6208

Применение производной в исследовании функций

Реферат

Математика и математический анализ

Применение производной в исследовании функций. Возрастание и убывание функций. Теорема (критерий монотонности дифференцируемой функции). Пусть функция непрерывна на промежутке и дифференцируема во всех его внутренних точках. Тог...

Русский

2012-12-30

123 KB

47 чел.

Применение производной в исследовании функций.

§1. Возрастание и убывание функций.

Теорема (критерий монотонности дифференцируемой функции). Пусть функция  непрерывна на промежутке  и дифференцируема во всех его внутренних точках. Тогда:

- для монотонного возрастания функции необходимо и достаточно, чтобы в 0;

-   для монотонного убывания функции необходимо и достаточно, чтобы в (а,в) 0;

- для постоянности функции необходимо и достаточно, чтобы в (а,в)  =0.

 Док-во. Докажем достаточность для возрастающей функции. Выберем произвольно точки .  По теореме Лагранжа найдется точка   , такая что   . Т.к. оба множителя в правой части неотрицательны, то , т.е.   . Следовательно, функция является монотонно возрастающей.

Докажем необходимость для возрастающей функции. Пусть f(x) – монотонно возрастает. Тогда , следовательно  в  (а,в).

Для убывающей функции  доказательства аналогичны.

Докажем необходимость для постоянной функции. Если f(x)=const в (а,в), то .

Докажем достаточность для постоянной функции. Пусть  в (a,b). Тогда тем более  в (a,b). Тогда по доказанному выше функция монотонно возрастает в (a,b), т.е. . С другой стороны, если  в (a,b), то тем более  в (a,b). Тогда по доказанному выше функция монотонно убывает в (a,b), т.е. . Одновременное выполнение этих условий возможно лишь при  .▲

 Пример. Найти промежутки монотонности функции  .

Найдем производную . Очевидно, что при   производная , функция является возрастающей. При  производная , функция убывает.

§2. Экстремумы функции.

Пусть функция  задана на интервале .

Опр. Точка  называется точкой локального максимума функции f(x), если в некоторой ее окрестности выполняется условие: .

Опр. Точка  называется точкой локального минимума функции f(x), если в некоторой ее окрестности выполняется условие: .

 

Значения функции в точках локального минимума и максимума называют минимумом и максимумом функции. Минимум и максимум функции объединяют в понятие «экстремум функции»

(extr f).

 Отметить отличия локального и глобального экстремумов.

 

 

Теорема (необходимое условие локального экстремума). Если дифференцируемая функция имеет экстремум в точке , то ее производная в этой точке  равна нулю:.

Док-во. Если  - точка экстремума дифференцируемой функции, то существует некоторая окрестность этой точки, в которой выполнены условия теоремы Ферма. Тогда ее производная .

 Замечание. Функция может иметь экстремум и в точках, в которых она не дифференцируема (если эти точки входят в область определения). Например, функция  имеет экстремум в точке х=0, но не дифференцируема в ней.

Точки, в которых производная равна нулю или не существует, называются стационарными или критическими точками. Из теоремы следует, что точки локального экстремума функции являются ее критическими точками. Обратное утверждение неверно. Например, функция   имеет неотрицательную производную, т.е. возрастает на всей числовой оси, следовательно не имеет точек экстремума. В то же время,  является ее критической точкой.

 

 Теорема (достаточное условие локального экстремума).  Если при переходе через критическую точку  производная дифференцируемой функции меняет знак с «+» на «-», то  - точка локального максимума, если с «-» на «+», то  - точка локального минимума.

 Док-во. В соответствии с достаточным условием монотонности,  функция возрастает слева от  и убывает справа, тогда в силу непрерывности функции,  является точкой максимума. Аналогичные рассуждения для минимума.

 Замечание. Если при переходе через критическую точку производная не меняет знак, то в этой точке экстремума функции нет.

 Теорема (2 достаточное условие локального экстремума). Для того, чтобы функция имела локальный максимум (минимум) в критической точке , достаточно, чтобы в некоторой окрестности этой точки существовала непрерывная вторая производная и    ().

(без док-ва).

Пример. Найти экстремумы функции;

Ее производная:.

Определим критические точки: ,   - критические точки.

Определим знак производной в окрестностях критических точек.

- точка минимума,  - минимум функции;

- точка максимума,  - максимум функции.

§3. Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке.

При решении прикладных задач бывает нужно найти глобальные экстремумы функции  на некотором промежутке. Если этот промежуток является отрезком, то экстремумы функция может достигать как в точках экстремума, так и на концах отрезка.

 Пример. Найти наибольшее значение функции  на отрезке .

Решение. Данная функция является непрерывной на данном отрезке (т.к. знаменатель не обращается в нуль), а следовательно, может принимать экстремальные значения либо в точках экстремума, либо на концах отрезка. Вычислим производную:

. Тогда критическими точками являются точки х=0 и х=-2. Данному отрезку принадлежит только точка х=0. Вычислим значения функции в точке экстремума и на концах отрезка:

, , . Сравнивая эти значения, заключаем, что наибольшее значение функции достигается в точке х=0.

§4. Выпуклость функции. Точки перегиба.

Опр. Функция называется выпуклой вверх (выпуклой) на промежутке Х, если .  График выпуклой на промежутке Х функции расположен над любой ее секущей (и под любой ее касательной) на этом промежутке.

Аналогично вводится определение функции, выпуклой вниз (вогнутой).

выпуклая (вверх)    вогнутая (выпуклая вниз)

Теорема (критерий выпуклости функции).  Пусть функция  дифференцируема в интервале (а,в). Тогда для выпуклости функции вниз необходимо и достаточно, чтобы  монотонно возрастала на этом интервале. Для выпуклости функции вверх необходимо и достаточно, чтобы  монотонно убывала на этом интервале.

Следствие (достаточное условие выпуклости). Если вторая производная дважды дифференцируемой функции неотрицательна (неположительна) внутри некоторого промежутка, то функция выпукла вниз (вверх) на этом промежутке.

Опр. Точки, в которых график функции меняет направление выпуклости, называются точками перегиба графика функции.  

Абсциссы точек перегиба являются точками экстремума первой производной.

Теорема (необходимое условие точки перегиба). Вторая производная дважды дифференцируемой функции в точке перегиба равна нулю: .

Абсциссы точек, в которых выполняется необходимое условие, называются критическими точками второго рода. Если перегиб графика есть, то только в таких точках.

Теорема (достаточное условие точки перегиба).  Пусть  - дважды дифференцируема в интервале (а,в). Тогда если вторая производная при переходе через критическую точку второго рода  меняет знак, то точка является точкой перегиба графика функции.

Замечание. Если смены знака второй производной не происходит, то перегиба графика в точке нет.

Пример. , ;  - точка перегиба.

Итак, чтобы найти интервалы выпуклости функции, нужно:

1. Найти вторую производную функции.

2. Найти точки, в которых  или не существует.

3. Исследовать знак второй производной слева и справа от найденных точек и сделать вывод о направлении выпуклости и точках перегиба на основании достаточных условий.

§5. Асимптоты графика функции.

Графики некоторых функций расположены  на плоскости так, что при неограниченном удалении от начала координат они неограниченно приближаются к некоторым прямым, но не пересекают их. Такие прямые называются асимптотами функции.

Асимптоты могут быть горизонтальными, вертикальными, наклонными.

     

Прямая y=a называется горизонтальной асимптотой к графику функции y=f(x), если существует конечный предел .

Прямая x=b называется вертикальной асимптотой к графику функции y=f(x), если существует конечный предел .

Вертикальные асимптоты следует искать в точках разрыва функции или на концах области определения.

Если у функции нет горизонтальных асимптот, то, возможно, есть наклонные.

Наклонная асимптота к графику функции существует в том случае, когда существуют конечные числа к и в, вычисляемые по формулам:

,   . Тогда наклонная асимптота задается уравнением y=kx+b. Если хотя бы одно из чисел к и в несобственное, то наклонных асимптот у графика функции нет.

§6. Общая схема исследования функции.

I.    1. Область определения.

      2. Точки пересечения с осями координат.

      3. Четность.

      4. Периодичность.

      5. непрерывность.

      6. Асимптоты.

II.   7. Монотонность.

      8. Точки экстремума, экстремумы.

III. 9. Направления выпуклости.

     10. Точки перегиба графика.

IV.11. Дополнительные точки.

     12. Построение графика.


-1

1

+

+

-

х

EMBED Equation.3  

0

y

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

y=f(x)

-1

1

х

+

+

-

точка

максимума

точка

минимума

EMBED Equation.3  

y

x

x

y

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

точка

перегиба

y

x

y=a

y

x

x=b

y

x

y=kx+b


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21905. Растровая модель. Оверлейные структуры. Трехмерные модели 158 KB
  Трехмерные модели. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам но разный по характеристикам цвет плотность участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства пиксель ячейка.
21906. Введение в дистанционное зондирование. Восстановление (коррекция) видеоинформации. Предварительная обработка изображений. Классификация. Преобразование изображений 145.5 KB
  К настоящему времени накоплен огромный фонд более 100 миллионов аэрокосмических снимков полностью покрывающих всю поверхность Земли а для значительной части районов с многократным перекрытием. Геометрическая коррекция или трансформирование снимков предназначено для устранения искажений вызванных кривизной и вращением Земли а также углом наклона орбиты спутника к плоскости экватора. Часто для представления и совместной обработки материалов разных видов типов съемок а также разновременных снимков одной и той же территории используется...
21907. Отраслевые геоинформационные проекты 139.5 KB
  Создание карт распределения геологической продукции и информации: а по административным районам; б по геологическим структурам. Создание двумерных и трехмерных моделей подсчета запасов полезных ископаемых и карт в изолиниях. Персональные компьютеры в руках геолога представляют собой надежный инструмент который дает большие возможности как по созданию геологических отчетов геологических карт научных разработок так и по решению различных модельных задач по теории рудообразования геотектонике стратиграфии металлогении и т.
21908. Некоторые вопросы оценки качества цифровых карт 110 KB
  Для быстрой оценки точности цифровой карты необходимо проверить значения реальных координат объектов карты. Проверить значения координат в углах рамки карты. в зависимости от вида и масштаба карты. Если югозападный угол карты имеет неточную привязку то весьма вероятно что все объекты карты будут иметь координаты со сдвигом.
21909. История развития ГИС 77.5 KB
  Одна из наиболее интересных черт раннего развития ГИС особенно в шестидесятые годы заключается в том что первые инициативные проекты и исследования сами были ГЕОГРАФИЧЕСКИ РАСПРЕДЕЛЕНЫ по многим точкам причем эти работы осуществлялись независимо часто без упоминания и даже с игнорированием себе подобных. Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и особенно тематического картографирования успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс а также революционным достижениями...
21910. Классификация ГИС технологий 96.5 KB
  Множество задач решаемых современными ГИС научных прикладных образовательных наконец бытовых не поддается исчислению складываясь из необозримого числа достойных внимания и описания объектов реальности помноженных на разнообразие мотивов и целей человеческой деятельности. При всем многообразии типов ГИС возможна их классификация по нескольким основаниям: пространственному охвату объекту и предметной области информационного моделирования проблемной ориентации функциональным возможностям уровню управления и некоторым другим...
21911. Ввод данных в ГИС. Базовые структуры данных в ГИС. Представление пространственных данных. Структура геоинформационных систем 73 KB
  Базовые структуры данных в ГИС. Представление пространственных данных. Ввод данных в ГИС.
21912. Определение положения точек на поверхности Земли. Координатные данные. Взаимосвязи между координатными моделями. Определение положения точек на поверхности Земли 71 KB
  Определение положения точек на поверхности Земли Координатные данные составляющие один из основных классов геоинформационных данных используют для указания местоположения на земной поверхности Поверхность Земли имеет сложную форму. Эта информация образует класс координатных данных ГИС являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Будучи частью классом общей модели данных в ГИС координатные данные определяют класс координатных моделей Основные типы координатных моделей Класс координатных моделей можно разбить на типы. При этом...
21913. Антенны с круговой диаграммой направленности 224 KB
  Наиболее широкое применение в этой группе получили антенны типа Ground Plane GP рис.1 Конструкция антенны GP Штыревая конструкция антенны удобна для размещения как на крыше здания так и на автомобиле.6 Длина элементов антенны GP Диаметр трубки мм 2 6 20 40 Длина штыря l мм 2690 2670 2650 2620 Для нормальной работы антенны она снабжается тремя противовесами которые можно выполнить из трубки или антенного канатика.