Исследование функций и их графиков – это тема, которой уделяется особое внимание в рамках школьной программы старших классов. Некоторые основы математического анализа – дифференцирования – включены в профильный уровень экзамена по математике. У некоторых школьников возникают проблемы с этой темой, так как они путают графики функции и производной, а также забывают алгоритмы. В этой статье будут рассмотрены основные типы заданий и способы их решения.
Что такое значение функции?
Математическая функция представляет собой особое уравнение. Оно устанавливает взаимосвязь между числами. Функция зависит от значения аргумента.
Значение функции рассчитывается по заданной формуле. Для этого следует подставить любой аргумент, который соответствует области допустимых значений, в эту формулу на место х и выполнить необходимые математические операции. Какие?
Как можно найти наименьшее значение функции, используя график функции?
Графическое изображение зависимости функции от аргумента называется графиком функции. Он строится на плоскости с определенным единичным отрезком, где по горизонтальной оси абсцисс откладывается значение переменной, или аргумента, а по вертикальной оси ординат – соответствующее ему значение функции.
Чем больше значение аргумента, тем правее он лежит на графике. И чем больше значение самой функции, тем выше находится точка.
О чем это говорит? Самым маленьким значением функции будет являться точка, которая лежит ниже всего на графике. Для того чтобы найти его на отрезке графика, нужно:
1) Найти и отметить концы этого отрезка.
2) Визуально определить, какая точка на этом отрезке лежит ниже всего.
3) В ответ записать ее числовое значение, которое можно определить, спроецировав точку на ось ординат.
Точки экстремума на графике производной. Где искать?
Однако при решении задач иногда дан график не функции, а ее производной. Для того чтобы случайно не допустить глупую ошибку, лучше внимательно читать условия, так как от этого зависит, где нужно искать точки экстремума.
Итак, производная - это мгновенная скорость возрастания функции. Согласно геометрическому определению производная соответствует угловому коэффициенту касательной, которая непосредственно проведена к данной точке.
Известно, что в точках экстремума касательная параллельна оси Ox. Это значит, что ее угловой коэффициент - 0.
Из этого можно сделать вывод, что в точках экстремума производная лежит на оси абсцисс или обращается в ноль. Но кроме того, в этих точках функция меняет свое направление. То есть после периода возрастания начинает убывать, а производная, соответственно, сменяется с положительной на отрицательную. Или наоборот.
Если производная из положительной становится отрицательной - это точка максимума. Если из отрицательной становится положительной - точка минимума.
Важно: если в задании требуется указать точку минимума или максимума, то в ответ следует записать соответствующее значение по оси абсцисс. Но в случае, если требуется найти значение функции, то предварительно нужно подставить соответствующее значение аргумента в функцию и рассчитать его.
Как находить точки экстремума с помощью производной?
Рассмотренные примеры в основном относятся к заданию под номером 7 экзамена, которое подразумевает работу с графиком производной или первообразной. А вот задание 12 ЕГЭ – найти наименьшее значение функции на отрезке (иногда – наибольшее) – выполняется без каких-либо чертежей и требует базовых навыков математического анализа.
Для его выполнения нужно уметь находить точки экстремума с помощью производной. Алгоритм их нахождения таков:
- Найти производную от функции.
- Приравнять ее к нулю.
- Найти корни уравнения.
- Проверить, являются ли полученные точки точками экстремума или перегиба.
Для этого нужно начертить схему и на получившихся промежутках определить знаки производной, подставляя числа, принадлежащие отрезкам, в производную. Если при решении уравнения вы получили корни двойной кратности – это точки перегиба.
- Применив теоремы, определить какие точки являются точками минимума, а какие – максимума.
Вычисление наименьшего значения функции с применением производной
Однако, выполнив все эти действия, мы найдем значения точек минимума и максимума по оси абсцисс. Но как найти наименьшее значение функции на отрезке?
Что необходимо сделать для того, чтобы найти число, которому соответствует функция в конкретной точке? Нужно подставить в данную формулу значение аргумента.
Точки минимума и максимума соответствуют наименьшему и наибольшему значению функции на отрезке. Значит, чтобы найти значение функции, нужно рассчитать функцию, используя полученные значения х.
Важно! Если в задании требуется указать точку минимума или максимума, то в ответ следует записать соответствующее значение по оси абсцисс. Но в случае, если нужно найти значение функции, то предварительно следует подставить соответствующее значение аргумента в функцию и выполнить необходимые математические операции.
Что делать, если на данном отрезке отсутствуют точки минимума?
Но как найти наименьшее значение функции на отрезке, на котором отсутствуют точки экстремума?
Это значит, что на нем функция монотонно убывает или возрастает. Тогда в функцию нужно подставить значение крайних точек этого отрезка. Есть два пути.
1) Рассчитав производную и промежутки, на которых она положительна или отрицательна, сделать вывод о том, убывает функция на данном отрезке или возрастает.
В соответствии с ними подставить в функцию большее или меньшее значение аргумента.
2) Просто подставить в функцию обе точки и сравнить полученные значения функции.
В каких заданиях нахождение производной необязательно
Как правило, в заданиях ЕГЭ все же нужно находить производную. Есть только пара исключений.
1) Парабола.
Вершина параболы находится по формуле.
Если a < 0, то ветви параболы направлены вниз. И ее вершина является точкой максимума.
Если a > 0, то ветви параболы направлены вверх, вершина – точка минимума.
Рассчитав точку вершины параболы, следует подставить ее значение в функцию и вычислить соответствующее значение функции.
2) Функция y = tg x. Или y = ctg x.
Эти функции являются монотонно возрастающими. Поэтому, чем больше значение аргумента, тем больше значение самой функции. Далее мы рассмотрим, как найти наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке с примерами.
Основные типы заданий
Задание: наибольшее или наименьшее значение функции. Пример на графике.
На рисунке вы видите график производной функции f (x) на интервале [-6; 6]. В какой точке отрезка [-3; 3] f (x) принимает наименьшее значение?
Итак, для начала следует выделить указанный отрезок. На нем функция один раз принимает нулевое значение и меняет свой знак – это точка экстремума. Так как производная из отрицательной становится положительной, значит, это точка минимума функции. Этой точке соответствует значение аргумента 2.
Ответ: 2.
Продолжаем рассматривать примеры. Задание: найти наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке.
Найдите наименьшее значение функции y = (x - 8) ex-7 на отрезке [6; 8].
1. Взять производную от сложной функции.
y' (x) = (x - 8) ex-7 = (x - 8)' (ex-7) + (x - 8) (ex-7)' = 1 * (ex-7) + (x - 8) (ex-7) = (1 + x - 8) (ex-7) = (x - 7) (ex-7)
2. Приравнять полученную производную к нулю и решить уравнение.
y' (x) = 0
(x - 7) (ex-7) = 0
x - 7 = 0, или ex-7 = 0
x = 7; ex-7 ≠ 0, нет корней
3. Подставить в функцию значение крайних точек, а также полученные корни уравнения.
y (6) = (6 - 8) e6-7 = -2e-1
y (7) = (7 - 8) e7-7 = -1 * e0 = -1 * 1 = -1
y (8) = (8 - 8) e8-7 = 0 * e1 = 0
Ответ: -1.
Итак, в этой статье была рассмотрена основная теория о том, как найти наименьшее значение функции на отрезке, необходимая для успешного решения заданий ЕГЭ по профильной математике. Также элементы математического анализа применяются при решении заданий из части С экзамена, но очевидно, они представляют иной уровень сложности, и алгоритмы их решений сложно уместить в рамки одного материала.
