Во многих сферах жизни можно столкнуться с тем, что потребуется что-то решить с помощью цифр, например, в экономике и бухгалтерии узнать минимум и максимум каких-то показателей можно только с помощью оптимизации заданных параметров. А это и есть не что иное, как нахождение наибольшего и наименьшего значений на заданном отрезке функции. Сейчас рассмотрим, как найти наибольшее значение функции.
Находим наибольшее значение: инструкция
- Выяснить, на каком отрезке функции требуется вычислить значение, обозначить его точками. Этот промежуток может быть открытым (когда функция равна отрезку), закрытым (когда функция находится на отрезке) и бесконечным (когда функция не заканчивается).
- Найти производную функцию.
- Найти на отрезке функции точки, где производная равна нулю, и все критические точки. Затем вычислить значения функции в данных точках, решить уравнение. Найти среди полученных значений наибольшее.
- Выявить значения функции на конечных точках, определить большее из них
- Сравнить данные с наибольшим значением, выбрать из них большее. Именно оно и будет являться наибольшим значением функции.
Как найти наибольшее целое значение функции? Требуется вычислить, является функция чётной или нечётной, а затем решить конкретный пример. Если число получилось с дробью, не учитывайте ее, результатом наибольшего целого значения функции будет только целое число.
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.
- Для начала найдем область определения функции. Проверим, входит ли в нее заданный в условии отрезок.
- 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.
- 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.
- 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. 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.
- Для начала нужно проверить, будет ли заданный интервал являться подмножеством области определения данной функции.
- 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.
- 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 ) .
- 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.
Разделы: Математика
Урок проходит в кабинете математики, оборудованном интерактивной доской в 10-м классе с углубленным изучением математики после завершения изучения темы “Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции с помощью производной”.
Тема урока: Рациональный выбор метода решения задач на определение области значений функции.
1 выработать умение учащихся выбирать рациональный метод решения задачи в зависимости от вида конкретной функции;
2) усилить понимание гармоничности сочетания приемов решения задач, полученных при изучении элементарной математики и математического анализа;
3) закрепить теоретические основы при изучении данной темы в ракурсе целостного восприятия различных разделов математики;
4) отработать навыки работы с интерактивной доской;
5) активизировать творческую составляющую деятельности учащихся.
1) анализ возможных подходов при выборе типа решения задачи;
2) оценка трудоемкости различных методов решения;
3) повторение способов исследования функции элементарными методами;
4) умение оценивать достоинства и недостатки исследования функции методами элементарной и высшей математики в каждом конкретном случае;
5) подготовка к сдаче единого государственного экзамена с точки зрения оптимальности использования времени при выполнении задания;
6) развитие умения самостоятельно принимать решение об эффективности применения различных методов.
I. Повторение пройденного материала и вопросов, подготавливающих к пониманию новых задач.
1) Нахождение области значений квадратичной функции методами элементарной математики.
Задача № 1.
При каких значениях m функция y = 5x 2 + mx – 3 имеет минимум в точке х = 1,3?
Графиком данной функции является парабола ветвями вверх, значит функция имеет минимум в точке х = 1,3.
2) Область значений тригонометрических функций. Оценка “сверху” и “снизу”.
Задача № 2.
Найти область значений функции у = (sinx – cosx) 2 + 0,25.
у = (sinx – cosx) 2 + 0,25 = sin 2 x – 2sinxcosx + cos 2 x + 0,25 = 1,25 – sin2x;
II Задача № 3.
При каком значении m функция
имеет минимум в точке х = 1,3?
I способ. Используя результат задачи №1, найдем область значений данного выражения.
Т.к. под знаком радикала стоит функция, имеющая минимум в точке х = 1,3 при m = -13, то и данная функция будет иметь минимум в этой точке.
Найдем производную функции:
Найдем критические точки функции 
;
10x + m = 0; По условию задачи х = 1,3; 13 +m = 0; m = 13.
Определим знаки производной с обеих сторон от критической точки, т.к. знаменатель всегда больше нуля, то знак производной определяется знаком числителя. При х = 1, 
при х = 2, значит х = 1,3 – точка минимума.
Задача №4.
Найдите наибольшее целое значение функции
Воспользуемся результатом решения задачи №2. Область значений функции под знаком корня
Т.к. 
, то 
,
,
.
Наименьшее целое значение функции у = 2.
Решим задачу с помощью производной:
;
.
Найдем критические точки: т. к. знаменатель производной больше нуля, то cos2x = 0, 
,
.
Исследуем функцию на экстремумы. На данном этапе исследование можно прекратить, т. к. очевидно, что дальнейшее исследование становиться очень трудоемким, а как было указано выше нас крайне интересует затрата времени – ведь речь идет об экзамене.
Вывод: приступая к решению задачи особенно важно уметь оценивать трудоемкость метода и находить рациональный путь, избегая в некоторых случаях искушения решить задачу универсальным путем – с помощью производной, тем не менее, понимая, что далеко не все задачи на данную тему можно решить элементарными методами.
Форма проведения урока – сочетание объяснения учителя с фронтальной коллективной работой учащихся.
Интерактивная доска позволяет в необходимый момент высветить на доске первоначальное решение задачи и сравнить трудоемкость решения.
Домашнее задание: №437. Виленкин Н.Я., О.С. Ивашев – Мусатов, С.И. Шварцбуд. “ Алгебра и начала анализа” 10 класс.
1.Виленкин Н.Я., О.С. Ивашев – Мусатов, С.И. Шварцбуд. “ Алгебра и начала анализа” 10 класс.
2. Денищева Л.О, Е.М Бойченко, Ю.А Глазков и др.
