Наибольшее и наименьшее значение функции
Теория к заданию 12 из ЕГЭ по математике (профильной)
Наибольшее (наименьшее) значение функции – это самое большое (маленькое) принимаемое значение ординаты на рассматриваемом интервале.
Чтобы найти наибольшее или наименьшее значение функции необходимо:
Чтобы найти точки максимума или минимума необходимо:
Таблица производных некоторых элементарных функций:
| Функция | Производная |
| $c$ | $0$ |
| $x$ | $1$ |
| $x^n, n∈N$ | $nx^ |
| $<1>/ | $-<1>/ |
| $<1>/x<^n>, n∈N$ | $- |
| $√^n | $<1>/ |
| $sinx$ | $cosx$ |
| $cosx$ | $-sinx$ |
| $tgx$ | $<1>/ |
| $ctgx$ | $-<1>/ |
| $cos^2x$ | $-sin2x$ |
| $sin^2x$ | $sin2x$ |
| $e^x$ | $e^x$ |
| $a^x$ | $a^xlna$ |
| $lnx$ | $<1>/ |
| $log_x$ | $<1>/ |
Основные правила дифференцирования
1. Производная суммы и разности равна производной каждого слагаемого
Производная суммы и разности равна производной каждого слагаемого
1. Нахождение наибольшего и наименьшего значений непрерывной функции на промежутке
Теория:
Наибольшее и наименьшее значения функции можно найти по графику функции. Иногда это значения удаётся найти, используя свойства функции. В общем случае наибольшее и наименьшее значения функции находятся с помощью производной. Для этого сформулируем некоторые теоремы.
1. Если функция непрерывна на отрезке, то она достигает на нём и своего наибольшего, и своего наименьшего значений (Эта теорема доказывается в курсе высшей математики).
2. Наибольшего и наименьшего значений непрерывная функция может достигать как на концах отрезка, так и внутри него.
3. Если наибольшее (или наименьшее) значение достигается внутри отрезка, то только в стационарной или критической точке.
Как найти наименьшее и наибольшее значения функции на отрезке?
Пусть функция \(f(x)\) напрерывна на отрезке \([a; b]\), тогда:
2. Приравниваем производную к нулю, определяем точки экстремума функции, отбираем из них те, которые принадлежат отрезку \([a; b]\).
3. Находим значения функции y = f ( x ) в отобранных точках, и в конечных точках отрезка \(a\) и \(b\); выбираем среди полученных значений наименьшее ( y наим ) и наибольшее ( y наиб ).
А что делать, если нужно найти наибольшее или наименьшее значения функции, непрерывной на интервале? Один из вариантов — графический метод, который подразумевает построение графика функции и определение наименьшего или наибольшего значения функции по нему. Однако не всегда этот способ удобен, целесообразнее использовать следующую теорему.
а) если x = x 0 — точка максимума, то y наиб = f ( x o ) ;
На рисунках продемонстрированы геометрические иллюстрации данной теоремы.
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.
Основные определения
Начнем, как всегда, с формулировки основных определений.
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
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.
Наибольшее и наименьшее значение функции на открытом интервале
Наибольшее и наименьшее значение функции на бесконечности
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.
Посмотрим, как правильно применить этот алгоритм при решении задач.
Решение:
Теперь вычисляем производную функции согласно правилу дифференцирования дроби:
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
Второй отрезок не включает в себя ни одной стационарной точки, поэтому нам надо вычислить значения функции только на концах заданного отрезка:
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.
Решение
Первым делом находим область определения функции. В знаменателе дроби стоит квадратный трехчлен, который не должен обращаться в 0 :
Мы получили область определения функции, к которой принадлежат все указанные в условии интервалы.
Теперь выполним дифференцирование функции и получим:
Следовательно, производные функции существуют на всей области ее определения.
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.
Графические примеры наибольших и наименьших значений функций на отрезках и интервалах.
Эта парабола на области определения имеет только наименьшее значение. Наибольшего значения нет, так как её ветви уходят в бесконечность.
На отрезке [a;b] есть и наибольшее, и наименьшее значения. В этом примере наименьшее значение достигается во внутренней точке отрезка и совпадает с экстремумом (минимумом) функции, наибольшее — на одном из концов отрезка. В данном случае это y = f(b).
Функция рассматривается на интервале (a;b). В этом случае краевые точки a и b не входят в область определения функции на оси Ox, и, соответственно, не определены значения функции f(a) и f(b) на оси Oy. Однако, можно вычислить сколь угодно близкие к ним значения. Поэтому в этом примере функция имеет наименьшее значение, но не достигает наибольшего, его нет.
На этом полуинтервале (a;b] есть наибольшее значение приведенной функции, но наименьшего нет.
Кубическая парабола на области определения имеет два экстремума, но наименьшего и наибольшего значений не достигает: её ветви уходят в бесконечность. E(f) = (−∞; +∞) — область значений кубической параболы.
Здесь на отрезке [a;b] наибольшее значение достигается в точке максимума, а наименьшее в краевой точке отрезка.
Если вместо отрезка [a;b] рассматриваем интервал (a;b) с теми же концами, то наименьшего значения нет.
Непрерывная функция, заданная на отрезке, всегда имеет наибольшее и наименьшее значения. Но, если функция имеет разрывы, то могут быть различные варианты, как для интервалов, так и для отрезков. Посмотрите на этот график разрывной функции, заданной на отрезке [−2;3]. Здесь функция не имеет наибольшего значения: перед точкой разрыва она возрастает и достигает значений больших, чем в других частях отрезка, но наибольшего не достигает, так как в предполагаемой точке максимума x = 2 она определена другим значением, не у = 2, а y = −1.
Понравились материалы сайта? Узнайте, как поддержать сайт и помочь его развитию.
Внимание, ©mathematichka. Прямое копирование материалов на других сайтах запрещено. Ставьте ссылки.
Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке
Миниатюрная и довольно простая задача из разряда тех, которые служат спасательным кругом плавающему студенту. На природе сонное царство середины июля, поэтому самое время устроиться с ноутбуком на пляже. Ранним утром заиграл солнечный зайчик теории, чтобы в скором времени сфокусироваться на практике, которая, несмотря на заявленную лёгкость, содержит осколки стекла в песке. В этой связи рекомендую добросовестно рассмотреть немногочисленные примеры этой странички. Для решения практических заданий необходимо уметь находить производные и понимать материал статьи Интервалы монотонности и экстремумы функции.
Сначала коротко о главном. На уроке о непрерывности функции я приводил определение непрерывности в точке и непрерывности на интервале. Образцово-показательное поведение функции на отрезке формулируется похожим образом. Функция 
непрерывна на отрезке 
если:
1) она непрерывна на интервале 
;
2) непрерывна в точке 
справа и в точке 
слева.
Во втором пункте речь зашла о так называемой односторонней непрерывности функции в точке. Существует несколько подходов к её определению, но я буду придерживаться начатой ранее линии:
Функция 
непрерывна в точке 
справа, если она определена в данной точке и её правосторонний предел совпадает со значением функции в данной точке: 
. Она же непрерывна в точке 
слева, если определена в данной точке и её левосторонний предел равен значению в этой точке: 
Представьте, что зелёные точки – это гвозди, на которых закреплена волшебная резинка:
Мысленно возьмите красную линию в руки. Очевидно, что как бы далеко мы не растягивали график вверх и вниз (вдоль оси 
), функция всё равно останется ограниченной – изгородь сверху, изгородь снизу, и наше изделие пасётся в загоне. Таким образом, непрерывная на отрезке функция ограничена на нём. В курсе матанализа этот вроде бы простой факт констатируется и строго доказывается первой теоремой Вейерштрасса. …Многих раздражает, что в математике нудно обосновываются элементарные утверждения, однако в этом есть важный смысл. Предположим, некий житель махрового средневековья вытягивал график в небо за пределы видимости вот это вставляло. До изобретения телескопа ограниченность функции в космосе была вовсе не очевидна! Действительно, откуда вы знаете, что нас ждёт за горизонтом? Ведь когда-то и Земля считалась плоской, поэтому сегодня даже обыденная телепортация требует доказательства =)
Согласно второй теореме Вейерштрасса, непрерывная на отрезке 
функция достигает своей точной верхней грани 
и своей точной нижней грани 
.
Число 
также называют максимальным значением функции на отрезке и обозначают через 
, а число 
– минимальным значением функции на отрезке с пометкой 
.
В нашем случае: 
Примечание: в теории распространены записи 
.
Грубо говоря, наибольшее значение находится там, где самая высокая точка графика, а наименьшее – где самая низкая точка.
Важно! Как уже заострялось внимание в статье об экстремумах функции, наибольшее значение функции и наименьшее значение функции – НЕ ТО ЖЕ САМОЕ, что максимум функции и минимум функции. Так, в рассматриваемом примере число 
является минимумом функции, но не минимальным значением.
Кстати, а что происходит вне отрезка 
? Да хоть потоп, в контексте рассматриваемой задачи это нас совершенно не интересует. Задание предполагает лишь нахождение двух чисел 
и всё!
Более того, решение чисто аналитическое, следовательно, чертежа делать не надо!
Алгоритм лежит на поверхности и напрашивается из приведённого рисунка:
1) Находим значения функции в критических точках, которые принадлежат данному отрезку.
Ловите ещё одну плюшку: здесь отпадает необходимость проверять достаточное условие экстремума, поскольку, как только что было показано, наличие минимума или максимума ещё не гарантирует, что там минимальное или максимальное значение. Демонстрационная функция достигает максимума 
и волей судьбы это же число является наибольшим значением функции на отрезке 
. Но, понятно, такое совпадение имеет место далеко не всегда.
Итак, на первом шаге быстрее и проще вычислить значения функции в критических точках, принадлежащих отрезку, не заморачиваясь есть в них экстремумы или нет.
2) Вычисляем значения функции на концах отрезка.
3) Среди найденных в 1-м и 2-м пунктах значений функции выбираем самое маленькое и самое большое число, записываем ответ.
Садимся на берег синего моря и бьём пятками по мелководью:
Найти наибольшее и наименьшее значения функции 
на отрезке 
Решение:
1) Вычислим значения функции в критических точках, принадлежащих данному отрезку:
Полученное квадратное уравнение имеет два действительных корня:
– критические точки.
Ещё раз подчёркиваю, что нас не интересует, есть в них максимумы/минимумы или нет.
Первая критическая точка принадлежит данному отрезку: 
А вот вторая – нет: 
, поэтому про неё сразу забываем.
Вычислим значение функции в нужной точке: 
Итоговый результат я выделил жирным цветом, при оформлении задания в тетради его удобно обвести в кружок простым карандашом или пометить как-то по-другому.
2) Вычислим значения функции на концах отрезка: 
Результаты опять каким-либо образом выделяем.
3) Дело сделано, среди «жирных» чисел выбираем наибольшее и наименьшее.
Ответ: 
Критическое значение 
на поверку оказалось точкой максимума, но об этом нас никто не спрашивал. Впрочем, для саморазвития можете устно подмечать такие факты.
Найти наибольшее и наименьшее значения функции 
на отрезке 
Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец чистового оформления в конце урока.
В рассматриваемой задаче очень важно не допускать вычислительных ошибок, так как рецензент немедленно посмотрит, сами догадываетесь куда.
Другой существенный момент касается пункта № 1.
Во-первых, критических точек может не оказаться вообще. Это очень хорошо – меньше вычислений. Просто записываем вывод: «критические точки отсутствуют» и переходим ко второму пункту алгоритма.
Во-вторых, все критические точки (одна, две или бОльшее количество) могут не принадлежать отрезку. Замечательно. Пишем следующее: «критические точки (а) не принадлежат (ит) рассматриваемому отрезку». Находить какие-то значения функции здесь, разумеется, тоже не надо.
В моей коллекции есть и те и те примеры, но они унылы как бескрайние просторы Сахары. По сути, всё задание сводится к нахождению двух значений функции на концах интервала. Гораздо интереснее снять кепки, солнечные очки и отправиться играть в пляжный футбол:
Найти наибольшее и наименьшее значения функции на заданном отрезке
Решение: всё опять начинается дежурной фразой:
1) Вычислим значения функции в критических точках, принадлежащих данному отрезку:
Да, критических точек тут и правда целая команда: 
Первые две точки принадлежат нашему отрезку: 
Но третья оказывается вне игры: 
(надеюсь, все сумели сосчитать 
)
Вычислим значения функции в подходящих точках: 
Чтобы не заблудиться в трёх соснах, не забываем выделять результаты,
2) Вычислим значения функции на концах отрезка: 
Среди «жирных» чисел выбираем наибольшее и наименьшее значения. Максимальное значение («пятёрка») достигается сразу в двух точках, и это необходимо указать в завершающей записи:
Ответ: 
Время от времени критические точки могут совпадать с одним или даже с обоими концами отрезка, и в этом случае укорачивается второй этап решения. Следующий пример для самостоятельного изучения посвящен как раз такой ситуации:
Найти наибольшее и наименьшее значения функции на заданном отрезке
Примерный образец решения в конце урока.
Иногда техническая трудность рассматриваемого задания состоит в замысловатой производной и громоздких вычислениях:
Найти максимальное и минимальное значения функции на отрезке
Решение: отрезок, надо сказать, творческий, но пример взят из конкретной контрольной работы и ни в коем случае не придуман.
1) Вычислим значения функции в критических точках, которые принадлежат данному отрезку: 
Очевидный корень оказывается не в теме: 
.
Решаем уравнение: 
Второй корень принадлежит нашему отрезку: 
Если вам не понятно, почему именно такой корень, обязательно обратитесь к школьному учебнику Алгебра и начала анализа 10-11 класс и повторите, что такое логарифм, ибо плох тот студент, который не мечтает овладеть логарифмами.
Дальнейшие вычисления задачи я распишу максимально подробно, но без комментариев. Некоторую информацию о логарифмической функции и свойствах логарифма можно почерпнуть в статье Графики и свойства элементарных функций и методичке по школьным формулам.
Вычислим значение функции во второй критической точке: 
2) Вычислим значения функции на концах отрезка: 
3) «Жирные» результаты получены с экспонентами и логарифмами, что существенно затрудняет их сравнение. По сей причине вооружимся калькулятором либо Экселем и вычислим приближённые значения, не забывая, что 
: 
Вот теперь всё понятно.
Ответ: 
Дробно-рациональный экземпляр для самостоятельного решения:
Найти максимальное и минимальное значения функции на отрезке
Вычисления в данном случае не менее кропотливы и точно так же потребуют вмешательства калькулятора (если вы, конечно, не вундеркинд). Полное решение и ответ в конце урока.
Стрелки часов приближаются к 9 утра, и побережье потихоньку заполняется всё бОльшим и бОльшим количеством стройных ног. Если честно, не терпится захлопнуть ноут и похулиганить, но всё-таки мужественно разберу нетривиальную вещь:
Найти максимальное и минимальное значения функции на отрезке
Решение:
1) Найдём критические точки. Предварительно можно раскрыть скобки, но не особо сложнее использовать и правило дифференцирования произведения: 
– критические точки.
Обратите внимание, что точка 
обращает знаменатель производной в ноль, но её следует отнести к критическим значениям, поскольку САМА ФУНКЦИЯ определена в данной точке. На этом случае я подробно останавливался в теоретической части и последнем примере урока Интервалы монотонности. Экстремумы функции.
Кроме того, данная точка совпала с правым концом отрезка, а значит, в следующем пункте будет меньше расчётов. В следующем, но не сейчас: 
2) Вычислим значения функции на концах отрезка: 
уже известно.
Ответ: 
Раз, два, три, четыре, пять – мне пора верстать.
Скорее всего, вы прочитали данную статью в ненастную погоду, поэтому желаю всем скорейшего летнего загара без зачётки в кармане! …ну или с дипломом на груди… …ой, что-то я не то сказал =)
Пример 2: Решение:
1) Вычислим значения функции в критических точках, принадлежащих данному отрезку:
– критические точки. 
2)Вычислим значения функции на концах отрезка: 
Ответ: 
Пример 4: Решение:
1) Вычислим значения функции в критических точках, принадлежащих данному отрезку:
– критические точки. 
2) Вычислим значения функции на концах отрезка:
уже рассчитано в предыдущем пункте. 
Ответ: 
Пример 6: Решение:
1) Вычислим значения функции в критических точках, которые принадлежат данному отрезку: 
– критические точки. 
2) Вычислим значения функции на концах отрезка: 
Ответ: 
Автор: Емелин Александр
(Переход на главную страницу)
Zaochnik.com – профессиональная помощь студентам
cкидкa 15% на первый зaкaз, прoмoкoд: 5530-hihi5