Добавил:
researchgate.net Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

978-966-10-2413-6_Matematuka 11_rus

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
24.03.2018
Размер:
10.66 Mб
Скачать

Исследование функций и построение их графиков с помощью производной

191

 

 

 

 

Итог

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные понятия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

Иллюстрация

 

 

 

Точка х0

называется точкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

максимума функции у

= f (x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если для всех х х0 из некоторой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

окрестности этой точки выпол-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

няется неравенство f(x) < f(х0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Точка х0 называется точкой ми-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нимума функции у = f(x), если для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

всех х х0

из некоторой окрест-

Точка х1 — точка мини-

 

 

ности этой точки выполняется

 

 

мума функции у = f(х).

 

 

 

неравенство f(x) > f(х0).

 

 

 

 

 

Точка х2 — точка макси-

 

 

 

 

 

мума функции­

у = f(х).

 

 

 

Пусть функция у = f(x) определена на

f(b) — наименьшее значе-

 

 

некотором промежутке и х0

— точка

ние функции на [a; b].

 

 

 

из этого промежутка.

 

f(x0) — наибольшее значе-

 

 

Значение функции у = f(х) в точке

ние функции на [a; b].

 

 

 

х0 называют наибольшим значе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нием функции на промежутке,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если оно не меньше любого друго-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

го значения функции на нем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значение функции у = f(х) в точке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х0 называют наименьшим значе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нием функции на промежутке,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если оно не больше любого друго-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

го значения функции на нем.

 

 

 

 

 

 

 

 

192

 

 

Раздел 3. Производная и ее приложения

 

Основные утверждения

Название

Формулировка

Иллюстрация

теоремы

 

 

 

 

 

Признак

Если на некотором ин­

 

монотонности

тервале

 

производная

 

функции

положительна, то фун­

 

 

кция возрастает на этом

 

 

интервале, а если про­

 

 

изводная отрицательна,

 

 

то функция убывает на

 

Признак

этом интервале.

 

 

Если на некотором ин­

 

постоянства

тервале

 

производная

 

функции

функции

 

тождественно

 

 

равна нулю, то функция

 

 

постоянна на этом ин­

 

 

тервале.

 

 

 

 

Достаточное

Пусть f (х0) = 0.

 

 

условие

1. Если f

(x) > 0 на неко­

 

экстремума

тором интер­вале (а; х0) и

Точка х1 — точка

дифференци-

f(x) < 0 на некотором ин­

руемой

тервале (х0; b), то точка

максимума функции­

функции

х0 является точкой мак­

у = f(х).

 

симума функции.

 

Точка х2 — точка

 

2. Если f

(x) < 0 на неко­

минимума функции

 

тором интервале­

(а; х0)

у = f(х).

 

и f (x) > 0 на некотором

 

 

интервале­

(х0; b), то точ­

 

 

ка х0 является точкой

 

 

минимума функции.

 

Готовимся к тематичес­ кому оцениванию по теме « Производная и ее приложения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задания для самоконтроля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

??

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1°.

На рисунке изображены графики законов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямолинейного движения точек: а)

x = x1(t),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) x = x2(t).Двигались ли точки равномерно?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если равномерно, то с какими скоростями?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2°.

Какая из следующих величин меняется рав-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

номерно в зависимости от переменной t:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) v =

5t

;

 

 

б)

s =

5

;

 

в) m =

5t2

?

 

 

 

 

 

 

3.

 

2

 

 

 

2t

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке изображен график закона прямолинейного дви-

 

 

жения точки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а°) В какой момент времени: t1 = 1 c или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2 = 4 c — точка имела большую скорость?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б°) В какие моменты времени скорость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точки равнялась 0?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Сравните среднюю скорость точки на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

промежутке [0; 5] и мгновенную скорость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при t =

4 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4°.

Чему равен угловой коэффициент каса-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тельной к графику функции у =

x

в точке с абсциссой х = 4?

5°.

Какой угол (тупой или острый) образует с осью х касательная

 

 

к графику функции у = х2

– 3 в точке с абсциссой х =

–2?

6.

 

Запишите

уравнение

касательной к графику

 

функции

у = 2sin x в точке с абсциссой х = 0.

194

Раздел 3. Производная и ее приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

Существует ли точка на графике функции y =

1

такая, что

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

касательная к нему в этой точке параллельна: а) оси х; б) пря-

 

 

мой у = х; в) прямой у = х?

 

 

 

 

8°.

В какой из приведенных точек производ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ная функции у = f(x), график которой изо-

 

 

 

 

 

 

бражен на рисунке, отрицательна?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9°.

Сравните скорости изменения функции у = ln x в точках х1 = 2

 

и х2 = 3.

 

 

 

 

10°.На рисунке изображен график фун-

 

 

 

кции, определенной на отрезке [–3; 5].

 

 

 

Укажите:

 

 

 

 

 

а) точки, где производная функции

 

 

 

равна нулю;

 

 

 

 

 

б) точки экстремума функции;

 

 

 

 

 

в) промежутки, на которых производ-

 

 

 

ная функции положительна;

 

 

 

 

 

г) наибольшее и наименьшее значения функции в области оп-

 

ределения.

 

 

 

 

11.

Какая из следующих функций возрастает на всей числовой оси:

 

а) y = ex x;

б) y = 2 + sin x;

 

в) y = x3 + 2x + 1;

г) y =

x

1

?

 

 

 

2 + 1

 

12.На рисунке изображены графики производных функций y = f (x), y = g(x), y = ϕ(x) . Какая из этих функций возрастает?

13.Известно, что f (x) = (x + 1)2(x – 2). Укажите:

а) промежутки возрастания и убывания функции у = f(x); б) точки экстремума функции у = f(x).

Готовимся к тематическому­

оцениванию по теме

195

14.На рисунке изображен график произ- водной функции у = f(x), заданной на

промежутке [–3; 4]. Укажите:

а) промежутки возрастания и убывания функции у = f(x); б) точки экстремума функции у = f(x). Среди функций, графики которых изо- бражены на рисунке, выберите ту, которая своё наименьшее

значение принимает в точке минимума, а наибольшее — на одном из концов области определения.

16°.Известно, чтоf(x) = –3 при каждомх. В какой точке промежутка [–2; 1] функцияу = f(x) принимает наибольшее значение?

17°.Известно, что f (x) = x(x + 2)(x – 2). В каких точках следует вы- числить значения функции у = f(x), чтобы найти ее наиболь- шее и наименьшее значения на промежутке [–1; 3]?

18°.Пусть x = 2t3 − 6t — закон прямолинейного движения точки. Укажите наименьшую и наибольшую координаты точки на промежутке времени [0; 2].

19. Какой из графиков, приведенных на рисунке, может быть графиком функции y = f(x), если f (x) = 3х – 1?

20. Производная функции у = f(x) изобра-

жена на рисунке. Укажите наимень- шее значение функции у = f(x) на про- межутке [–1; 1]. 21. Какое из следующих утверждений яв- ляется неверным? а) Наименьшее значение функция может принимать не толь-

ко в точке минимума.

196 Раздел 3. Производная и ее приложения

б) Наибольшее и наименьшее значения функция может при- нимать только в своих точках экстремума.

в) Существует функция, у которой совпадают ее наибольшее и наименьшее значения.

22*.На рисунке справа изображен график фун- кции y = f(x). На каком из рисунков ниже изо- бражен график производной этой функции?

Ответы к заданиям для самоконтроля

1. Обе точки движутся равномерно. v1(t) = −

2

, v2(t) =

3 . 2. a). 3. a) t1 = 4 с;

 

 

 

1

 

3

 

 

б) t = 5; в) v(4) > v

 

[0; 5]. 4.

. 5. Тупой. 6. у = 2х. 7. а) Нет; б) нет; в) в точках

 

ср

 

4

 

 

 

 

с координатами (1; 1) и (–1; –1). 8. х2. 9. v(2) > v(3). 10. а)х1 = –1;х2 = 3; б)х1 = –1;

х2 = 2; х3 = 3; в) (–1; 2) (3; 5); г) наибольшее значение функции равно 4, наи- меньшее равно –1. 11. в). 12. у = f(x). 13. а) Функция убывает на промежутке

(–∞; 2] и возрастает на промежутке [2; +∞); б) х = 2. 14. а) Функция убывает на каждом из промежутков [–3; –2], [3; 4] и возрастает на промежутке [–2; 3];

б)х1 = –2; х2 = 3. 15. у = h(x). 16. х = –2. 17. х1 = –1; х2 =0; х3 =2; х4 = 3. 18. –4; 4.

19. в). 20. f(–1). 21. Неверным является утверждение б). 22. а).

Образец контрольной работы № 3

1.На рисунке изображен график

функции­ y = f(x), определенной на промежутке [2; 7]. Найдите:

1°) в какой из точек: х1 = 1 или х2 = = 2 — функция имеет большую ско- рость изменения; 2°) точки экстремума функции;

3°) промежутки, где производная функции отрицательна; 4°) наибольшее и наименьшее значения функции y = f(x) на промежутке [0; 7];

5) точки, в которых функция y = f(x) недифференцируема; 6) знак числа (f ′(1) – f ′(2)) f ′(3).

Готовимся к тематическому­

оцениванию по теме

197

2.Дана функция у = х4 – 2х2 – 3. Найдите:

1°) угловой коэффициент касательной к графику функции в точке с абсциссой х = 12 ; 2°) промежутки возрастания и убывания функции и ее точки экстремума;

3°) наибольшее и наименьшее значения функции на проме-

жутке [0; 2]; 4) уравнение касательной к графику функции в точке пересе-

чения графика с осью ординат.

Материальная точка движется прямолинейно по закону

2sin t + 1.

 

1°) Какова скорость точки в момент времени t =

p ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

2) Укажите все моменты времени, в которые точка меняет на-

 

правление движения.

 

 

 

 

 

 

3*) Найдите ускорение точки в те моменты времени, когда

 

она меняет направление движения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Физический смысл производной

Таблица 27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначение

 

Содержание

 

Df(х0) = f(х0 + Dх) – f(х0)

 

приращение функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у = f(x) в точке

х0, со-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ответствующее

прира-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щению аргумента Dх

 

 

f (x0 +

x) − f (x0 )

=

f (x0 )

 

средняя скорость изме-

 

 

нения функции на про-

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

межутке [x0; x0 + Dх]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x0 )

= lim

f (x0

+ x) − f (x0 )

= f (x0 )

скорость

изменения

 

 

 

 

 

 

функции­

в точке x ,

 

x →0

 

x

x →0

 

 

x

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или производная фун-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кции в точке x0

 

 

198

 

Раздел 3. Производная и ее приложения

 

Геометрический смысл производной

 

 

 

Таблица 28

Обозначение

Содержание

Геометрическая

интерпретация

 

 

приращение

М0Р = Dх

 

 

 

 

аргумента­

 

МР = Df(х0)

 

приращение функ-

 

 

ции в точке х0

 

l

 

касательная

 

 

 

к графику функции

tg a = f (х0)

 

в точке М0

 

 

угловой коэффи­ци­

 

 

ент касательной l

у = f(х ) +

 

уравнение каса-

 

+ f ′(x0 ) (х х )

тельной к графику

0

0

функции в точке

М0

Правила дифференцирования функции

Таблица 29

 

 

 

 

 

 

 

 

( f (x) + g(x))

= f (x)

+ g (x),

(cf (x))

= cf (x),

 

( f (x) g(x)) = f (x)g(x) + g (x)f (x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

=

f (x)g(x) − f (x)g (x)

,

 

 

 

 

 

 

g

2

(x)

 

 

 

g(x)

 

 

 

 

 

 

(

 

f(kx + b))′ = kf (u), где и = kx + b.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Готовимся к тематическому­ оцениванию по теме

199

 

 

Алгоритм нахождения интервалов монотонности и точек

 

 

экстремума дифференцируемой функции

 

 

 

Таблица 30

 

Содержание этапа

 

 

 

этапа

 

 

 

 

 

 

1.Найти точки, в которых производная функции равна нулю.

2.Разбить область определения функции найденными точ- ками на интервалы.

3.Определить знак производной на каждом из полученных интервалов.

Сделать вывод: если на интервале f (x) >0, то на этом ин-

4.тервале функция возрастает; если на интервале f (x) < 0, то на этом интервале функция убывает.

5.Проверить, меняет ли производная знак в точках, где производная равна нулю.

Если в точке производная изменяет знак с «+» на «–»,

6.то эта точка является точкой максимума, если с «–» на «+», — то точкой минимума.

Алгоритм нахождения наибольшего и наименьшего значений дифференцируемой функции на отрезке

Таблица 31

Содержание этапа

этапа

 

1.Найти точки, в которых производная функции равна нулю.

2.Отобрать те из найденных точек, которые принадлежат заданному отрезку.

3.Вычислить значения функции в этих точках и на концах отрезка.

Наибольшееизполученныхчиселявляетсянаибольшим

4.значением функции на данном отрезке, наименьшее – наименьшим значением функции на данном отрезке.

Исторический комментарий

Вопросы, относящиеся к дифференциальному исчислению (по-

строение касательных к кривым, нахождение максимумов и ми-

нимумов), эпизодически возникали еще у Евклида, Архимеда и

других древнегреческих математиков и в последующие периоды.

Успехи, достигнутые в XVII ст. наукой, техникой, естествозна-

нием, не могли не повлиять на развитие математики и, в свою

очередь, математика существенно способствовала научному про-

грессу. Ведь законы движения планет, открытые И. Кеплером

(1571–1630) в начале этого века, исследовались математически-

ми методами и формулировались на языке математики. Немно-

го позже Г. Галилей (1564–1642) математически сформулировал

законы падения тел. Эти и многие другие результаты в физике,

создание П. Ферма (1601–1665) и Р. Декартом (1596–1650) коор-

динатного метода привели к введению «движения» в математику,

возникновению математики переменных величин, одним из ос-

новных понятий которой является производная функции.

Можно назвать имена многих ученых XVII ст. (П. Ферма, И. Барроу

(1630–1671), Д. Валлис (1616–1703) и др.), труды которых подготовили

почву для решающего шага, сделанного в конечном итоге И.Ньютоном

(1643–1727) и Г. Лейбницем (1646–1716), которые обобщили накоплен-

ные к этому времени отдельные результаты и факты, превратив их в

целостную теорию дифференциального исчисления.

И. Ньютон сделал свои открытия в 60–70 годы XVII ст., но об-

народовал их значительно позже. Поэтому приоритет открытия

он разделил с Г. Лейбницем, причем благодаря последнему ос-

новные идеи нового исчисления приобрели широкое признание.

Развитие дифференциального исчисления привело к созда-

нию теории функций, одного из важнейших разделов математи-

ки. В сокровищницу этой математической дисциплины весомый

вклад внесли и украинские ученые: М.П. Кравчук (1892–1942),

С.Н. Бернштейн (1880–1968), Н.И. Ахиезер (1901–1980), М.Г. Крейн

(1907–1989), В.К. Дзядык (1919–1998) и многие другие.