Лекции и конспекты по математике Примеры решения задч

   Пример 7.15   Рассмотрим функцию $ f(x)=x^3$. Эта функция дифференцируема всюду и возрастает на всей оси $ \mathbb{R}$: из $ x_1<x_2$ следует, что $ x_1^3<x_2^3$. Однако неверно, что $ f'(x)>0$ при всех $ x\in\mathbb{R}$: действительно, производная $ f'(x)=3x^2$ обращается в 0 при $ x=0$.     

 

Итак, всё, что мы можем гарантировать в случае строгого возрастания (как и в случае нестрогого возрастания, то есть неубывания) -- это нестрогое неравенство $ f'(x)\geqslant 0$.

Практический смысл полученных утверждений о связи возрастания и убывания со знаком производной -- в том, что для того, чтобы найти интервалы возрастания функции $ f(x)$, надо решить относительно $ x$ неравенство $ f'(x)>0$, а чтобы найти интервалы убывания -- решить неравенство $ f'(x)<0$.

        Пример 7.16   Рассмотрим функцию $ f(x)=x^2\ln x$. Её производная такова:
$\displaystyle f'(x)=2x\ln x+x^2\cdot\dfrac{1}{x}= x(2\ln x+1).$
Интервал возрастания функции можно найти из неравенства
$\displaystyle x(2\ln x+1)>0.$
При решении этого неравенства учтём, что в области определения функции $ x>0$, так что нужно решать неравенство $ 2\ln x+1>0$. Отсюда $ x>e^{-\frac{1}{2}}=\dfrac{1}{\sqrt{e}}$. Таким образом, функция $ f(x)$ возрастает на интервале $ (\dfrac{1}{\sqrt{e}};+\infty)$. Нетрудно видеть, что при $ x\in(0;\dfrac{1}{\sqrt{e}})$ выполняется обратное неравенство $ f'(x)<0$, так что на этом интервале функция убывает.     

 


Рис.7.17.График функции $ f(x)=x^2\ln x$

Если два интервала возрастания функции $ f(x)$ примыкают друг к другу, то есть имеют вид $ (a;b)$ и $ (b;c)$, и функция $ f(x)$ непрерывна в точке $ b$, то эти два смежных интервала можно объединить: функция будет возрастать на $ (a;c)$. То же, разумеется, относится и к смежным интервалам убывания функции.

Рис.7.18.Объединение двух смежных интервалов возрастания функции

        Пример 7.17   Рассмотрим функцию $ f(x)=x^3e^x$. Её производная имеет вид
$\displaystyle f'(x)=3x^2e^x+x^3e^x=x^2e^x(3+x).$
Решая неравенство $ f'(x)>0$, получаем: $ x\in(-3;0)\cup(0;+\infty)$; при $ x=0$ функция, очевидно, непрерывна, так что $ f(x)$ возрастает на объединённом интервале, то есть при $ x\in(-3;+\infty)$. Решение неравенства $ f'(x)<0$ даёт только один интервал $ (-\infty;-3)$; на нём функция убывает.     

Рис.7.19.График функции $ f(x)=x^3e^x$

Геометрический смысл связи знака производной с направлением изменения функции легко виден из геометрического смысла производной: если угловой коэффициент касательной к графику $ y=f(x)$ (равный производной) положителен, то угол наклона касательной -- острый, что соответствует графику возрастающей функции. Если же угловой коэффициент отрицателен, то угол наклона касательной -- тупой, и тогда функция убывает.

Рис.7.20.Связь угла наклона касательной с направлением изменения функции

Достаточные условия локального экстремума

В предыдущих примерах мы видели, что хотя необходимое условие не гарантировало наличие экстремума в критической точке, мы смогли исследовать поведение функции в окрестности этой точки и выяснить, имеется ли в ней экстремум и если да, то какого рода. Однако для выяснения этого нам пришлось иной раз прибегать к искусственным преобразованиям функции, которые во общем случае могут быть не очевидны или затруднительны. В данном разделе мы рассмотрим несколько общих теорем, позволяющих исследовать поведение функции в критической точке.

        Теорема 7.5   Пусть $ x_0$ -- критическая точка функции $ f(x)$. Если функция $ f(x)$ не убывает в некоторой левой окрестности $ E_-=(x_0-{\delta}_1;x_0)$ точки $ x_0$ и не возрастает в некоторой её правой окрестности $ E_+=(x_0;x_0+{\delta}_2)$, то точка $ x_0$ -- точка локального максимума.

Если же функция $ f(x)$ не возрастает в некоторой левой окрестности $ {E_-=(x_0-{\delta}_1;x_0)}$ и не убывает в некоторой правой окрестности $ {E_+=(x_0;x_0+{\delta}_2)}$, то точка $ x_0$ -- точка локального минимума.

        Доказательство.     Если $ f(x)$ не убывает в $ E_-$, то $ f(x_0)\geqslant f(x)$ при всех $ x\in E_-$, поскольку из непрерывности $ f(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0-}f(x)$. Точно так же, $ f(x_0)\geqslant f(x)$ при всех $ {x\in E_+}$. Выберем из чисел $ {\delta}_1$ и $ {\delta}_2$ наименьшее: $ {\delta}=\min\{{\delta}_1;{\delta}_2\}$ и рассмотрим симметричную окрестность $ {E=(x_0-{\delta};x_0+{\delta})}$. При $ x\in E$, очевидно, $ f(x)\leqslant f(x_0)$, то есть $ x_0$ -- точка локального максимума.

Вторая половина утверждения теоремы сводится к первой, если положить $ f_1(x)=-f(x)$ и заметить, что функция $ f_1$ не убывает в $ E_-$ и не возрастает в $ E_+$; локальный максимум функции $ f_1$ соответствует локальному минимуму функции $ f$.     

        Замечание 7.4   Найденное достаточное условие локального экстремума гарантирует наличие экстремума в точке $ x_0$. Однако оно не является необходимым: можно найти такую функцию $ f(x)$, которая имеет экстремум (например, минимум) в некоторой точке $ x_0$, однако не монотонна ни в какой левой окрестности и ни в какой правой окрестности этой точки. Примером может служить функция

$\displaystyle f(x)=\left\{\begin{array}{ll} x^2+x^2\sin^2\frac{1}{x},&\mbox{ при }x\ne0;\\ 0,&\mbox{ при }x=0. \end{array}\right. $

График этой функции зажат между двумя параболами $ y=x^2$ и $ y=2x^2$ и в окрестности точки 0 имеет бесконечно много промежутков монотонности, разделённых стационарными точками, так что $ f(x)$ не монотонна ни на каком интервале вида $ (-{\delta};0)$ или $ (0;{\delta})$. В точке 0 функция непрерывна (по теореме "о двух милиционерах") и имеет минимум, так как при всех $ x\ne0$ $ f(x)\geqslant x^2>0$.

Заметим кстати, что производная этой функции равна

$\displaystyle f'(x)=\left\{\begin{array}{ll} 2x+2x\sin^2\frac{1}{x}-\sin\frac{2}{x},&\mbox{ при }x\ne0;\\ 0,&\mbox{ при }x=0. \end{array}\right. $

Эта производная имеет в точке $ x=0$ разрыв второго рода.     

[an error occurred while processing this directive]

        Теорема 7.6   Пусть $ x_0$ -- критическая точка функции $ f(x)$, и у этой функции существует производная $ f'(x)$ в некоторой проколотой окрестности $ {(x_0-{\delta};x_0)\cup(x_0;x_0+{\delta})}$. Если при этом в левой окрестности $ (x_0-{\delta};x_0)$ имеет место неравенство $ f'(x)\geqslant 0$, а в правой окрестности $ (x_0;x_0+{\delta})$ -- неравенство $ f'(x)\leqslant 0$, то точка $ x_0$ -- точка локального максимума; если же в левой окрестности выполнено неравенство $ f'(x)\leqslant 0$, а в правой окрестности -- неравенство $ f'(x)\geqslant 0$, то точка $ x_0$ -- точка локального минимума. Наконец, если производная в левой и в правой окрестности имеет один и тот же знак, то точка $ x_0$ не является точкой локального экстремума.

        Доказательство.     Доказательство первых двух утверждений теоремы сразу же следует из предыдущей теоремы и теоремы 7.2 о связи знака производной с возрастанием и убыванием функции: из неравенства $ f'(x)\geqslant 0$ следует неубывание функции $ f(x)$, а из неравенства $ f'(x)\leqslant 0$ -- её невозрастание. Последнее утверждение теоремы также очевидно.     

Рис.7.25.Связь смены знака производной с локальными экстремумами


Доказанную теорему можно сформулировать следующим образом:

если производная $ f'(x)$ меняет знак с $ +$ на $ -$ при переходе через критическую точку $ x_0$, то в этой точке -- локальный максимум функции $ f(x)$; если знак производной меняется с $ -$ на $ +$, то в точке $ x_0$ -- локальный минимум; если же знак производной при переходе через $ x_0$ не изменяется, то локального экстремума в точке $ x_0$ функция $ f(x)$ не имеет.

Следующая теорема позволяет обойтись для обнаружения экстремума исследованием функции только в точке $ x_0$ (а не в её окрестности, как предыдущие теоремы), но зато требует привлечения второй производной.

        Теорема 7.7   Пусть $ x_0$ -- стационарная точка функции $ f(x)$, и в этой точке существует вторая производная $ f''(x_0)$, причём $ f''(x_0)\ne0$. Тогда при $ f''(x_0)<0$ точка $ x_0$ есть точка локального максимума, а при $ f''(x_0)>0$ -- локального минимума.

        Доказательство.     Поскольку $ f''(x)=(f'(x))'$, то по определению производной

$\displaystyle f''(x_0)=\lim_{x\to x_0}\dfrac{f'(x)-f'(x_0)}{x-x_0}.$

Пусть $ f''(x_0)<0$. Тогда из существования предела следует, что для любого $ x\ne x_0$ из некоторой достаточно малой проколотой окрестности $ E=(x_0-{\delta};x_0)\cup(x_0;x_0+{\delta})$ точки $ x_0$ выполняется то же неравенство для допредельного выражения, то есть

$\displaystyle \dfrac{f'(x)-f'(x_0)}{x-x_0}<0$

при $ x\in E$. Поскольку, по предположению теоремы, $ x_0$ -- стационарная точка, то $ f'(x_0)=0$, откуда $ \dfrac{f'(x)}{x-x_0}<0$, то есть $ f'(x)$ имеет знак, противоположный знаку $ x-x_0$: $ f'(x)>0$ при $ x\in(x_0-{\delta};x_0)$ и $ f'(x)<0$ при $ x\in(x_0;x_0+{\delta})$. Остаётся лишь применить теперь предыдущую теорему, из которой следует, что $ x_0$ -- точка локального максимума.

Доказательство для случая $ f''(x_0)>0$ совершенно аналогично.     

Установить абсолютную сходимость интеграла: .

 Установить условную сходимость при отсутствии абсолютной сходимости в ряде случаев позволяет так называемый признак сходимости Дирихле, в котором исследуется структура подынтегральной функции, если ее можно представить в виде произведения двух функций, а именно: , где  интегрируема и ограничена, то есть:

(7)  ;

а функция  при  непрерывно дифференцируема и монотонна, причем:

(8)  .

При выполнении условий, налагаемых на функции  и  интеграл

(9) 

сходится.

С помощью этого признака условную сходимость интеграла в примере 8 при отсутсвии абсолютной сходимости можно определить следующим образом:

 Имеем интеграл , который не является абсолютно сходящимся.

Математический анализ Типовые расчеты по математике