Лекция 9. Исследование функций (3)

1. Основные теоремы и применения дифференциального исчисления

Возрастание и убывание функций
Минимум и максимум функции
Выпуклость графика функции, точки
перегиба
Асимптоты графика функции

2. Возрастание и убывание функций

Одним из приложений производной является ее применение к
исследованию функций и построению графика функции.
Установим необходимые и достаточные условия возрастания и
убывания функций.
Теорема 1
(необходимые условия)
Если дифференцируемая на интервале (a; b) функция f(x)
возрастает (убывает), то:
f ( x ) 0
(f ( x ) 0)
Доказательство:
Пусть функция f(x) возрастает,
поэтому если
x x x
x 0
f ( x x ) f ( x )
x (a; b )
y
f(x+ Δx )
f(x )
0
х
x+Δx
х

3. Возрастание и убывание функций

y
если
x x x
x 0
f ( x x ) f ( x )
f(x )
f(x+ Δx )
В обоих случаях:
f ( x x ) f ( x )
0
x
f ( x x ) f ( x )
f ( x ) lim
0
x 0
x
0
x+Δx
х
х
Геометрически теорема означает, что касательные к графику
возрастающей функции образуют острые углы с положительным
направлением оси OX.
Аналогично рассматривается случай, когда функция убывает на
интервале (a; b) .

4. Возрастание и убывание функций

Справедлива также обратная теорема:
Теорема 2
(достаточные условия возрастания и убывания)
Если функция дифференцируема на интервале (a; b) и
f ( x ) 0
(f ( x ) 0)
x (a; b )
то функция возрастает (убывает) на этом интервале.
Исследовать функцию на возрастание (убывание): y x 3 x 4
Область определения: x R
3
y ( x 3 3 x 4) 3 x 2 3
y 0 3 x 2 3 0 x 1 x 1 0
x ; 1 ; 1;
- функция возрастает
y 0 3 x 2 3 0 x 1 x 1 0
x 1; 1
- функция убывает

5. Минимум и максимум функции

Точка х0 называется точкой локального максимума функции, если:
0, что x ( x0 ; x0 ); x x0 : f ( x ) f ( x0 )
Точка х0 называется точкой локального минимума функции, если:
такое
δ( x
> )0,
что
0, что x ( x0 ; x0Существует
);
x
x
:
f
f (x )
для всех х из δ –0окрестности 0
точки х0 и не равных х0
y
выполняется
Значение
функциинеравенство.
в точке минимума
max
min
0
x1
х2
х
(максимума) называется минимумом
(максимумом)
Общее название локальных
минимума и максимума –
экстремум функции.
Понятие экстремума всегда связаны с определенной окрестностью
из области определения функции, поэтому функция может иметь
экстремум только во внутренних точках области определения.

6. Минимум и максимум функции

Теорема 3
(необходимое условие экстремума)
Если дифференцируемая функция f(x) имеет экстремум в точке х0,
то ее производная в этой точке равна 0:
f ( x ) 0 (1)
0
Геометрически равенство (1) означает, что в точке экстремума
дифференцируемой функции касательная к ее графику
параллельна оси OX.
y
max
Обратная теорема неверна, то есть
если f ( x0 ) 0 , то это не означает,
что х0 – точка экстремума.
min
Например, для функции y x :
0
3
x1
х2
хх
y 3x 2;
y 0
при
Но х = 0 не является точкой
экстремума.
:
x 0

7. Минимум и максимум функции

Существуют функции, которые в точках экстремума не имеют
производной. Например, непрерывная функция: y x
y
в точке х = 0 производной не
имеет, но точка х = 0 – точка
минимума функции.
Таким образом, непрерывная
0
функция может иметь
х
экстремум лишь в точках,
где производная равна нулю или не существует. Такие точки
называются критическими точками 1-го рода.
Теорема 4
(достаточное условие экстремума)
Пусть функция f(x) определена в окрестности своей критической
точки х0 и дифференцируема (хотя бы в проколотой окрестности
этой точки). Если при переходе через нее (слева направо)
производная меняет знак с плюса на минус, то х0 - точка максимума,
с минуса на плюс, то х0 - точка минимума.

8. Минимум и максимум функции

Геометрическая интерпретация доказательства теоремы 4:
y
y
max
min
f ( x ) 0 f ( x ) 0
0
x0
х
0
f ( x ) 0 f ( x ) 0
x0
х
Правило исследования функции на экстремум.
1
Найти критические точки функции f(x);
2
Выбрать из них лишь те, которые являются внутренними
точками области определения функции;
Исследовать знак производной слева и справа от каждой
критической точки;
Выписать точки экстремума и найти значения функции в них.
3
4

9. Минимум и максимум функции

x 3 2
x
Найти экстремум функции y
3
Область определения: x R
1
3
x
1
2
x 2
1
2
3
2
y x x 3 3
3 3 x
3
3 3
3 3 x
Критические точки функции:
x 2 x 8
y не существует при x 0
y 0
3 x 2 0
3
-
+
0
Точка
максимума
+
8
Точка
минимума
y max y (0) 0
4
y min y (8)
3

10. Минимум и максимум функции

Иногда бывает удобно использовать другой достаточный признак
существования экстремума.
Теорема 5
(достаточное условие экстремума)
Если в точке х0 первая производная функции f(x) равна нулю
( f ( x0 ) 0 ), а вторая производная в точке х0 существует и отлична
от нуля ( f ( x0 ) 0 ), то при f ( x0 ) 0 в точке х0 функция имеет
максимум и при f ( x0 ) 0 - минимум.
Эту теорему можно обобщить.
(достаточное условие экстремума)
Теорема 6

11.

Минимум и максимум функции
4
6

12. Выпуклость графика функции, точки перегиба

График дифференцируемой функции f(x) называется выпуклым
вниз (или вогнутым) на интервале (a; b), если он расположен
выше любой его касательной на этом интервале.
График дифференцируемой функции f(x) называется выпуклым
вверх (или просто выпуклым) на интервале (a; b), если он
расположен ниже любой его касательной на этом интервале.
Точка графика функции,
которая отделяет его выпуклую
часть от вогнутой называется
точкой перегиба.
М(с; f(с))
– точка
НаТочка
интервале
(а; с)
На интервале
(c; b) кривая
перегиба
кривая выпукла
вверх
выпукла вниз (вогнута)
y
М
0 а
с
b
х

13. Выпуклость графика функции, точки перегиба

Теорема 7
Если функция f(x) во всех точках интервала (a; b) имеет
отрицательную вторую производную, то есть f ( x ) 0, то график
функции на этом интервале выпуклый вверх.
Если f ( x ) 0 x (a, b ) , то график функции на этом
интервале выпуклый вниз.
Теорема 8
(достаточное условие существования точек перегиба)
Если вторая производная f (x ) при переходе через точку х0 , в
которой она равна нулю или не существует, меняет знак, то точка
графика с абсциссой х0 есть точка перегиба.
Точка в которой f ( x ) 0 или не существует называется
критической точкой второго рода.
План исследования функции на выпуклость и точки перегиба
аналогичен исследованию на экстремум, но с помощью второй
производной.

14. Выпуклость графика функции, точки перегиба

Исследовать функцию на выпуклость и найти точки перегиба.
y x5 x 5
Область определения: x R
4
y 5 x 1 20 x 3
y x x 5 5x 1
5
4
Критические точки второго рода:
20 x 3 0
y 0
x 0
-
+
0
Точка
перегиба
x ; 0 - функция выпукла
x 0; - функция вогнута
y (0 ) 5
M (0; 5) - точка перегиба

15. Асимптоты графика функции

Асимптотой кривой называется прямая, расстояние до которой
от точки, лежащей на кривой, стремится к нулю при
неограниченном удалении от начала координат этой точки по
кривой.
y
d 0
М М
d
d
0
Асимптоты могут быть наклонными,
горизонтальными и вертикальными.
М
Наклонная асимптота
Если существуют конечные пределы:
d
х
f (x)
k lim
x x
b lim f ( x ) kx
x
то кривая y = f(x) с имеет наклонную асимптоту с уравнением:
y kx b

16. Асимптоты графика функции

Если хотя бы один из пределов для нахождения k или b не
существует или равен бесконечности, то кривая y = f(x) наклонной
асимптоты не имеет.
В частности, если k = 0, то b lim f ( x ), и y = b – горизонтальная
x
асимптота.
Таким образом, горизонтальная асимптота это частный случай
наклонной асимптоты.
Асимптоты графика функции при x и при x
могут быть разными. Поэтому при нахождении k и b иногда
необходимо рассматривать отдельно случай, когда x и
когда x .

17. Асимптоты графика функции

Найти наклонные асимптоты графика функции
y x ex
f (x)
x ex
lim
lim e x
lim
x x
x
x
x
график функции не имеет наклонной асимптоты при x
f (x)
lim
lim e x 0 k
x x
x
x
x
b lim f ( x ) kx lim x e xlim
x
e
x
x
x
1
lim x
lim
0
x
x (e
x e
)
Следовательно, при x график функции имеет
горизонтальную асимптоту y 0

18. Асимптоты графика функции

Прямая x = a является вертикальной асимптотой графика
функции y = f(x) тогда и только тогда, когда выполнено хотя бы
одно из соотношений:
lim f ( x) или lim f ( x)
x a 0
x a 0
Из рисунка видно, что расстояние от точки M(x; y) до прямой x = a
равно d x a
Если x a , то d 0.
Для
отыскания
вертикальных
асимптот нужно найти те значения
х,
вблизи
которых
функция
неограниченно
возрастает
по
модулю.
y
М
d
0
а
х
Обычно это точки разрыва второго
рода и, может быть, граница
области определения функции.

19. Асимптоты графика функции

20. Асимптоты графика функции

1 x 2
Найти асимптоты графика функции y
1 x
Область определения функции: x 1
1 x2
lim
x 1 0 1 x
x 1 - вертикальная асимптота
Найдем наклонные асимптоты:
1 2 1
2
1 x 2
1 x
x
lim
lim
lim
1 k
2
x x (1 x )
x 1
x x x
1
x
1 1
1 x 2
1 x
b lim
x lim
lim x
1
x 1 x
x 1 x
x 1
1
x
y x 1 - наклонная асимптота

21. Асимптоты графика функции

22. Асимптоты графика функции