Краткое содержание
Этот урок объединяет результаты предшествующих уроков в метод нахождения экстремумов функции. Он называет абсолютными максимум и минимум функции на её области определения, чтобы отличить их от локальных, и определяет строгие экстремумы. Затем он доказывает два признака, которые решают, является ли точка с нулевой производной точкой локального экстремума, без исследования знака производной в её окрестности: признак экстремума по второй производной, который вытекает из признака по первой производной, и признак по производным высших порядков, который вытекает из правила Лопиталя: если первая производная, не обращающаяся в нуль в этой точке, имеет чётный порядок, экстремум есть, а если нечётный, его нет. Вторая половина урока посвящена абсолютным экстремумам. На отрезке они существуют по теореме Вейерштрасса, а теорема Ферма ограничивает их списком кандидатов, концами отрезка и критическими точками, среди которых достаточно сравнить значения. На интервале или неограниченном промежутке их может не быть, и вопрос решается с помощью монотонности или пределов на концах промежутка; в частности, если непрерывная на промежутке функция имеет единственную критическую точку и достигает в ней локального экстремума, этот экстремум абсолютный.
Цели обучения
- Различать с помощью кванторов абсолютные экстремумы и локальные, строгие и нестрогие, и распознавать каждый случай на примерах.
- Доказывать признаки экстремума по второй производной и по производным высших порядков и решать с их помощью, является ли точка с нулевой производной точкой локального максимума, локального минимума или ни того ни другого, даже когда вторая производная обращается в нуль.
- Находить абсолютные экстремумы непрерывной на отрезке функции, сравнивая её значения на концах отрезка и в критических точках.
- Решать, достигает ли функция своих абсолютных экстремумов на интервале или неограниченном промежутке, с помощью монотонности, единственной критической точки или пределов на концах промежутка.
Абсолютные, локальные и строгие экстремумы
Урок о теореме Вейерштрасса определил наибольшее и наименьшее значения функции на множестве, а урок о теоремах Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши определил локальные экстремумы, которые сравнивают значение в точке лишь с близкими значениями. Теперь уместно дать первым название, отличающее их от вторых, и уточнить, когда значение в точке больше всех остальных значений, с которыми его сравнивают, а не только больше или равно им.
Пусть есть функция, определённая на множестве , и есть элемент . Говорят, что имеет в точке абсолютный максимум, если она достигает в точке своего наибольшего значения на , и абсолютный минимум, если она достигает в точке своего наименьшего значения на , в смысле урока о теореме Вейерштрасса; абсолютный экстремум есть абсолютный максимум или абсолютный минимум. Абсолютный или локальный максимум называется строгим, если больше каждого из остальных значений, с которыми его сравнивают:
Первая формула определяет строгий абсолютный максимум, а вторая строгий локальный максимум; строгие минимумы определяются так же, с .
Абсолютные экстремумы называют также глобальными, а локальные относительными. Всякий абсолютный экстремум является локальным, при любом , и всякий строгий экстремум является экстремумом; обратные утверждения неверны. Функция имеет в точке локальный максимум, который не является абсолютным, как было показано в уроке о теоремах Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши. Косинус достигает своего абсолютного максимума на в каждом кратном ; ни один из этих максимумов не является строгим абсолютным, так как значение повторяется, и каждый из них является строгим локальным, так как при . Постоянная функция имеет в каждой точке абсолютный максимум и абсолютный минимум, и ни один из них не строгий. Вообще, если имеет в точке одновременно локальный максимум и локальный минимум, она постоянна вблизи . Наибольшее значение, если оно существует, единственно; строгий абсолютный максимум, кроме того, достигается лишь в одной точке.
Экстремумы зависят от области определения. Если имеет экстремум в точке и есть подмножество , содержащее , то сужение на тоже имеет в ней экстремум, так как сравнение идёт с меньшим числом значений; обратное неверно: достигает на своего абсолютного минимума в точке , а на не имеет в точке никакого экстремума.
Загрузка содержимого…