ЛЕКЦИЯ 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ПРОИЗВОДНЫХ

1
ЛЕКЦИЯ 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИИ
С ПОМОЩЬЮ ПРОИЗВОДНЫХ
6.1 Возрастание и убывание функций
Теорема 1 (необходимое условие). Если дифференцируемая
функция f  x  в о з р а с т а е т ( у б ы в а е т ) на интервале a, b  , то
f ( x)  0 ( f ( x)  0 ) для  х  a, b  .
Теорема 2 (достаточное условие). Если функция f  x  дифференцируема на интервале a, b  и f ( x)  0 ( f ( x)  0 ) для  х  a, b  , то эта
функция в о з р а с т а е т ( у б ы в а е т ) на интервале a, b  .
Возрастающая или убывающая функция называется м о н о т о н ной функцией.
Геометрический смысл монотонности функции .
Если касательные в некотором промежутке к графику функции направлены
под острыми углами к оси абсцисс, то функция возрастает; если под
тупыми, то функция убывает (рис.26).
а) f(x) - возрастающая функция,
f ( x)  0 ,  х  a, b 
б) f(x) - убывающая функция,
f ( x)  0 ,  х  a, b 
Рисунок 26
6.2 Экстремум функции
Точка x0 называется т о ч к о й м а к с и м у м а ( м и н и м у м а )
функции f  x  , если существует такая  - окрестность точки x0 , что для
всех x  x 0 из этой окрестности выполняется неравенство:
f  x   f  x 0   f  x   f  x 0  .
Значение функции в точке максимума (минимума) называется
м а к с и м у м о м ( м и н и м у м о м ) ф у н к ц и и . Максимум (минимум)
функции называется э к с т р е м у м о м функции (рис. 27).
2
y
f x0 
y
y  0
y  0
y  0
+
x0  
а) x0
-
x0
x0  
y  0
f x0 
б) x0
x0
x0  
x
- точка минимума
f  x0 
- максимум функции
y  0
+
y  0
x0  
x
- точка максимума
f  x0 
-
- минимум функции
Рисунок 27
Теорема 1 (необходимое условие экстремума). Если функция
y  f (x) дифференцируема в точке x0 и имеет в этой точке экстремум, то
f ( x 0 )  0 .
Геометрически это означает, что в точке экстремума
дифференцируемой функции y  f (x) касательная к ее графику
параллельна оси Ох.
Точки, в которых первая производная функции обращается в нуль
или не существует, называются к р и т и ч е с к и м и т о ч к а м и .
Заметим, что:
1) если в точке имеется экстремум, то эта точка критическая.
2) не всякая критическая точка является точкой экстремума.
Теорема 2 (первое достаточное условие экстремума). Если
непрерывная функция
y  f (x) дифференцируема в некоторой
 –окрестности критической точки x0 и при переходе через нее (слева
направо) производная f (x) меняет знак с плюса на минус, то x0 есть
точка максимума; если с минуса на плюс, то x0 - точка минимума (рис.27).
Замечание. Если при переходе через критическую точку x0
производная f (x) не меняет знак, то в точке x0 функция f  x  экстремума
не имеет. Например, рассмотрим график функции у  х 3 (рис. 28). Точка
х  0 является критической, но она не является точкой экстремума.
Рисунок 28
3
Теорема 3 (второе достаточное условие экстремума). Если в точке
x0 первая производная равна нулю  f  x 0   0 , а вторая производная в
точке x0 существует и отлична от нуля  f  x 0   0 , то функция f  x  в
точке x0 имеет м а к с и м у м , если
f  x 0   0 .
f  x 0   0 , и
м и н и м у м , если
6.3 Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке
Чтобы найти наибольшее и наименьшее значения непрерывной
функции f  x  на отрезке a, b , надо:
1) найти все критические точки функции на интервале a, b  ;
2) вычислить значения функции в этих критических точках;
3) вычислить значения функции на концах отрезка, т.е. найти f а  и f b ;
4) сравнить все вычисленные значения функции и выбрать наибольшее и
наименьшее.
y
f наим x1   m
М
f наиб b   M
y  f (x)
m
a
x1
b
х
Рисунок 29
6.4 Выпуклость и вогнутость графика функции
у  f x 
График
функции
называется
выпуклым
( в о г н у т ы м ) в интервале a, b  , если он расположен ниже (выше)
любой ее касательной на этом интервале (рис.30).
Теорема. Если f  x   0 в интервале a, b  , то график функции
в ы п у к л ы й в этом интервале; если же f  x   0 , то в интервале a, b 
график функции – в о г н у т ы й .
Точка графика непрерывной функции у  f  x  , отделяющая
выпуклую его часть от вогнутой, называется т о ч к о й п е р е г и б а .
Например, на рисунке 31 точка K  x 0 , f  x 0  – точка перегиба
4
графика функции у  f  x  .
а) График функции
выпуклый
Рисунок 30
б) График функции
вогнутый
Теорема (необходимое условие существования точек перегиба).
Если х 0 - абсцисса точки перегиба графика функции у  f  x  , то вторая
производная f  x 0   0 или f  x 0  не существует.
Рисунок 31
Теорема (достаточное условие существования точек перегиба). Если
вторая производная f  x  в точке х 0 равна нулю, т.е. f  x 0   0 или не
существует, и при переходе через точку х 0 меняет свой знак, то точка
x 0 , f x 0  есть точка перегиба графика функции у  f x  .
6.5 Асимптоты графика функции
А с и м п т о т о й графика функции у  f  x  называется прямая,
расстояние до которой от точки, лежащей на этом графике, стремится к
нулю при неограниченном удалении этой точки от начала координат.
Различают три вида асимптот: вертикальные, наклонные и
горизонтальные.
5
Прямая x  a является
вертикальной асимптотой
графика функции у  f  x  (рис.32), если
lim f ( x)    или lim f ( x)    .
x a 0
xa  0
Рисунок 32
Прямая y  kx  b является
наклонной асимптотой
графика функции у  f  x  (рис. 33), если существуют пределы:
f ( x)
b  lim  f ( x)  kx  .
k  lim
,
x 
x 
x
Рисунок 33
Прямая y  b является г о р и з о н т а л ь н о й а с и м п т о т о й
графика функции у  f  x  (рис. 34), если существует предел:
lim f ( x)  b .
x 
Рисунок 34
6
Замечание. Асимптоты графика функции у  f  x  при x   и
x   могут быть разными, поэтому предел при x   следует
рассматривать, как при x   и x   .
6.6 Общая схема исследования функции и построение графика
При исследовании функций рекомендуется использовать следующую
схему:
1. Найти область определения функции.
2. Исследовать функцию на четность и нечетность.
3. Найти асимптоты графика функции.
4. Найти точки пересечения графика с осями координат.
5. Найти интервалы монотонности функции.
6. Найти экстремумы функции.
7. Найти интервалы выпуклости (вогнутости) и точки перегиба
графика функции.
По результатам исследования функции строится её график.
x2  1
Пример 6.1. Исследовать функцию y 
и построить её
x 1
график.
1) Область определения х  (;1)  (1;) , т.е. x  1.
2) Функция не является четной или нечетной.
3) Прямая х  1 является в е р т и к а л ь н о й а с и м п т о т о й , так как
x2 1
x2 1
 ,
  .
lim
lim
x 1 0 x  1
x 1 0 x  1
Следовательно, точка x  1 является точкой разрыва второго рода.
Прямая y  x  1 есть н а к л о н н а я а с и м п т о т а , так как
x2  1
k  lim
 1,
x x ( x  1)
 x2  1

x2  1  x2  x
b  lim 
 x   lim
 1.
x

1
x   x  1
x



4) График функции не имеет точек пересечения с осью Ох, но пересекает
ось Оу в точке (0;-1).
5) Найдем интервалы монотонности и экстремумы функции.
Для этого найдем критические точки функции:
2 x  ( x  1)  ( x 2  1) x 2  2 x  1
,
f ' ( x) 

( x  1)2
( x  1)2
x 2  2 x  1  0 , следовательно, x1  1  2 , x2  1  2 .
Таким образом, х1, х2 - критические точки функции.
7
х
y'
( ;1 
2)
1
+
2
0
(1 
1
2 ;1)
─
не
сущ-ет
max
22 2
убывает
f max (1  2 )  2  2 2 ,


A 1  2; 2  2 2 ,
2)
─
1
(1 
2
0
2 ;)
+
min
не
сущ-ет
y
возрастает
(1;1 
убывает
22 2
возрастает
f min (1  2 )  2  2 2



B 1  2; 2  2 2 .



Функция возрастает на интервалах  ; 1  2 и 1  2 ;   , убывает на

 

интервалах 1  2 ;1 и 1;1  2 .
6) Найдем интервалы выпуклости и вогнутости графика функции.
Для этого находим f  x  :
(2 x  2)  ( x  1)2  2( x  1)  ( x 2  2 x  1)
4
.
f ' ' ( x) 

4
( x  1)
( x  1)3
Так как f  x  в нуль не обращается, то точек перегиба график не имеет.
(;1)
(1;)
х
х=1
─
не
+
y 
существует
y
не
выпуклый
существует
вогнутый
Используя полученные данные, построим график функции (рис.35).
8
Рисунок 35