Loading...
 

Ekstrema lokalne. Wartość najmniejsza i największa funkcji

Pochodna funkcji może służyć nam do szukania ekstremów (czyli minimów i maksimów) funkcji. Wiele zadań optymalizacyjnych można rozwiązać właśnie wyznaczając ekstrema.

Definicja 1: Minimum lokalne


Funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0\in\mathbb{R} \) minimum lokalne (minimum lokalne właściwe), jeżeli istnieje \( \delta >0 \) taka, że dla każdego \( x\in S(x_0, \delta) \) zachodzi nierówność \( f(x)\geq f(x_0) \) ( \( f(x)>f(x_0) \)).

Uwaga 1:


Przypomnijmy, że symbol \( S(x_0,\delta) \) oznacza sąsiedztwo punktu \( x_0 \) o promieniu dodatnim \( \delta \), czyli \( S(x_0,\delta)=O(x_0,\delta)\setminus \{x_0\} \).

Przykład 1:


Funkcja \( f(x)=x^2-1 \) ma minimum lokalne właściwe w \( x_0=0 \) równe \( -1 \).

Wykres funkcji \(f(x)=x^2-1\) mającej minimum lokalne w \(x_0=0\).
Rysunek 1: Wykres funkcji \(f(x)=x^2-1\) mającej minimum lokalne w \(x_0=0\).

Definicja 2: Maksimum lokalne


Funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0\in\mathbb{R} \) maksimum lokalne (maksimum lokalne właściwe), jeżeli istnieje \( \delta >0 \) taka, że dla każdego \( x\in S(x_0, \delta) \) zachodzi nierówność \( f(x)\leq f(x_0) \) ( \( f(x)< f(x_0) \)).

Przykład 2:


Funkcja \( f(x)=-(x-1)^2+1 \) ma maksimum lokalne właściwe w \( x_0=1 \) równe \( 1 \).

Wykres funkcji \(f(x)=-(x-1)^2+1\) mającej maksimum lokalne w \(x_0=1\).
Rysunek 2: Wykres funkcji \(f(x)=-(x-1)^2+1\) mającej maksimum lokalne w \(x_0=1\).

Twierdzenie 1: Warunek konieczny istnienia ekstremum

Jeżeli funkcja \( f \) ma ekstremum lokalne w \( x_0 \) oraz istnieje pochodna funkcji \( f \) w punkcie \( x_0 \), to \( f^\prime(x_0)=0 \).

Uwaga 2:


Z warunku koniecznego wnioskujemy, że funkcja może mieć ekstrema lokalne tylko w punktach, w których pochodna jest równa zero lub w punktach, w których pochodna nie istnieje.

Przykład 3:


Pochodna funkcji \( f(x)=x^2 \) wynosi \( f^\prime(x)=2x \) i zeruje się w punkcie \( x_0=0 \). W tym punkcie funkcja ma minimum lokalne.

Wykres funkcji \(f(x)=x^2\) mającej minimum lokalne w punkcie \(x_0=0\).
Rysunek 3: Wykres funkcji \(f(x)=x^2\) mającej minimum lokalne w punkcie \(x_0=0\).

Przykład 4:


Natomiast pochodna funkcji \( f(x)=x^3 \) jest równa \( f^{\prime}(x)=3x^2 \) i zeruje się w punkcie \( x_0=0 \), ale pomimo to funkcja nie ma w tym punkcie ekstremum.

Wykres funkcji \(f(x)=x^3\).
Rysunek 4: Wykres funkcji \(f(x)=x^3\).

Przykład 5:


Wprawdzie pochodna funkcji \( f(x)=|x| \) w punkcie \( x_0=0 \) nie istnieje, ale funkcja osiąga w tym punkcie minimum lokalne równe \( 0 \).

Wykres funkcji \(f(x)=|x|\) mającej minimum lokalne w punkcie \(x_0=0\).
Rysunek 5: Wykres funkcji \(f(x)=|x|\) mającej minimum lokalne w punkcie \(x_0=0\).

Twierdzenie 2: I warunek wystarczający istnienia maksimum lokalnego

Jeżeli funkcja \( f \), różniczkowalna w otoczeniu \( x_0 \), spełnia warunki

  1. \( f^\prime(x_0)=0 \),
  2. istnieje \( \delta>0 \) taka, że dla każdego \( x\in S(x_0^-,\delta) \): \( f^{\prime}(x)>0 \) oraz dla każdego \( x\in S(x_0^+,\delta) \): \( f^{\prime}(x)<0 \),

to funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0 \) maksimum lokalne.

Twierdzenie 3: I warunek wystarczający istnienia minimum lokalnego

Jeżeli funkcja \( f \), różniczkowalna w otoczeniu \( x_0 \), spełnia warunki

  1. \( f^\prime(x_0)=0 \),
  2. istnieje \( \delta>0 \) taka, że dla każdego \( x\in S(x_0^-,\delta) \): \( f^{\prime}(x)<0 \) oraz dla każdego \( x\in S(x_0^+,\delta) \): \( f^{\prime}(x)>0 \),

to funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0 \) minimum lokalne.

Uwaga 3:


Zamiast założenia \( f^{\prime}(x_0)=0 \) wystarczy przyjąć, że funkcja \( f \) jest ciągła w punkcie \( x_0 \). Dzięki temu możemy powyższe twierdzenie zastosować również w przypadku, gdy pochodna nie istnieje w danym punkcie. Jednak ciągłość funkcji w punkcie \( x_0 \) jest tutaj bardzo ważna.

Przykład 6:


Sprawdźmy czy funkcja \( f(x)=x^2+3x-4 \) ma ekstrema lokalne. W tym celu obliczamy pochodną funkcji \( f \) i wyznaczamy punkty, w których pochodna zeruje się lub nie istnieje.

\( \begin{aligned}&f^\prime(x)=2x+3,\\&f^\prime(x)=0\Leftrightarrow x=-\frac{3}{2}.&\end{aligned} \)

Dla \( x_0=-\frac{3}{2} \) spełniony jest warunek konieczny istnienia ekstremum lokalnego. Sprawdzamy warunek wystarczający.

\( \begin{aligned}&f^\prime(x)>0\Leftrightarrow x>-\frac{3}{2},\\&f^\prime(x)<0\Leftrightarrow x<-\frac{3}{2}.\end{aligned} \)

Wynika stąd, że funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0=-\frac{3}{2} \) minimum lokalne i jest ono równe \( f(-\frac{3}{2})=-\frac{25}{4} \).

Wykres funkcji \(f(x)=x^2+3x-4\).
Rysunek 6: Wykres funkcji \(f(x)=x^2+3x-4\).

Twierdzenie 4: II warunek wystarczający istnienia maksimum lokalnego

Jeżeli funkcja \( f \) ma pochodną rzędu \( n \) w punkcie \( x_0 \) oraz spełnia następujące warunki:

  1. \( f^\prime(x_0)=f^{\prime\prime}(x_0)=\dots=f^{(n-1)}=0 \),
  2. \( f^{(n)}(x_0)<0 \),
  3. liczba \( n\in\mathbb{N} \) jest parzysta i \( n\geq 2 \),

to funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0 \) ma maksimum lokalne.

Twierdzenie 5: II warunek wystarczający istnienia minimum lokalnego

Jeżeli funkcja \( f \) ma pochodną rzędu \( n \) w punkcie \( x_0 \) oraz spełnia następujące warunki:

  1. \( f^\prime(x_0)=f^{\prime\prime}(x_0)=\dots=f^{(n-1)}=0 \),
  2. \( f^{(n)}(x_0)>0 \),
  3. liczba \( n\in\mathbb{N} \) jest parzysta i \( n\geq 2 \),

to funkcja \( f \) ma w punkcie \( x_0 \) ma minimum lokalne.

Twierdzenie 6: o braku ekstremum

Jeżeli funkcja \( f \) ma pochodną rzędu \( n \) w punkcie \( x_0 \) oraz spełnia następujące warunki:

  1. \( f^\prime(x_0)=f^{\prime\prime}(x_0)=\dots=f^{(n-1)}=0 \),
  2. \( f^{(n)}(x_0) \neq 0 \),
  3. liczba \( n\in\mathbb{N} \) jest nieparzysta i \( n> 2 \),

to funkcja nie ma w tym punkcie ekstremum.

Przykład 7:


Wyznaczmy (o ile istnieją) ekstrema lokalne funkcji \( f(x)=x^3-x \). Sprawdzamy warunek konieczny istnienia ekstremum lokalnego.

\( \begin{aligned}f^\prime(x)&=3x^2-1,\\f^\prime(x)&=0\Leftrightarrow \left(x=-\frac{\sqrt{3}}{3}\vee x=\frac{\sqrt{3}}{3}\right).\end{aligned} \)

Sprawdzamy II warunek wystarczający istnienia ekstremum lokalnego.

\( \begin{aligned}&f^{\prime\prime}(x)=6x,\\&f^{\prime\prime}\left(-\frac{\sqrt{3}}{3}\right)=-2\sqrt{3}<0,\\& f^{\prime\prime}\left(\frac{\sqrt{3}}{3}\right)=2\sqrt{3}>0.\end{aligned} \)

Zatem w punkcie \( x=-\frac{\sqrt{3}}{3} \) funkcja \( f \) osiąga maksimum lokalne, natomiast w punkcie \( x=\frac{\sqrt{3}}{3} \) minimum lokalne.

Wykres funkcji \(f(x)=x^3-x\).
Rysunek 7: Wykres funkcji \(f(x)=x^3-x\).

Treść zadania:
Należy zbadać ekstrema lokalne funkcji \( f(x)=x^6 \).


Definicja 3: Wartość najmniejsza w zbiorze


Liczba \( m\in\mathbb{R} \) jest wartością najmniejszą funkcji \( f \) w zbiorze \( A \) zawartym w dziedzinie funkcji, jeżeli istnieje \( x_0\in A \) takie, że \( f(x_0)=m \) i dla każdego \( x\in A \) zachodzi nierówność \( f(x)\geqslant m \).

Definicja 4: Wartość największa w zbiorze


Liczba \( M\in\mathbb{R} \) jest wartością największą funkcji \( f \) w zbiorze \( A \) zawartym w dziedzinie funkcji, jeżeli istnieje \( x_0\in A \) takie, że \( f(x_0)=M \) i dla każdego \( x\in A \) zachodzi nierówność \( f(x)\leqslant M \).

Wartość najmniejsza funkcji w zbiorze \( A \) jest też nazywana minimum globalnym funkcji w zbiorze \( A \), a wartość największa w zbiorze \( A \)- maksimum globalnym w zbiorze \( A \) .
Algorytm wyznaczania wartości najmniejszej i największej funkcji \( f \) ciągłej w przedziale \( [a,b] \):

  1. znajdujemy punkty zerowania się pochodnej w przedziale \( (a,b) \),
  2. znajdujemy punkty w których pochodna nie istnieje w przedziale \( (a,b) \),
  3. obliczamy wartości funkcji \( f \) w punktach \( a,b \) oraz w punktach uzyskanych w krokach 1 i 2,
  4. spośród otrzymanych wartości wybieramy wartość najmniejszą i największą.

Uwaga 4:


Z twierdzenia Weierstrassa mamy pewność, że funkcja ciągła w przedziale \( [a,b] \) przyjmuje wartość najmniejszą i największą w tym przedziale. W przypadku przedziału otwartego nie mamy gwarancji, że takie wartości są osiągane.

Przykład 8:


Wyznaczmy wartość najmniejszą i największą funkcji \( f(x)=-x^3+3x+2 \) w przedziale \( \left[ -2,\frac{3}{2}\right] \).

\( \begin{aligned}&f^\prime(x)=-3x^2+3,\\&f^\prime(x)=0\Leftrightarrow\left(x=-1\vee x=1\right).\\&f(-1)=0,\; f(1)=4.\end{aligned} \)

Argumenty \( -1 \) i \( 1 \) należą do przedziału \( \left(-2, \frac{3}{2}\right) \).
Dziedziną pochodnej funkcji \( f \) jest \( \mathbb{R} \), zatem nie ma punktów, w których pochodna nie istnieje.
Sprawdzamy wartości na końcach przedziału \( \left[-2,\frac{3}{2}\right] \).

\( f(-2)=4,\; f\left(\frac{3}{2}\right)=\frac{25}{8}. \)

Wartość najmniejsza funkcji \( f \) w przedziale \( \left[-2,\frac{3}{2}\right] \) to \( 0 \), natomiast wartość największa to \( 4 \).

Wykres funkcji \(f(x)=-x^3+3x+2\).
Rysunek 9: Wykres funkcji \(f(x)=-x^3+3x+2\).


Treść zadania:
Należy wyznaczyć wartość najmniejszą i największą funkcji \( f(x)=\sqrt[3]{x^2-2x} \) w przedziale \( [ -1,4] \).

Ostatnio zmieniona Wtorek 27 z Październik, 2015 12:30:40 UTC Autor: Ilona Michalik
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.