Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
razdel_3_konspekta_lektsy.pdf
Скачиваний:
74
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
972.79 Кб
Скачать

+

 

+

 

1

1

3

y

 

max

разрыв

min

 

 

 

Рис. 3.2.6.

 

 

Из рисунка ясно, что функция имеет максимум в точке x1 = −1 и минимум в точке x2 = 3 . В точке разрыва характер монотонности не меняется.

3.2.2. Исследование функций с помощью второй производной. Точки перегиба

Определение 3.2.4

Функция f (x) называется выпуклой вниз (выпуклой) на промежутке (a,b), если ее

график лежит выше касательной, проведенной в любой точке x0 (a, b) (рис. 3.2.7 a).

Определение 3.2.5

Функция f (x) называется выпуклой вверх (вогнутой) на промежутке (a, b), если ее

график лежит ниже касательной, проведенной в любой точке x0 (a, b) (рис. 3.2.7 b).

 

 

y

 

a

x0

b

x

 

 

Рис. 3.2.7 a.

 

y

a

x0

b

x

 

Рис. 3.2.7 b.

 

 

Теорема 3.2.1

 

Если функция f (x)

дважды дифференцируема на промежутке (a, b) и вторая

производная f ''(x)> 0

для всех значений x (a, b), то f (x) выпукла вниз на

промежутке (a, b).

 

Доказательство

1) Возьмем произвольную точку x0 (a, b). Уравнение касательной к графику функции в этой точке имеет вид:

y = f (x0 )+ f (x0 ) (x x0 ).

Покажем, что в любой точке x (a, b) график функции расположен выше этой касательной.

Рассмотрим любую точку x (a, b), удовлетворяющую условию x > x0 , и вычислим разность ординат функции (f (x)) и касательной (y) в этой точке:

f (x)y = f (x)(f (x0 )+ f (x0 ) (x x0 ))= (f (x)f (x0 ))f (x0 ) (x x0 ).

Поскольку функция f (x) удовлетворяет условиям теоремы Лагранжа на промежутке (x0 , x), то найдется точка c1 (x0 , x), для которой справедливо равенство

f (x)f (x0 )= f (c1) (x x0 ).

Учитывая это, разность ординат функции и касательной в точке x можно представить в виде

40

f (x)y = f (c1) (x x0 )f (x0 ) (x x0 )= (f (c1 )f (x0 )) (x x0 ).

Производная

f (x) удовлетворяет условиям теоремы Лагранжа на промежутке

(x0 , с1). Значит, найдется точка c2 (x0 , с1), для которой справедливо равенство

f (c1)f (x0 )= f ′′(c1) (с1 x0 ).

Учитывая это, разность ординат функции и касательной в точке x можно записать в виде

 

 

 

 

f (x)y = f ′′(c2 ) (c1 x0 ) (x x0 ).

 

 

Так как

f ′′(x)> 0 при

всех

x (a,b),

а x0 < c2 < c1 < x (рис. 3.2.8), то

f ′′(с2 )> 0

,

c1 x0 > 0

и x x0 > 0 .

Следовательно,

f (x)y > 0

и график функции в точке x > x0

расположен выше касательной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

c

c

x

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2.8.

 

 

 

 

2) Рассмотрим любую

точку

x (a, b), удовлетворяющую условию

x < x0 ,

и

вычислим разность ординат функции (f (x)) и касательной (y) в этой точке:

 

 

f (x)y = f (x)(f (x0 )+ f (x0 ) (x x0 ))= (f (x)f (x0 ))f (x0 ) (x x0 )=

 

 

 

= −(f (x0 )f (x))+ f (x0 ) (x0 x).

 

 

Поскольку функция

f (x) удовлетворяет условиям теоремы Лагранжа на промежутке

(x, x0 ), то найдется точка c1 (x, x0 ), для которой справедливо равенство

f (x0 )f (x)= f (c1 ) (x0 x).

Учитывая это, разность ординат функции и касательной в точке x можно записать в виде f (x)y = − f (c1 ) (x0 x)+ f (x0 ) (x0 x)= (f (x0 )f (c1 )) (x0 x).

Производная

f (x) удовлетворяет условиям теоремы Лагранжа на промежутке

(с1, x0 ). Значит, найдется точка c2 (с1, x0 ), для которой справедливо равенство

f (x0 )f (c1)= f ′′(c2 ) (x0 c1).

Учитывая это, разность ординат функции и касательной в точке x можно записать в виде

 

 

f (x)y = f ′′(c2 ) (x0 c1 ) (x0 x).

Так как

f ′′(x)> 0 при

всех x (a,b),

а x < c1 < c2 < x0 (рис. 3.2.9), то f ′′(с2 )> 0 ,

x0 c1 > 0

и x0 x > 0 .

Следовательно,

f (x)y > 0 . Тогда график функции в точке

x < x0 также расположен выше касательной.

x

c1

c2

x0

 

Рис. 3.2.9.

 

Теорема 3.2.2

 

 

 

Если функция f (x) дважды

дифференцируема

на промежутке (a,b) и вторая

′′

 

f (x) на промежутке (a,b) выпукла вверх.

производная f (x)< 0 для всех x (a,b), то

Доказательство

аналогично доказательству теоремы 1.

41

Определение 3.2.6

Точки, в которых меняется характер выпуклости функции, называются точками перегиба.

Теорема 3.2.3

Если f ′′(x0 )= 0 и f ′′(x) меняет знак при переходе через точку x0 , то функция f (x) имеет в точке x0 перегиб.

ЗАМЕЧАНИЕ

Вторая производная может менять знак и в точке разрыва. Поэтому точками перегиба являются точки, в которых вторая производная обращается в ноль или бесконечна (а функция определена) и меняет знак.

Чтобы найти точки перегиба графика функции нужно:

вычислить вторую производную заданной функции;

найти все точки, в которых вторая производная равна нулю или не существует;

нанести эти точки, а также точки разрыва функции на числовую ось;

определить знак второй производной на каждом из полученных интервалов;

по знаку второй производной определить характер выпуклости функции;

точками перегиба будут те точки, в которых меняется характер выпуклости функции, исключая точки разрыва.

Задача 3.2.4

Определите точки перегиба графика функции f (x)= ln(x2 +1).

Решение

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Исследуя первую

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первая производная заданной функции равна f (x)= x2 +1 2x .

производную легко убедиться, что функция имеет минимум в точке

x = 0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = 0

 

Теперь вычислим вторую производную

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′ = 2

x2

+1x 2x

= 2

 

1x2

2 (1x) (1+ x)

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(x2 +1)2

(x2 +1)2

(x2 +1)2

 

 

 

 

и исследуем ее. Вторая производная меняет знак в точках x = ±1. По знаку второй производной y′′ можно выяснить характер выпуклости функции (рис. 3.2.10).

 

+

 

y

 

 

y

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

 

 

 

+

y′′

ln 2

 

 

1

1

 

 

 

 

1 0 1

x

перегиб

перегиб

 

Рис. 3.2.10.

x

Из рисунка видно, что функция имеет две точки перегиба

y

показан график заданной функции.

=±1

=ln 2 . На рисунке 17

42

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]