- •Лекція 13. Необхідна і достатні умови локального екстремума функції План
- •1. Стаціонарні точки функції. Необхідна умова локального екстремума функції
- •2. Перша достатня умова локального екстремума
- •3. Друга і третя достатні умови локального екстремума
- •4. Найменше й найбільше значення функції на сегменті
- •5. Опуклі функції і точки перегину
- •Питання
3. Друга і третя достатні умови локального екстремума
Теорема 2 (друга достатня
умова локального екстремума).
Нехай функція
визначена на
,
,
і виконуються умови:
1.
;
2. існує
,
тоді
має локальний екстремум в точці
,
а саме
локальний максимум, якщо
;локальний мінімум, якщо
.
Друга достатня умова є частковим випадком третьої достатньої умови локального екстремума.
Нехай функція
визначена на
і
разів диференційована в точці
,
і виконуються умови:
,
(1)
.
Скористаємося для
формулою Тейлора з залишковим членом
в формі Пєано:
![]()
,
,
яка, враховуючи умови (1), приймає вигляд:
![]()
,
.
(2)
Запишемо залишковий член в наступному вигляді:
,
де
.
Тоді з (2) отримаємо:
![]()
![]()
.
(3)
Оскільки
,
то для будь-яких
,
достатньо близьких до
маємо:
.
Розглянемо два можливі
випадки для значення
.
1. Нехай
- парне, тобто
.
Припустимо, що
.
Тоді при переході через
права частина (3) буде зберігати знак
«+», тобто при всіх
,
достатньо близьких до
,
маємо:
,
тобто в точці
функція має локальний мінімум.
Аналогічно отримаємо, що
коли
і
,
то
має в точці
локальний максимум.
2. Нехай
- непарне, тобто
.
Припустимо, що
.
Тоді для
в достатньо малому околі
маємо:
,
(4)
а для
в достатньо малому околі
маємо:
.
(5)
З (4) і (5) витікає, що екстремума
в точці
немає.
Ми довели наступну теорему.
Теорема 3 (третя достатня
умова локального екстремума).
Нехай функція
визначена на
і
разів диференційована в точці
,
і виконуються умови (1). Тоді якщо
- парне, то
має
локальний екстремум в точці
(локальний максимум, коли
,
локальний мінімум, коли
).
Якщо
- непарне, то екстремума в точці
немає.
4. Найменше й найбільше значення функції на сегменті
Нехай функція
визначена і неперервна
на
,
диференційована в
,
за виключенням скінченної кількості
точок. За першою і другою теоремами
Вейєрштрасса вона обмежена і досягає
на цьому сегменті своїх точних верхньої
і нижньої меж, які є її найбільшим і
найменшим значеннями на цьому сегменті.
Треба ці значення знайти.
Припустимо, що
не має на
точок, де
,
чи
не існує. Це означає, що
зберігає свій знак скрізь на
,
а функція
- строго монотонна на
.
Тоді найменше і найбільше значення вона
буде приймати на кінцях сегмента
.
Якщо
на
сегменті
має скінченну кількість точок
,
де
не існує, чи дорівнює нулю, то ці точки
розбивають сегмент
на часткові сегменти:
,
в кожному з яких вже нема таких точок,
де
,
чи
не існує, а тому
- строго монотонна на кожному з
,
а тому найменше і найбільше значення
вона буде приймати на кінцях
.
Таким чином, для того, щоб
знайти найбільше і найменше значення
неперервної на сегменті
функції треба:
1. Знайти похідну функції
на
;
2. Знайти всі стаціонарні
точки функції, і точки, в яких
не існує, що належать
.
Позначимо ці точки
;
3. Обчислити значення
;
4. Порівняти всі значення, отримані на попередньому кроці, і обрати найменше і найбільше.
Приклад.
Для функції
знайти її найменше і найбільше значення
на сегменті
.
На
функція є неперервною. Виконаємо
послідовно всі 4 дії, перераховані вище:
1.
;
2. Похідна не існує там, де її знаменник дорівнює 0:
.
Стаціонарні точки функції визначаються при рішенні рівняння:
.
Таким чином, на наступному
кроці треба буде обчислити значення
функції в точках:
.
3.
.
4. Обираємо найбільше і
найменше значення з отриманих на
попередньому кроці. Найбільше значення
на сегменті
функція
приймає в точці
,
і це значення
,
найменше значення -
.
