Признаки экстремума функций.

Определение: точка x0 называется точкой max (min) если существует такая окрестность данной точки, что в x0 функция принимает наибольшее (наименьшее) значение.

Точка х0 наз. точкой экстремума, если эта точка max или min данной функции.

Теорема: Необходимый признак экстремума функции.

Если х0 точка экстремума f(x), то :

1). Либо не существует f’(x0)

2). Либо f’(x0)=0

Доказательство:

1). Не существует f’(x0)

2). Существует f’(x0) - по т. Ферма f’(x0)=0

Замечание: данные условия не являются достаточными.

Теорема 1. (Необходимое условие существования экстремума.) Если дифференцируемая функция y=f(x) имеет в точке x= x0 экстремум, то ее производная в этой точке обращается в нуль.

Доказательство. Пусть для определенности в точке x0 функция имеет максимум. Тогда при достаточно малых приращениях Δx имеем f(x0+ Δx)<f(x0), т.е. Но тогда

Переходя в этих неравенствах к пределу при Δx→ 0 и учитывая, что производная f '(x0) существует, а следовательно предел, стоящий слева, не зависит от того как Δx → 0, получаем: при Δx → 0 – 0 f'(x0) ≥ 0 а при Δx → 0 + 0 f'(x0) ≤ 0. Так как f '(x0) определяет число, то эти два неравенства совместны только в том случае, когда f '(x0) = 0.

Теорема: Первый достаточный признак экстремума функции.

Если f’(x)>0 на интервале (x0-б,х0) и f’(x)<0 на интервале (х0,x0+б) т.е. меняет знак с плюса на минус при переходе на точку х0, т.е. х0 – точка максимума f(x), а если же меняет знак с минуса на плюс, то х0 – точка минимума.

Доказательство:

Теорема: Второй достаточный признак максимума функции.

Если f(x) имеет непрерывную вторую производную в окрестности точки х0, и:

1). f’(x0)=0 2). f’’(x0)<0

то х0 точка максимума (аналогично, если f’’(x0)<0, то х0 – точка минимума)

Док-во: Возьмем окрестность, где вторая производная сохраняет знак и запишем формулу Тейлора 1-го порядка для х из данной окрестности.

График функции y=f(x) называется выпуклым на интервале (a; b), если он расположен ниже любой своей касательной на этом интервале.

График функции y=f(x) называется вогнутым на интервале (a; b), если он расположен выше любой своей касательной на этом интервале.

Достаточное условие вогнутости ( выпуклости ) функции.

Пусть функция f ( x ) дважды дифференцируема ( имеет вторую производную ) на интервале ( a, b ), тогда: если f '' ( x ) > 0 для любого x ( a, b ), то функция f ( x ) является вогнутой на интервале ( a, b );

если f '' ( x ) < 0 для любого x ( a, b ), то функция f ( x ) является выпуклой на интервале ( a, b ) .

Точка, при переходе через которую функция меняет выпуклость на вогнутость или наоборот, называется точкой перегиба. Отсюда следует, что если в точке перегиба x0 существует вторая производная f '' ( x0 ), то f '' ( x0 ) = 0.

Точка перегиба функции внутренняя точка x0 области определения f такая что f непрерывна в этой точке, и x0 является одновременно концом интервала строгой выпуклости вверх и концом интервала строгой выпуклости вниз.

В этом случае точка (x0;f(x0)) является точкой перегиба графика функции, т. е. график функции f в точке (x0;f(x0)) «перегибается» через касательную к нему в этой точке: при x < x0 касательная лежит под графиком f, а при x > x0 — над графиком f (или наоборот)

Необходимое условие существования точки перегиба: если функция f(x), дважды дифференцируемая в некоторой окрестности точки x0, имеет в x0 точку перегиба, то f''(x0) = 0.

Достаточное условие существования точки перегиба: если функция f(x) в некоторой окрестности точки x k раз непрерывно дифференцируема, причем k нечётно и , и f(n) = 0 при n = 2,3,...,k − 1, а , то функция f(x) имеет в x0 точку перегиба.

Асимптоты.

Часть графика называется бесконечной ветвью если при движении точки по этой части, расстояние между ей и началом координат стремится к бесконечности.

Прямая называется асимптотой бесконечной ветви графика функции, если при удалении точки от начала координат по этой ветви, расстояние до данной прямой стремится к нулю.

Теорема 1: x=a (вертикальная прямая) – является асимптотой для бесконечно вертикальной ветви графика функции y=f(x), тогда когда f(x), при xa.

Теорема 2: Критерий существования наклонной асимптоты прямая y=kx+b является асимптотой для правой (левой) ветви графика функции тогда, когда существует предел при :

Док-во: Точка M0(x0,y0) и прямая

L: Ax+By+Cz=0, то расстояние

Пусть y=kx+b

асимптота =>

d(M,l)0=>kx-f(x)+b0

тогда f(x)-kxb

при x+

существует предел:

Теорема: Необходимый признак существования наклонной асимптоты. Если прямая l: y=kx+b –

наклонная асимп. для правой наклонной ветви, то:

Док-во:

Примерная схема исследования графика функции.

1).Область определения.

2).Четность (нечетность), переодичность, точки пересечения и др.

3). Непрерывность, точки разрыва, вертикальные асимптоты.

4). Исследование на убывание (возвр.) в точках экстремума.

5). Исследование на выпуклость.

6). Построение графика функции.

(11)

Функции нескольких переменных. Определение, область определения, график функции двух переменных.

Предел и непрерывность функции двух переменных.

Частные производные функции двух переменных и их геометрический смысл.

Дифференцирование сложной функции. Дифференцирование неявной функции. Производная по направлению и градиент функции.

Частный и полный дифференциал функции двух переменных. Применение полного дифференциала в приближенных вычислениях.

Касательная плоскость и нормаль к поверхности.

Частные производные высших порядков. Теорема о равенстве смешанных частных производных.

Экстремум функции двух переменных. Необходимое условие экстремума. Достаточное условие экстремума. Наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в замкнутой области.