6.4 Приложение производных к исследованию функций
Определение.
Функция
имеет локальный максимум
(минимум)
в точке
,
если она определена в точке
и некоторой ее окрестности
,
и значение функции в точке
больше (меньше), чем ее значение во всех
соседних точках:
![]()
.
Минимум и максимум функции называются точками экстремума.
|
Определение.
Функция
|
Функция выпукла вверх Функция выпукла вниз
|
|||
|
|
Исследование
по первой производной
|
|
||
|
Исследование
по второй производной
|
|
|||
|
|
Если
вторая производная существует, то в
точке максимума
В
точке перегиба
|
|
||
|
План
исследования функции
|
|
|||
|
|
|||
|
Наибольшее M и наименьшее m значения непрерывной функции, заданной на отрезке [a;b] |
|
|||
|
Наибольшее
и наименьшее значения непрерывной
функции, заданной на отрезке
|
|
|||
6.5 Примеры решения задач
Пример 1. Найти
уравнения касательной и нормали к кривой
в точке с абсциссой
.
Решение. Уравнения касательной и нормали – формулы (6.2) и (6.3).
.
.
Уравнение
касательной:
или
.
Уравнение нормали:
или
.
Пример 2.
Найти вторую производную
функции
и вычислить её в точке
.
,
.
Пример 3.
Исследовать функцию
и
построить её график.
Решение. Проведём полное исследование функции.
-
Область определения
. -
.
В этом
случае говорят, что функция
общего вида. -
Асимптоты. Исследуем точку разрыва
на наличие в ней вертикальной асимптоты.
Для этого найдём пределы функции слева
и справа. Если хотя бы один предел будет
равен бесконечности, то в точке
будет проходить вертикальная асимптота.
-
Предел слева:
,Предел справа:
.Прямая
– вертикальная асимптота.
Наклонная асимптота
:
,
.
Таким образом,
прямая
является наклонной асимптотой графика
исследуемой функции.
-
Точки пересечения с осями.
С осью
,
т.е. точки
.
С осью
![]()
,
т.е. точка
.
-
Интервалы монотонности. Найдём производную
и точки, в которых она равна нули или
не существует.
![]()
,
![]()
,
.
-
Интервалы выпуклости вверх (вниз).
![]()
.
таких точек нет;
.
Найденные точки разбивают всю числовую ось на четыре интервала. Определим знаки первой и второй производной и поведение функции в каждом интервале.
|
x |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
|
y’ |
– |
0 |
+ |
|
+ |
0 |
– |
|
y’’ |
+ |
+ |
+ |
|
– |
– |
– |
|
y |
|
–2 min |
|
|
|
–6 max |
|
В точке
функция достигает минимума, в точке
– максимума:
,
.
|
|
|
Пример 4.
Дана функция
.
Найти: 1) экстремум функции;
2) наибольшее M и наименьшее m значения функции на отрезке [-1, 4].
Решение.1)
.
Находим точки, в которых производная
равна нулю:
![]()
На числовой оси
отмечаем точки
и
.
Находим знаки производной в полученных
интервалах и указываем соответствующее
поведение функции:

В точке
функция достигает максимума, в точке
– минимума:
.
.
2) Вначале нужно
найти точки, в которых производная
функции равна нулю или не существует.
Это
и
.
Но точка
,
поэтому дальше её не рассматриваем.
Затем необходимо вычислить значение
функции в концах отрезка и в точке
,
т.к. она принадлежит отрезку
.
После этого из полученных значений
нужно выбрать самое большое M
и самое маленькое m
значения.

Таким образом,
,
.
Пример 5. Найти производные функций.
1)
.
2) производная суммы (разности) степенных функций:

.
3) производная
произведения:
.
4) производная частного:

Пример 6.
Выяснить, в какой точке
кривой
касательная параллельна прямой
.
Найти уравнение касательной в этой
точке.
Решение.
Угловой
коэффициент прямой
равен угловому коэффициенту касательной,
так как они параллельны:
.
Тогда
,
.
В точке
касательная к кривой
параллельна прямой
,
её уравнение имеет вид
или
![]()
Пример 7.
Найти точку на кривой
,
в которой касательная составляет угол
с положительным направлением оси
.
Написать уравнение этой касательной.
Решение.
Угловой
коэффициент касательной
равен производной
рассматриваемой функции, поэтому
,
,
.
Тогда в точке
рассматриваемой кривой
касательная составляет угол
с положительным направлением оси
.
Её уравнение
,
или
.
Пример 8. Тело
движется по прямой по закону
.
Определить скорость и ускорение движения
тела в момент времени
.
Решение.
Скорость тела равна производной пути
по времени, ускорение – производная
скорости:
,
.
Пример 9. Вычислить приращение длины стороны куба, если известно, что его объём увеличился от 64 до 64,3 м3.
Решение.
Если
– объём куба, то его сторона
.
По условию задачи
,
.
Тогда приращение стороны куба
м.
Пример 10.
Найти асимптоты
и построить график функции
.
1) область определения D=(-;0) (0;+ ). Вертикальная асимптота в точке разрыва х=0:
,
следовательно, х = 0- вертикальная асимптота.
2) Наклонная асимптота:
![]()
![]()
Т.о., прямая у = х + 2 – наклонная асимптота.
Построим график функции:

Пример 11.
Найти асимптоты и построить график
функции
.
1) Область определения D=(-;-3) (-3;3) (3;+ ). Вертикальные асимптоты в точках разрыва.


Прямые х = 3 и х = -3 – вертикальные асимптоты кривой.
Степень числителя меньше степени знаменателя, поэтому наклонной асимптоты нет. Найдем горизонтальную:
![]()
y = 0 – горизонтальная асимптота.

Пример 12.
Найти асимптоты и построить график
функции
.
1) D=(-; –2) (–2;+ ).
![]()
Прямая х = –2 – вертикальная асимптота кривой.
Найдем наклонные асимптоты.


Прямая у = х – 4 является наклонной асимптотой.

Пример 13.
Исследовать функцию
и
построить ее график.
1) Область определения D= (-; -1) (-1; 1) (1; ). х = 1, х = –1 – точки разрыва.
2) Асимптоты. В точках разрыва вертикальные асимптоты.
![]()
![]()
Прямые х = 1, х = –1 являются вертикальными асимптотами кривой.
Наклонная асимптота.
![]()
![]()
y = x – наклонная асимптота.
3) Четность –
нечетность.
– нечётная функция. Значит, график
симметричен относительно начала
координат.
4) Точки пересечения
с осями. С осью Ox:
y=0,
.
С осью Oy
та же точка.
5) Интервалы монотонности и точки экстремума. Найдем производную функции
,
![]()
![]()
6) Интервалы выпуклости вверх – вниз, точки перегиба. Найдем вторую производную функции
![]()
![]()
![]()
.
![]()
![]()
Заполним таблицу:
|
x |
|
|
|
|
|
0 |
|
1 |
|
|
|
|
y’ |
+ |
0 |
– |
|
– |
0 |
– |
|
– |
0 |
+ |
|
y’’ |
– |
– |
– |
|
– |
0 |
– |
|
– |
– |
– |
|
y |
|
max |
|
|
|
0 Точка перегиба |
|
|
|
min |
|

Пример 14.
Исследовать функцию
и построить ее график.
1). D= ( –; +).
2).
Функция общего вида.
3). Точки пересечения с координатными осями: c осью Оу: x = 0; y = 1;
с осью Ох: y = 0; x = 1.
4). Точки разрыва и асимптоты: Вертикальных асимптот нет.
Наклонные асимптоты: общее уравнение y = kx + b;
![]()

у = –х – наклонная асимптота.
5). Возрастание и убывание функции, точки экстремума.
.
![]()
.
6) Выпуклость вверх-вниз, точки перегиба.
.
![]()
.
|
x |
|
0 |
(0;1) |
1 |
(1;+) |
|
|
y’ |
– |
0 |
– |
|
– |
|
|
y’’ |
+ |
0 |
– |
|
+ |
|
|
y |
|
1 Точка перегиба |
|
0 Точка перегиба |
|
|
|
|
||||||
Пример 15.
Исследовать функцию
и построить ее график.
1. D= ( –; 0) (0;+)..
2.
функция общего вида.
3. Точки пересечения
с координатными осями: c
осью Ох: y
= 0; x
=
![]()
с осью Оу: x = 0; y – не существует.
4. х = 0 точка разрыва,
прямая х = 0 вертикальная асимптота.
Наклонная асимптота
в виде: y
= kx
+ b.
,
![]()
Наклонная асимптота у = х.
5. Интервалы возрастания-убывания, точки экстремума функции.
,
![]()
.
6. Для определения
характера выпуклости функции находим
вторую производную.
|
x |
|
0 |
(0;2) |
2 |
(2;+) |
|
|
y’ |
+ |
|
– |
0 |
+ |
|
|
y’’ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
|
|
y |
|
|
|
3 min |
|
|
|
|
||||||
Пример 16. Провести
исследование функции
и построить её график.
-
Область определения функции
. -
Чётность – нечётность:
и
,
значит, функция общего вида.
-
Точки пересечения графика с осями координат:
С осью
![]()
.
Корни многочлена
являются делителями его свободного
члена. Число 22 делится нацело на
.
Подставим эти числа поочерёдно в
многочлен:
не является корнем.
не является корнем.
является корнем.
Поэтому многочлен делится нацело на
и его можно разложить на множители вида:
,
Получаем точки
пересечения с осью
:
,
.
С осью
,
т.е. точка
.
-
Точки экстремума и интервалы монотонности.
Найдём производную
и точки, в которых производная равна
нулю:
![]()
На числовой оси
отмечаем точки
и
.
Найдём знаки производной в полученных
интервалах и укажем соответствующее
поведение функции:

В интервалах
и
функция возрастает, в интервале
функция убывает. В точке
функция достигает максимума, а в точке
– минимума:
,
.
-
Интервалы выпуклости вверх-вниз и точки перегиба.
Найдём вторую
производную функции
и точку, в которой производная равна
нулю:
.
Отметим эту точку на числовой оси, найдём
знаки
в полученных интервалах и укажем
соответствующее поведение функции:

|
|
В интервале
У данной функции асимптот нет. Проведённых исследований достаточно для построения графика. Отмечаем в системе координат точки пересечения с осями, точки экстремума и точку перегиба и соединяем их плавной линией. |
Вопросы для повторения
-
Приращение функции
в точке
равно
.
Чему равна производная
?
-
Чему равна производная функции в точке
,
если касательная к графику функции в
точке
:
а) параллельна оси
;
б) составляет с осью
угол
;
в) составляет с осью Oy
угол 3300?
-
Как найти угловой коэффициент касательной к графику функции
в точке с абсциссой x=5?
-
.
Какие асимптоты есть у графика функции
?
-
Назовите основные правила дифференцирования.
-
Запишите таблицу производных основных элементарных функций.
-
В каких случаях приращение функции можно заменить её дифференциалом? Где это используется?
-
Как связан знак производной с возрастанием и убыванием функции?
-
Назовите необходимое и достаточное условия экстремума.
-
Чем отличается максимум от наибольшего значения функции, а минимум от её наименьшего значения?
-
Что такое точка перегиба графика функции?
-
В каких случаях при вычислении предела функции можно применить правило Лопиталя?



















