Monotoniczność, ekstrema i wartości największe: teoria i zadania maturalne
Jak z pochodnej odczytać, gdzie funkcja rośnie, a gdzie maleje, jak znaleźć maksima i minima lokalne oraz największą i najmniejszą wartość funkcji w przedziale domkniętym.
Teoria
Pochodna a monotoniczność
Jeśli w przedziale:
f′(x)>0: funkcja rosnąca,
f′(x)<0: funkcja malejąca.
f(x)=x3−3x i jej pochodna f′(x)=3x2−3 (przerywana): gdzie f′>0, f rośnie, a gdzie f′<0, maleje. Zera pochodnej, ±1, to ekstrema.
Ekstrema lokalne
Funkcja ma w x0maksimum lokalne, gdy w pobliżu x0 wszystkie wartości są nie większe od f(x0) (minimum: nie mniejsze).
Warunek konieczny: jeśli f ma ekstremum w x0 i jest tam różniczkowalna, to f′(x0)=0. Warunek wystarczający:f′zmienia znak w x0: z + na −: maksimum, z − na +: minimum.
f′(x) = 3x² − 3: dodatnia dla |x| > 1 (funkcja rośnie), ujemna dla |x| < 1 (maleje).
f′(x0)=0 to jeszcze nie ekstremum
f(x)=x3 ma f′(0)=0, ale pochodna 3x2 nie zmienia znaku: w 0 nie ma ekstremum (wykres ma tam „płaski” punkt przegięcia). Zawsze sprawdź zmianę znaku!
Schemat badania funkcji
Dziedzina.
Pochodna f′(x), najlepiej w postaci iloczynowej.
Miejsca zerowe pochodnej i jej znak (wężyk / parabola).
Tabela: przedziały monotoniczności, ekstrema i ich wartości.
x
(−∞,−1)
−1
(−1,1)
1
(1,∞)
f′(x)
+
0
−
0
+
f(x)
rośnie
max 2
maleje
min −2
rośnie
Wartość największa i najmniejsza w przedziale ⟨a,b⟩
Funkcja ciągła na przedziale domkniętym osiąga swoje wartości największą i najmniejszą. Kandydaci:
wartości na końcach przedziału f(a), f(b),
wartości w punktach krytycznych (f′(x)=0) leżących wewnątrz przedziału.
Porównaj wszystkie liczby.
Na maturze rozszerzonej
Badanie monotoniczności i ekstremów to obowiązkowa część zadania optymalizacyjnego. Zapisz znak pochodnej i wyciągnij wniosek słowami („pochodna zmienia znak z dodatniego na ujemny, więc…”).
Wzory
Monotoniczność z pochodnej
f′>0⇒f↗,f′<0⇒f↘
Znak pochodnej w przedziale.
Warunek konieczny ekstremum
f′(x0)=0
Punkty krytyczne: kandydaci na ekstrema.
Warunek wystarczający
f′zmienia znak:+→−max,−→+min
Ekstremum jest tam, gdzie pochodna zmienia znak.
Wartości ekstremalne w przedziale
max/min{f(a),f(b),f(xk)},xk∈(a,b),f′(xk)=0
Porównaj wartości na końcach i w punktach krytycznych.
Przykłady rozwiązane krok po kroku
Przykład 1
Wyznacz przedziały monotoniczności i ekstrema funkcji f(x)=x2+1x.
D=R. f′(x)=(x2+1)21⋅(x2+1)−x⋅2x=(x2+1)21−x2. Mianownik dodatni, znak zależy od 1−x2: dodatni dla x∈(−1,1), ujemny dla ∣x∣>1. Malejąca w (−∞,−1⟩ i ⟨1,+∞), rosnąca w ⟨−1,1⟩. Minimum w x=−1: f(−1)=−21; maksimum w x=1: f(1)=21.
xy−5−4−3−2−112345−1−0,50,510y = x/(x² + 1)minmax
Wykres f(x)=x2+1x: maleje do minimum (−1,−21), rośnie do maksimum (1,21) i znów maleje.
min −21 (dla x=−1), max 21 (dla x=1)
Przykład 2
Wyznacz największą i najmniejszą wartość funkcji f(x)=x3−3x2+1 w przedziale ⟨−1,3⟩.
f′(x)=3x2−6x=3x(x−2), zera 0 i 2 (oba wewnątrz przedziału). f(−1)=−3, f(0)=1, f(2)=−3, f(3)=1.
Na ⟨−1,3⟩ (linia ciągła) największa wartość 1 jest w x=0 i na końcu x=3, a najmniejsza −3 w x=−1 i w x=2.
Największa wartość 1 (dla x=0 i x=3), najmniejsza −3 (dla x=−1 i x=2).
Zadania maturalne z rozwiązaniami
Zadanie 1 (1 pkt)
Funkcja f(x)=x3−12x jest malejąca w przedziale
⟨−2,2⟩
⟨2,+∞)
(−∞,−2⟩
⟨0,12⟩
Odpowiedź: A
Rozwiązanie
3x2−12<0⟺x2<4⟺x∈(−2,2); z końcami: ⟨−2,2⟩.
Odpowiedź A
Zadanie 2 (1 pkt)
Funkcja f(x)=x3+3x ma
dwa ekstrema lokalne
jedno maksimum lokalne
jedno minimum lokalne
żadnego ekstremum lokalnego
Odpowiedź: D
Rozwiązanie
f′(x)=3x2+3>0 zawsze: funkcja rosnąca, brak ekstremów.
Odpowiedź D
Zadanie 3 (1 pkt)
Funkcja f ma pochodną f′(x)=(x−1)2(x+2). Funkcja f ma
maksimum w x=1
minimum w x=−2 i brak ekstremum w x=1
minimum w x=1
ekstrema w x=1 i x=−2
Odpowiedź: B
Rozwiązanie
Znak f′ to znak x+2 (poza x=1): ujemny dla x<−2, dodatni dla x>−2. W x=−2 zmiana −→+: minimum. W x=1 brak zmiany znaku.
Odpowiedź B
Zadanie 4 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=x3−3x.
Odpowiedź: maksimum 2 dla x=−1, minimum −2 dla x=1
Rozwiązanie
f′(x)=3x2−3=3(x−1)(x+1): + dla x<−1, − dla −1<x<1, + dla x>1. Maksimum: f(−1)=−1+3=2; minimum: f(1)=1−3=−2.
max 2 (x=−1), min −2 (x=1)
Zadanie 5 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=x4−2x2.
Odpowiedź: minima −1 dla x=±1, maksimum 0 dla x=0
Rozwiązanie
f′(x)=4x(x−1)(x+1), znaki od prawej: +,−,+,−. Minimum w ±1: f(±1)=1−2=−1; maksimum w 0: f(0)=0.
min −1 (x=±1), max 0 (x=0)
Zadanie 6 (3 pkt)
Wyznacz największą i najmniejszą wartość funkcji f(x)=x3−3x w przedziale ⟨0,2⟩.
Odpowiedź: największa 2, najmniejsza −2
Rozwiązanie
Największa i najmniejsza wartość w przedziale domkniętym mogą być tylko w punktach, gdzie f′(x)=0, albo na końcach przedziału.
Krok 1: pochodna i jej miejsca zerowe:
f′(x)=3x2−3=0,x2=1,x=1lubx=−1.
Do przedziału ⟨0,2⟩ należy tylko x=1.
Krok 2: wartości w kandydatach:
f(0)=0,f(1)=1−3=−2,f(2)=8−6=2.
Największa 2 (dla x=2), najmniejsza −2 (dla x=1).
max 2 (dla x=2), min −2 (dla x=1)
Zadanie 7 (3 pkt)
Wyznacz najmniejszą wartość funkcji f(x)=x+x4 dla x>0.
Odpowiedź: 4 (dla x=2)
Rozwiązanie
f′(x)=x2x2−4: ujemna dla 0<x<2, dodatnia dla x>2: minimum w x=2: f(2)=2+2=4.
4
Zadanie 8 (4 pkt)
Funkcja f(x)=x3+ax2+b ma w punkcie x=2 ekstremum równe −1. Wyznacz a i b oraz określ rodzaj tego ekstremum.
Odpowiedź: a=−3, b=3; minimum
Rozwiązanie
f′(2)=12+4a=0⇒a=−3. f(2)=8−12+b=−1⇒b=3. f′(x)=3x2−6x=3x(x−2) zmienia znak w 2 z − na +: minimum.
a=−3, b=3, minimum
Zadanie 9 (2 pkt)
Wyznacz przedziały monotoniczności funkcji f(x)=x3−6x2+9x+1 i jej ekstrema.
Odpowiedź: rosnąca w (−∞,1⟩ i ⟨3,∞), malejąca w ⟨1,3⟩; max 5, min 1
Rozwiązanie
f′(x)=3(x−1)(x−3): + poza ⟨1,3⟩, − wewnątrz. f(1)=1−6+9+1=5 (max), f(3)=27−54+27+1=1 (min).
max 5 (x=1), min 1 (x=3)
Zadanie 10 (1 pkt)
Jeśli f′(x)>0 dla każdego x∈R, to funkcja f
ma maksimum w x=0
jest stała
jest rosnąca w R
jest malejąca w R
Odpowiedź: C
Rozwiązanie
Znak pochodnej mówi, co robi funkcja: f′>0 to funkcja rośnie, f′<0 to maleje. Skoro f′(x)>0 dla każdego x, funkcja rośnie na całej osi i nie ma żadnego ekstremum.