函数求极值

利用导数求函数的最值步骤

1)求fx)在(ab)内的极值;

2)将fx)的各极值与fa)、fb)比较得出函数fx)在[ab]上的最值。

 用导数的方法求最值特别提醒:

①求函数的最大值和最小值需先确定函数的极大值和极小值,因此,函数极大值和极小值的判别是关键,极值与最值的关系:极大(小)值不一定是最大(小)值,最大(小)值也不一定是极大(小)值;

②如果仅仅是求最值,还可将上面的办法化简,因为函数fx[ab]内的全部极值,只能在fx)的导数为零的点或导数不存在的点取得(下称这两种点为可疑点),所以只需要将这些可疑点求出来,然后算出fx)在可疑点处的函数值,与区间端点处的函数值进行比较,就能求得最大值和最小值;

③当fx)为连续函数且在[ab]上单调时,其最大值、最小值在端点处取得。 

一般地,设函数fx)在点x0附近有定义,如果对x0附近的所有的点,都有fx)<fx0),就说fx0)是函数fx)的一个极大值,记作y极大值=fx0),x0是极大值点;

极小值:一般地,设函数fx)在x0附近有定义,如果对x0附近的所有的点,都有fx)>fx0),就说fx0)是函数fx)的一个极小值,记作y极小值=fx0),x0是极小值点。

极值是一个局部概念,由定义知道,极值只是某个点的函数值与它附近点的函数值比较是最大或最小,并不意味着它在函数的整个的定义域内最大或最小;

函数的极值不是唯一的,即一个函数在某区间上或定义域内极大值或极小值可以不止一个;

极大值与极小值之间无确定的大小关系,即一个函数的极大值未必大于极小值;

函数的极值点一定出现在区间的内部,区间的端点不能成为极值点,而使函数取得最大值、最小值的点可能在区间的内部,也可能在区间的端点。

判别fx0)是极大、极小值的方法:

,且在x0的两侧fx)的导数异号,则x0fx)的极值点,  是极值,并且如果 x0两侧满足“左正右负”,则x0fx)的极大值点,fx0)是极大值;如果 x0两侧满足“左负右正”,则x0fx)的极小值点,fx0)是极小值。

求函数fx)的极值的步骤:

确定函数的定义区间,求导数f′(x);

求方程f′(x=0的根;

用函数的导数为0的点,顺次将函数的定义区间分成若干小开区间,并列成表格,检查f′(x)在方程根左右的值的符号,如果左正右负,那么fx)在这个根处取得极大值;如果左负右正,那么fx)在这个根处取得极小值;如果左右不改变符号即都为正或都为负,则fx)在这个根处无极值。

对函数极值概念的理解:

极值是一个新的概念,它是研究函数在某一很小区域时给出的一个概念,在理解极值概念时要注意以下几点:

①按定义,极值点x0是区间[ab]内部的点,不会是端点ab(因为在端点不可导).如图

②极值是一个局部性概念,只要在一个小领域内成立即可.要注意极值必须在区间内的连续点取得.一个函数在定义域内可以有许多个极小值和极大值,在某一点的极小值也可能大于另一个点的极大值,也就是说极大值与极小值没有必然的大小关系,即极大值不一定比极小值大,极小值不一定比极大值小,如图.

③若fx)在(ab)内有极值,那么f(x)(ab)内绝不是单调函数,即在区间上单调的函数没有极值.

④若函数fx)在[ab]上有极值且连续,则它的极值点的分布是有规律的,相邻两个极大值点之间必有一个极小值点,同样相邻两个极小值点之间必有一个极大值点,一般地,当函数fx)在[ab]上连续且有有

限个极值点时,函数fx)在[ab]内的极大值点、极小值点是交替出现的,

⑤可导函数的极值点必须是导数为0的点,但导数为0的点不一定是极值点,不可导的点也可能是极值点,也可能不是极值点,

函数的最大值和最小值:

在闭区间[ab]上连续的函数fx)在[ab]上必有最大值与最小值,分别对应该区间上的函数值的最大值和最小值。

生活中经常遇到求利润最大、用料最省、效率最高等问题,这些问题通常称为优化问题,解决优化问题的方法很多,如:判别式法,均值不等式法,线性规划及利用二次函数的性质等,

不少优化问题可以化为求函数最值问题.导数方法是解这类问题的有效工具.

用导数解决生活中的优化问题应当注意的问题:

在求实际问题的最大(小)值时,一定要考虑实际问题的意义,不符合实际意义的值应舍去;

在实际问题中,有时会遇到函数在区间内只有一个点使f'x)=0的情形.如果函数在这点有极大(小)值,那么不与端点比较,也可以知道这就是最大(小)值;

在解决实际优化问题时,不仅要注意将问题中涉及的变量关系用函数关系表示,还应确定出函数关系式中自变量的定义区间.

利用导数解决生活中的优化问题:

运用导数解决实际问题,关键是要建立恰当的数学模型(函数关系、方程或不等式),运用导数的知识与方法去解决,主要是转化为求最值问题,最后反馈到实际问题之中.

利用导数求f(x)在闭区间[ab]上的最大值和最小值的步骤,

①求函数y =f(x)在(ab)上的极值;

②将函数y=f(x)的各极值与端点处的函数值f(a)fb)比较,其中最大的一个是最大值,最小的一个是最小值.

定义在开区间(ab)上的可导函数,如果只有一个极值点,该极值点必为最值点.

}

设函数在区间内有定义,点是内的一点。若存在点的一个邻域,对于该邻域内任何异于的点,不等式

成立,称是函数的一个极大值(极小值);称点是函数 的极大值点(极小值点)

函数的极大值与极小值统称为函数的极值;

使函数取得极值的点统称为极值点

关于函数的极值,如下几点注记是十分重要的。

1、函数的极值概念是一个局部概念

如果是函数的一个极大值,那只是对的一个局部范围来说是的一个最大值。但对于整个函数的定义域来说,就不一定是最大值了。

对于极小值也是类似的。

2、极小值有可能较极大值更大。

如图: (是极大值, 而是极小值 )

从图中可看出,在函数取得极值之处,曲线具有水平的切线换句话说:函数在取得极值的点处,其导数值为零

二、函数取得极值的几个重要定理

定理一(可导函数取得极值的必要条件)

设函数在点处具有导数,且在处取得极值,则。

证明:不妨设是极大值 (极小值的情形也可类似地证明)

据极大值定义, 在的某个邻域内, 对一切异于的点,

使导数为零的点(即方程的实根)称为函数的驻点

定理一的结论可换成等价的说法:

可导函数的极值点必定是为驻点。

反过来,函数的驻点不一定就是函数的极值点,它最多只是可能的极值点

定理二( 函数取得极值的第一充分条件 )

设函数在点的某个邻域内可导,且

(1)、当取左侧的值时,恒为正;当取右侧的值时,恒为负,那么,在处取得极大值;

(2)、当取左侧的值时,恒为负;当取右侧的值时,恒为正,那么,在处取得极小值;

(3)、当取左右两侧的值时,恒正或恒负,那么,在处没有极值。

下面,我们给出第一充分条件的记忆方法:

一般 + 号往往表示得分,盈利等吉利的事情,蕴含有增加的意思,我们可解释 + 号表示走好运,走上坡路

- 号又往往表示扣分、亏损等不吉利的事情,它含有减少的意思,我们可解释 - 号为走背运,走下坡路

附近由左变到右时,符号由正变到负(),则曲线是先走上坡路,再走下坡路,呈  型,故是极大值;

附近由左变到右时,符号由负变到正(),则曲线是先走下坡路,再走上坡路,呈  型,故是极小值。

【例1】求函数的极值。

解:函数的定义域为,且

, 可得到函数的可能极值点(驻点):。

是函数的极大值点,且函数的极大值为

 是函数的极小值点,且函数的极小值为

定理三(函数取得极值的第二充分条件)

设函数在点处具有二阶导数, 且、, 

下面对情形(1)给出证明, 情形(2)的证明完全类似。

据函数极限的性质, 当在的一个充分小的邻域内且时,

于是,对于这邻域内不同于的来说, 与的符号相反,

据定理二知:在点处取极大值。

对极值判定的第二充分条件来说,如下注记是重要的。

1、对于二阶可导的函数,它在驻点的二阶导数的符号可判定函数值为何种极值。

如果,则第二充分条件失效。请看下述反例:

这三个函数在原点处的一阶、二阶导数均为零,它们分别有极小值、极大值,无极值。

2、极值判定的第二充分条件的记忆方法

【例2】求函数的极值。

用第二充分条件无法进行判定, 考察函数的一阶导数在的左右两侧邻近值的符号。

取的左右侧邻近的值时,;

的左右侧邻近的值时,,

三、函数在不可导点处的极值判定

前面的讨论中, 都假定了函数在所讨论的区间内是可导的这一条件。如果函数在某些点处的导数不存在, 函数在这些点处有可能取得极值吗?

换句话说,使函数不可导的点,是可疑的极值点吗?

【例4】讨论函数的极值。

这两例所反映的事实说明:

函数的不可导点,也是函数可疑的极值点,在讨论函数的极值时,应予以考虑。

求函数在定义区间上的极值,先找出函数在该区间上的可疑极值点(使函数的一阶导数为零或不存在的点),再运用极值判定的第一或第二充分条件,对这些可疑极值点是否确实为极值点进行判定。

}

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