с плюса на минус. Зная это, можно перейти к поиску точки максимума для функции, указанной в задании.
Для этого нужно начать с поиска производной, используя следующую формулу:
Подставляем приведенные в задании значения и получаем:
Теперь следует приравнять производную к 0 и начать решать получившееся уравнение:
Упростим уравнение и получим:
Избавимся от минусов в уравнении:
Отсюда следует, что:
Можно сделать вывод о том, что х = 1,5.
Запишем производную данной функции:
А затем приравняем ее к 0:
Это позволяет сделать вывод о том, что:
Получается, что, если x 3/2, то производная y’ > 0, и в этом случае функция возрастает.
x =3/2=1,5 – это единственная точка экстремума, которая является точкой минимума.
Критическая точка функции представляет собой ту точку, при пересечении с которой производная данной функции становится равной 0, либо она вовсе не существует.
Для начала нужно определить, что под критической точкой функции подразумевается та точка, при пересечении с которой производная приобретает нулевое значение, либо же эта производная просто не существует в этой точке, что означает, что функцию в данной точке невозможно дифференцировать.
Проверим, применимо ли это утверждение к упомянутой в задании функции:
Приравняем производную функции к 0:
f ‘(x) = 0, это значит, что 2sin2x-3 = 0.
sin2x= 3 2 не имеет решения
Ответ: заданная функция не имеет критических точек и существует при любых х.
Под критическими точками функции понимаются те точки, в которых ее производная равна 0 или вовсе не существует.
Исследование функций с примерами решения и образцами выполнения
Исследование функции — задача, заключающаяся в определении основных параметров заданной функции. Одной из целей исследования является построение графика функции.
Точки экстремума
Максимумом или минимумом функции y = f(x) называется
такое ее значение 
неравенства при любых малых положительных и отрицательных значениях
■ 
■ 
Таким образом, в точках максимума (минимума) значение 
Функция, представленная на рис. 7.1, в точке 
максимум, а в точке 
Точки, в которых функция принимает максимальное или минимальное значения, называются точками экстремума.
Необходимое условие максимума и минимума функции
Теорема Ферма:
Если функция определена и дифференцируема
в некотором промежутке X и во внутренней точке этого промежутка 
производная функции в этой точке равна нулю, т.е.
Доказательство:
Пусть функция y = f(x) в точке 
промежутка X имеет наибольшее значение (рис. 7.2).
Тогда 



Если 




Переходя к пределам справа при 

получим
Так как по условию функция y=f(x) дифференцируема в
точке 

стремления (слева или справа).
т.е. 
Необходимым условием максимума (минимума) непрерывной функции является равенство нулю первой производной.
Это условие является следствием теоремы Ферма. Действительно, если в точке 
Необходимое условие максимума или минимума непрерывной функции имеет простой геометрический смысл. Так как в экстремальных точках касательная параллельна оси Ох (см. рис. 7.1 и 7.2), т.е. угол наклона касательной к оси Ох равен нулю, то тангенс данного угла, который равен производной, также равен нулю.
Максимум или минимум может иметь место также в тех точках, где производная не существует вовсе (рис. 7.3).
Приведенное условие существования экстремумов является необходимым, но не достаточным. На рис. 7.4 приведен случай, когда необходимое условие выполняется в точке 
Достаточные условия существования экстремума
Первое условие. Если при переходе через точку 

Действительно, если 




промежутке 

наибольшим в промежутке 

Если при переходе через точку 
своего знака, то в точке 
(см. рис. 7.4).
Второе условие. Если функция y = f(x) дважды дифференцируема в точке 
нулю, а вторая производная в этой точке положительна, то точка

функции y = f(x) отрицательна в точке 
Действительно, вторая производная вычисляется по формуле:
так как 
Пусть 

из окрестности точки 





точки 
в такой точке имеет место минимум. Аналогично можно показать,
что при 

поясняется на рис. 7.5.
Если вторая производная в некоторой точке равна нулю, то эта
точка также может быть экстремальной. Например, для функции


Алгоритм исследования функции на экстремум
1.Найти производную функции и приравнять ее нулю.
2.Решив это уравнение, определить подозрительные точки.
3.Исследовать знак производной слева и справа от каждой
подозрительной точки и принять решение о наличии
минимума или максимума.
4.Найти значения функции в экстремальных точках.
Пример:
Найти максимумы и минимумы функции
Решение:
Область определения функции — вся числовая ось.
Определяем производную:
Подозрительные точки находим, решая уравнение
Отсюда 
Определяем вторую производную:
Для точки 

имеет место минимум. Его значение равно
Для точки 

точке имеет место минимум. Его значение равно
Пример:
Производитель реализует свою продукцию по цене
60 ден. ед. за единицу продукции. Издержки производителя
определяются кубической зависимостью 
количество изготовленной и реализованной продукции. Найти оптимальный объем выпуска и соответствующий ему доход.
Решение:
Доход определяется разностью между выручкой за
проданную продукцию 60х и ее себестоимостью, т.е.
Для определения оптимального объема выпуска найдем производную
этой функции, приравняем ее нулю и решим полученное уравнение
Доход, соответствующий оптимальному выпуску,
Для определения наибольшего и наименьшего значений на
отрезке, помимо указанного алгоритма, находят значения функции на концах отрезка. Затем выбирают наибольшее и наименьшее
значения из этих двух и всех экстремальных значений. Смысл
сказанного поясняется на рис. 7.6.
Монотонность и выпуклость функций
Функция y = f(x) не убывает (не возрастает) на промежутке X, если для любых 

Если меньшему значению неравенства аргумента соответствует меньшее значение функции, то функция называется возрастающей (рис. 7.7). Если меньшему значению аргумента соответствует большее значение функции, то функция называется убывающей (рис.7.8).
Функции возрастающие и убывающие называются монотонными.
Функция называется ограниченной на промежутке X, если существует такое положительное число М > 0, что 

Функция y = f(x) на интервале (а,b) имеет выпуклость вниз (вверх), если в пределах данного интервала график лежит не ниже (не выше) любой касательной к графику функции. На рис. 7.9 изображен график функции, имеющей выпуклость вниз, а на рис. 7.10 — график функции, имеющей выпуклость вверх.
Функция y = f(x) на интервале (а, b) называется выпуклой вниз, если для любых двух значений 
Функция y = f(x) на интервале (а, b) называется выпуклой вверх, если для любых двух значений 
При исследовании функций бывают полезны две следующие
теоремы.
Теорема:
Функция выпукла вниз (вверх) тогда и только тогда,
когда ее первая производная на этом промежутке монотонно
возрастает (убывает).
Теорема:
Если вторая производная дважды дифференцируемой
функции положительна (отрицательна) внутри интервала (a, b), то
функция выпукла вниз (вверх) внутри этого интервала (достаточное
условие).
Однако, данное условие справедливо не всегда. Например,
функция 
производная 
Точка 
y = f(x), если в этой точке график имеет касательную и существует
такая окрестность точки 

На рис. 7.4 точка 
Необходимое условие перегиба. Вторая производная дважды
дифференцируемой функции в точке перегиба 
Достаточное условие перегиба. Вторая производная дважды
дифференцируемой функции при переходе точки перегиба 
меняет свой знак.
Алгоритм исследования функции на выпуклость и точки перегиба
1.Найти вторую производную функции и приравнять ее нулю.
2.Решив это уравнение, определить подозрительные точки.
3.Исследовать знак второй производной слева и справа от
каждой подозрительной точки и принять решение об интервалах
выпуклости и наличии точек перегиба.
4.Найти значения функции в точках перегиба.
Пример:
Найти экстремальные точки, интервалы выпуклости
и точки перегиба функции
Решение:
Находим первую и вторую производные исследуемой
функции:
Приравняем нулю первую производную и решим полученное
уравнение:
Подставив полученные значения в формулу для второй
производной, найдем
Таким образом, точка 
Значение исследуемой функции в этой точке
Точку 
производная определена на всей числовой оси, так как точек, в которых производная отсутствует, не существует. Исследуем знак производной на интервале 
Так как слева и справа от точки 
положительный, то в этой точке экстремума нет.
Приравняем нулю вторую производную и решим полученное
уравнение:
Вторая производная также определена на всей числовой оси. В
точке х = 0 значение второй производной
в точке
■ на интервале 
■ на интервале (1; 2) у» Асимптоты функций
Существуют три вида асимптот: вертикальные (рис. 7.11),
горизонтальные (рис. 7.12) и наклонные (рис. 7.13, 7.14).
На рис. 7.14 кривая приближается к асимптоте, все время пересекая ее.
Прямая х = а называется вертикальной асимптотой графика
функции у = f(x), если хотя бы одно из предельных значений 


Прямая у = b называется горизонтальной асимптотой графика
функции y = f (х), если 
Прямая y = kx + b 
графика функции у = f(x), если существуют конечные пределы
Действительно, если у = kх + b — наклонная асимптота, то
Из последнего выражения следует
При известном k из равенства 
Если для горизонтальной и наклонной асимптот конечен только
предел при 

Пример:
Найти асимптоты графика функции
Решение:
Поэтому прямая х = 3 — вертикальная асимптота. Так как 
Пример:
Найти асимптоты графика функции у = х + arctg х.
Решение. Функция непрерывна на всей числовой оси, поэтому
вертикальные асимптоты отсутствуют. Так как
то отсутствуют и горизонтальные асимптоты.
Для правосторонней наклонной асимптоты
Уравнение правосторонней асимптоты имеет вид
Для левосторонней наклонной асимптоты
Уравнение правосторонней асимптоты имеет вид
Правило Лопиталя
При отыскании предела часто сталкиваются с
неопределенностями 

Прежде чем переходить к доказательству правила Лопиталя,
рассмотрим две теоремы.
Теорема Ролля:
Пусть функция y = f(x) удовлетворяет
следующим условиям:
■ непрерывна на промежутке [а,b];
■ дифференцируема на промежутке (а,b);
■ на концах промежутка принимает равные значения, т.е.
f(a) = f(b).
Тогда внутри промежутка существует по крайней мере одна точка

Доказательство. Действительно, если внутри промежутка функция имеет хотя бы одну точку, в которой она принимает наибольшее или наименьшее значение, то в соответствии с теоремой Ферма производная в этой точке равна нулю. Если же таких точек нет, то функция тождественно постоянна на всем интервале. Тогда производная равна нулю во всех точках указанного интервала.
Теорема Лагранжа:
Пусть функция y = f(x) удовлетворяет
следующим условиям:
■ непрерывна на промежутке [а, b];
■ дифференцируема на промежутке (а, b).
Тогда внутри промежутка существует по крайней мере одна точка

приращения функции на приращение аргумента на данном промежутке:
Доказательство:
Эта функция удовлетворяет условиям теоремы Ролля, поскольку она:
■ непрерывна на промежутке [а, b];
■ дифференцируема на промежутке (а, b) и
■ на концах промежутка принимает равные значения:
Следовательно, внутри промежутка существует по крайней мере одна точка 
Отсюда находим
Правило Лопиталя
Пусть 


■ непрерывны на промежутке [х, а];
■ дифференцируемы на промежутке (х, а) и
■ 

Тогда
Доказательство:
Доказательство проведем для неопределенности 


Так как при 

В случае, если 


Пример:
Используя правило Лопиталя, найти пределы:
Решение:
Во всех примерах имеем неопределенность 
Пример:
Используя правило Лопиталя, найти предел
Решение:
Имеем неопределенность 
Пример:
Используя правило Лопиталя, найти предел
Решение:
Построение графиков функций
Изучение функции и построение ее графика целесообразно
проводить по следующей схеме:
1.Найти область существования функции, точки разрыва и
определить их характер.
2.Определить поведение функции в бесконечности, вычислив
пределы
5.Найти экстремумы и интервалы монотонности функции.
6.Найти интервалы выпуклости функции и точки перегиба.
7.По полученным данным постепенно делают набросок
кривой, уточняя его по отдельным точкам.
Пример:
Построить график функции
Решение:
2.Пределы функции в бесконечности:
3.Определим параметры наклонных асимптот. Угловой
коэффициент справа
Угловой коэффициент слева
Точка пересечения асимптоты с осью Оу справа
Точка пересечения асимптоты с осью Оу слева
Таким образом, параметры правой и левой асимптот совпали,
т.е. имеет место одна асимптота, определенная уравнением прямой
у = х-4.
4.Точка пересечения кривой с осью Оу находится из
соотношения
Точка пересечения кривой с осью Ох находится из уравнения
Дробь равна нулю, если числитель равен нулю, т.е.
Решение данного квадратного уравнения имеет вид
5.Для определения экстремумов и интервалов монотонности
функции найдем первую и вторую производные:
Приравняв нулю первую производную, получим:
Решив данное уравнение, найдем подозрительные точки:
Значения функции в этих точках:
Подставив полученные координаты экстремальных точек в формулу
второй производной, найдем:
Для исследования функции на монотонность проследим поведение производных внутри полученных интервалов (рис. 7.15). Знаками плюс и минус показан знак производной на данном интервале.
6.Для нахождения точек перегиба приравняем нулю вторую производную: 
По полученным данным строим график функции (рис. 7.16). ►
Производные и дифференциалы функций нескольких переменных
Пусть задана функция n переменных
Первой частной производной функции 


Аналогично определяется первая частная производная по любой другой переменной. Например, первую частную производную по 
Второй частной производной функции 
Функция n переменных имеет 

Таблица 7.1
Для функции двух переменных имеем четыре вторые частные производные:
Вторая частная производная по двум различным переменным, например 


Аналогично определяются производные более высоких порядков, например третья частная производная, четвертая частная производная и т.д.
Частный дифференциал функции n переменных 

Полный дифференциал функции n переменных 
Полный дифференциал второго порядка функции двух переменных 
Пример:
Найти частные производные первого и второго порядка от функции
Решение:
Находим первую и вторую частные производные по х:
Находим первую и вторую частные производные по у :
Находим смешанные вторые частные производные:
Как и следовало ожидать, смешанные частные производные равны. ►
Пример:
Найти дифференциалы первого и второго порядков от функции
Решение. Частные производные первого и второго порядков исследуемой функции равны:
Дифференциал первого порядка
Дифференциал второго порядка
Градиент
Градиентом функции n переменных 
При этом пишут grad y,
Известно, что вектор 
где 



Градиент функции трех переменных u = f(x, у, z) можно представить в виде
где 
Градиент функции в заданной точке показывает направление самого быстрого роста функции в этой точке.
В экономике достаточно часто используются функции двух переменных. Градиент функции двух переменных u = f(х, у) можно представить в виде
Существует четкая связь между линиями уровня таких функций и направлением градиента.
Теорема:
Пусть задана дифференцируемая функция u = f(x,у) и величина градиента данной функции, отличная от нуля, в точке 

Доказательство. Линия уровня, представленная на рис. 7.17, задана уравнением L = f(x, у).
В точке 

Пусть проекция вектора 

Таким образом, вектор 
Найдем скалярное произведение градиента функции u = f(x,y)
в точке 
С другой стороны, полный дифференциал функции u = f(x, у)
в точке
На линии уровня функция u = f(x, у) не изменяется по определению, поэтому полный дифференциал по направлению вектора 
Сопоставив это выражение с (7.1), можно сделать вывод о
перпендикулярности векторов 
Пример:
Для функции u = ху построить линию уровня, проходящую через точку 

точке.
Решение:
Уровень в исследуемой точке равен с = 1 • 1 = 1. Линия уровня определяется формулой
1 = ху или
Таким образом, линией уровня является гипербола.
Для отыскания градиента найдем частные производные функции в
исследуемой точке:
Отсюда следует выражение для градиента функции в исследуемой
точке:
Из полученной формулы видно, что градиент в исследуемой точке
направлен вправо вверх под углом 45° к осям Ох и Оу (рис. 7.18).
Однородные функции
Пусть задана функция и переменных 

Функция 
Заметим, что условие определения функции 

Для однородных функций п переменных 
Для однородной функции двух переменных u=f(x, у) степени р имеем
Приведенные формулы называются формулами Эйлера.
Пример:
Определить степень однородных функций:
б)
Решение:
б) 

Экстремумы функции двух переменных
Пусть задана функция двух переменных u = f(x, у).
Точка 




Двумерной 








Если 


u = f(х,у) имеет вид шапочки, повернутой выпуклостью вверх
(максимум) или вниз (минимум).
Точка 
максимума (глобального (абсолютного) минимума) функции u = f(x,у), если для всех точек (х, у), для которых функция u = f(х, у) определена, справедливо неравенство 
Пусть функция u = f(x, у) определена в окрестности точки

условием локального экстремума данной функции в точке 
является равенство нулю первых частных производных:
Эти точки являются подозрительными и среди них следует
искать точки локального экстремума. Подозрительные точки не
обязаны быть точками локального экстремума.
Достаточное условие локального экстремума функции u = f(x, у)
дважды дифференцируемой в точке 
Пусть функция u = f(x, у) в точке 
производные, равные нулю:
1.Если 



2. Если 



3.Если 

Пример:
Исследовать на экстремум следующие функции
нескольких переменных: 1)
Решение:
1.Находим первые частные производные и приравниваем их к нулю:
Решив полученные уравнения, находим подозрительные точки:
Находим в подозрительной точке вторые частные производные:
Так как 
2.Находим первые частные производные и приравниваем их к нулю:
Решив систему из двух уравнений, находим подозрительные точки:
Находим в подозрительной точке вторые частные производные:
Так как 
Условный экстремум
При определении безусловного экстремума функции п
независимых переменных 

дополнительных условий. В задачах на условный экстремум поведение независимых переменных ограничено определенными условиями. Рассмотрим эту задачу для n независимых переменных в следующей формулировке.
Найти локальный экстремум функции n независимых
переменных 
Задача на условный экстремум записывается следующим образом:
где m Дополнение к исследованию функции




















































Решение заданий и задач по предметам:
Дополнительные лекции по высшей математике:
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
























































































































































