Исследование функций

Локальные экстремумы функции. Теоремы дифференциального исчисления: Ферма, Ролля, Коши, Лагранжа. Достаточные условия экстремума функции. Исследование функций на выпуклость и вогнутость. Точка перегиба. Асимптоты графика функции. Схема построения графика.
Краткое сожержание материала:

2

ВЫСШАЯ МАТЕМАТИКА

Исследование функций

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1. Основные теоремы дифференциального исчисления

1. Локальные экстремумы функции

2. Основные теоремы дифференциального исчисления: Ферма, Ролля, Коши, Лагранжа

Лекция 2. Исследование функций

1. Достаточные условия экстремума функции

2. Исследование функций на выпуклость и вогнутость. Точка перегиба

3. Асимптоты графика функции

4. Общая схема построения графика функции

Задачи и упражнения

Ответы к задачам и упражнениям

Литература

Лекция 1.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ

План:

1. Локальные экстремумы функции.

2. Основные теоремы дифференциального исчисления: Ферма, Ролля, Коши, Лагранжа.

Ключевые понятия

Локальный максимум. Локальный минимум. Локальный экстремум. Монотонность функции.

1. Локальные экстремумы функции

Пусть задана функция у = f (х) на множестве Х и х₀ - внутренняя точка множества Х.

Обозначим через U(х₀) окрестность точки х₀. В точке х₀ функция f (х) имеет локальный максимум, если существует такая окрестность U(х₀) точки х₀, что для всех х из этой окрестности выполнено условие f (х) f (х₀).

Аналогично: функция f (х) имеет в точке х₀ локальный минимум, если существует такая окрестность U(х₀) точки х₀, что для всех х из этой окрестности выполнено условие f (х) f (х₀).

Точки локальных максимума и минимума называются точками локальных экстремумов, а значения функции в них - локальными экстремумами функции.

Пусть функция f (х) определена на отрезке [а, b] и имеет локальный экстремум на каком-то из концов этого отрезка. Тогда такой экстремум называется локальным односторонним или краевым экстремумом. В этом случае соответствующая окрестность является правой для «а» и левой для «b» полуокрестностью.

Проиллюстрируем данные выше определения:

На рисунке точки х₁, х₃ - точки локального минимума, точки х₂, х₄ - точки локального максимума, х = а - краевого максимума, х = b - краевого минимума.

Заметим, что наряду с локальными минимумом и максимумом определяют так называемые глобальные минимумы и максимумы функции f(х) на отрезке [a, b]. На рисунке точка х = а - точка глобального максимума (в этой точке функция f(х) принимает наибольшее значение на отрезке [a, b]), точка х = х₃ - точка соответственно глобального минимума.

2. Основные теоремы дифференциального исчисления: Ферма, Ролля, Коши, Лагранжа

Рассмотрим некоторые теоремы, которые позволят в дальнейшем проводить исследование поведения функций. Они носят названия основных теорем математического анализа или основных теорем дифференциального исчисления, поскольку указывают на взаимосвязь производной функции в точке и ее поведения в этой точке. Рассмотрим теорему Ферма.

Пьер Ферма (1601-1665) - французский математик. По профессии - юрист. Математикой занимался в свободное время. Ферма - один из создателей теории чисел. С его именем связаны две теоремы: великая теорема Ферма (для любого натурального числа n > 2 уравнение хⁿ + yⁿ = zⁿ не имеет решений в целых положительных числах х, у, z) и малая теорема Ферма (если р - простое число и а - целое число, не делящееся на р, то а ^р-1 - 1 делится на р).

Теорема Ферма. Пусть функция f (х) определена на интервале (а, b) и в некоторой точке х₀ (а, b) имеет локальный экстремум. Тогда, если в точке х₀ существует конечная производная f '(x₀), то f '(x₀) = 0.

Доказательство.

Пусть, для определенности, в точке х₀ функция имеет локальный минимум, то есть f (х) f (х₀), х U(х₀). Тогда в силу дифференцируемости
f (х) в точке х₀ получим:

при х > х₀:

при х < х₀:

Следовательно, эти неравенства в силу дифференцируемости имеют место одновременно лишь когда

Теорема доказана.

Геометрический смысл теоремы Ферма: если х₀ (а, b) является точкой минимума или максимума функции f (х) и в этой точке существует производная функции, то касательная, проведенная к графику функции
в точке (х₀, f (х₀)), параллельна оси Ох:

Заметим, что оба условия теоремы Ферма - интервал (а, b) и дифференцируемость функции в точке локального экстремума - обязательны.

Пример 1. у = х, х (-1; 1).

В точке х₀ = 0 функция имеет минимум, но в этой точке производная не существует. Следовательно, теорема Ферма для данной функции неверна (не выполняется условие дифференцируемости функции в точке х₀).

Пример 2. у = х³, х [-1; 1].

В точке х₀ = 1 функция имеет краевой максимум. Теорема Ферма не выполняется, так как точка х₀ = 1 (-1; 1).

Мишель Ролль (1652-1719) - французский математик, член Парижской академии наук. Разработал метод отделения действительных корней алгебраических уравнений.

Теорема Ролля. Пусть функция f (x) непрерывна на отрезке [а, b], дифференцируема на (а, b), f (а) = f(b). Тогда существует хотя бы одна точка , а < < b, такая, что f '() = 0.

Доказательство:

1) если f (x) = const на [a, b], то f '(х) = 0, х (a, b);

2) если f (x) const на [a, b], то непрерывная на [a, b] функция достигает наибольшего и наименьшего значений в некоторых точках отрезка
[a, b]. Следовательно, max f (x) или min f (x) обязательно достигается во внутренней точке отрезка [a, b], а по теореме Ферма имеем, что f '() = 0.

Теорема доказана.

Геометрический смысл теоремы Ролля: при выполнении условий теоремы внутри отрезка [a, b] обязательно найдется хотя бы одна точка , такая, что касательная к графику f (x) в точке (, f ()) Ox (см. рисунок).

Заметим, что все условия теоремы существенны.

Пример 3. f (x) = х, х [-1; 1]. f (-1) = f (1) = 1.

В точке х = 0 нарушено условие дифференцируемости. Следовательно, теорема Ролля не применяется - ни в одной точке отрезка [-1; 1] производная в нуль не обращается.

...