Применение производной к исследованию функций и построению графиков

Подготовка к экзамену «Элементы высшей математики» · Вопрос №8 · 50 задач

Часть I. Теория

1. Монотонность функции

Пусть функция \(f(x)\) непрерывна на промежутке и дифференцируема внутри него. Знак производной определяет характер монотонности.

Признак монотонности:

если \(f'(x)>0\) на интервале \((a;b)\), то \(f(x)\) возрастает на этом интервале;

если \(f'(x)<0\) на интервале \((a;b)\), то \(f(x)\) убывает на этом интервале.

Для нахождения интервалов монотонности находят производную, определяют точки, где \(f'(x)=0\) или не существует, и исследуют знак \(f'(x)\) на полученных интервалах.

2. Экстремумы функции

Критические точки — внутренние точки области определения, в которых \(f'(x)=0\) или \(f'(x)\) не существует. Точки, где \(f'(x)=0\), называют также стационарными.

Необходимое условие экстремума (теорема Ферма): если \(x_0\) — точка экстремума и в ней существует производная, то \(f'(x_0)=0\).

Обратное неверно: например, у \(y=x^3\) в точке \(x=0\) производная равна нулю, но экстремума нет. Поэтому нужны достаточные условия.

Первое достаточное условие: если при переходе через критическую точку \(x_0\) производная меняет знак с «\(+\)» на «\(-\)», то \(x_0\) — точка максимума; если с «\(-\)» на «\(+\)» — точка минимума. Если знак не меняется, экстремума нет.

Второе достаточное условие: пусть \(f'(x_0)=0\) и существует \(f''(x_0)\ne 0\). Тогда:

если \(f''(x_0)<0\), то \(x_0\) — точка максимума;

если \(f''(x_0)>0\), то \(x_0\) — точка минимума.

3. Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке

Непрерывная на отрезке \([a;b]\) функция достигает на нём наибольшего и наименьшего значений (теорема Вейерштрасса) — либо в критических точках, либо на концах отрезка.

Алгоритм:

1) найти \(f'(x)\) и критические точки функции;

2) отобрать критические точки, принадлежащие интервалу \((a;b)\);

3) вычислить значения функции в отобранных точках и на концах: \(f(a)\), \(f(b)\);

4) из полученных чисел выбрать наибольшее \(\max\limits_{[a;b]} f(x)\) и наименьшее \(\min\limits_{[a;b]} f(x)\).

4. Выпуклость, вогнутость, точки перегиба

Если \(f''(x)<0\) на интервале, то график функции выпуклый вверх (выпуклый);

если \(f''(x)>0\) на интервале, то график выпуклый вниз (вогнутый).

Точка перегиба — точка графика, при переходе через которую направление выпуклости меняется; в ней \(f''(x)=0\) или \(f''(x)\) не существует, а знак \(f''\) при переходе меняется.

5. Асимптоты графика функции

Вертикальная асимптота \(x=a\): хотя бы один из односторонних пределов бесконечен, \(\lim\limits_{x\to a^\pm} f(x)=\pm\infty\) (обычно \(a\) — точка разрыва второго рода).

Горизонтальная асимптота \(y=b\): \(\lim\limits_{x\to\pm\infty} f(x)=b\).

Наклонная асимптота \(y=kx+b\), где

\[ k=\lim_{x\to\pm\infty}\frac{f(x)}{x},\qquad b=\lim_{x\to\pm\infty}\bigl(f(x)-kx\bigr). \]

Если оба предела конечны (и \(k\ne 0\)), наклонная асимптота существует; при \(k=0\) получаем горизонтальную асимптоту.

6. Общая схема исследования функции

1) Найти область определения функции.

2) Исследовать на чётность/нечётность и периодичность.

3) Найти точки пересечения графика с осями координат.

4) Найти точки разрыва и асимптоты (вертикальные, горизонтальные, наклонные).

5) Найти \(f'(x)\), интервалы монотонности и точки экстремума, вычислить значения в экстремумах.

6) Найти \(f''(x)\), интервалы выпуклости и точки перегиба.

7) При необходимости вычислить дополнительные точки и построить график.

Разобранные примеры

Пример 1. Найти интервалы монотонности и экстремумы функции \(y=x^3-3x^2\).

Область определения — вся числовая прямая. Находим производную:

\[ y'=3x^2-6x=3x(x-2). \]

Критические точки: \(y'=0\) при \(x=0\) и \(x=2\). Определяем знак производной:

Интервал\((-\infty;0)\)\((0;2)\)\((2;+\infty)\)
Знак \(y'\)\(+\)\(-\)\(+\)
Поведение \(y\)возрастаетубываетвозрастает

В точке \(x=0\) производная меняет знак с «\(+\)» на «\(-\)»: это точка максимума, \(y_{\max}=y(0)=0\). В точке \(x=2\) знак меняется с «\(-\)» на «\(+\)»: точка минимума, \(y_{\min}=y(2)=8-12=-4\).

Ответ: возрастает на \((-\infty;0]\) и \([2;+\infty)\), убывает на \([0;2]\); \(y_{\max}=0\) при \(x=0\), \(y_{\min}=-4\) при \(x=2\).

Пример 2. Найти наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x^3-3x+1\) на отрезке \([0;3]\).

1) \(y'=3x^2-3=3(x-1)(x+1)\); критические точки \(x=1\) и \(x=-1\).

2) Отрезку \([0;3]\) принадлежит только \(x=1\).

3) Вычисляем значения: \(y(0)=1\); \(y(1)=1-3+1=-1\); \(y(3)=27-9+1=19\).

4) Сравниваем: \(\max\limits_{[0;3]} y = y(3)=19\), \(\min\limits_{[0;3]} y = y(1)=-1\).

Ответ: наибольшее значение \(19\) при \(x=3\), наименьшее \(-1\) при \(x=1\).

Пример 3. Найти асимптоты графика функции \(y=\dfrac{x^2}{x-1}\).

Область определения: \(x\ne 1\). В точке \(x=1\) — разрыв второго рода:

\[ \lim_{x\to 1^-}\frac{x^2}{x-1}=-\infty,\qquad \lim_{x\to 1^+}\frac{x^2}{x-1}=+\infty, \]

значит, \(x=1\) — вертикальная асимптота. Горизонтальной асимптоты нет, так как \(\lim\limits_{x\to\pm\infty} y=\pm\infty\). Ищем наклонную \(y=kx+b\):

\[ k=\lim_{x\to\infty}\frac{x^2}{x(x-1)}=1,\qquad b=\lim_{x\to\infty}\left(\frac{x^2}{x-1}-x\right)=\lim_{x\to\infty}\frac{x}{x-1}=1. \]

Ответ: вертикальная асимптота \(x=1\), наклонная асимптота \(y=x+1\).

Часть II. Задачи (50)

Уровень А — базовый (№ 1–20)
  1. Найдите интервалы монотонности функции \(y=x^2-4x+3\).
  2. Найдите интервалы монотонности и точки экстремума функции \(y=x^3-3x\).
  3. Найдите экстремумы функции \(y=2x^3-9x^2+12x-3\).
  4. Найдите интервалы возрастания и убывания функции \(y=x^3+3x^2-9x+1\).
  5. Найдите точки экстремума функции \(y=x^4-2x^2\).
  6. Найдите интервалы монотонности функции \(y=3x^4-4x^3\).
  7. Найдите экстремумы функции \(y=x^3-6x^2+9x+2\).
  8. Докажите, что функция \(y=x^3+2x-5\) возрастает на всей числовой прямой.
  9. Найдите точки экстремума функции \(y=-x^3+3x^2+9x-1\).
  10. Найдите интервалы монотонности функции \(y=x^4-4x^3+4x^2\).
  11. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x^2-6x+5\) на отрезке \([0;4]\).
  12. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x^3-3x^2+2\) на отрезке \([-1;4]\).
  13. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x^3-12x+7\) на отрезке \([0;3]\).
  14. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x^4-8x^2+5\) на отрезке \([-1;3]\).
  15. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=2x^3+3x^2-12x\) на отрезке \([-3;2]\).
  16. Найдите интервалы выпуклости и вогнутости графика функции \(y=x^3-6x^2+4x-1\).
  17. Найдите точку перегиба графика функции \(y=x^3+3x^2-2x+5\).
  18. Найдите интервалы выпуклости и точки перегиба графика функции \(y=x^3-12x^2+5x\).
  19. Найдите точки перегиба графика функции \(y=x^4-6x^2+3\).
  20. Найдите интервалы выпуклости, вогнутости и точку перегиба графика функции \(y=2x^3-3x^2+x-4\).
Уровень Б — средний (№ 21–40)
  1. Найдите интервалы монотонности и экстремумы функции \(y=\dfrac{x}{x^2+1}\).
  2. Найдите интервалы монотонности и экстремумы функции \(y=\dfrac{x^2+4}{x}\).
  3. Найдите экстремумы функции \(y=\dfrac{x^2}{x-2}\).
  4. Найдите интервалы монотонности функции \(y=\dfrac{x-1}{x+2}\).
  5. Найдите экстремумы функции \(y=x+\dfrac{9}{x}\).
  6. Найдите интервалы монотонности и экстремумы функции \(y=x\,e^{x}\).
  7. Найдите экстремумы функции \(y=x^2 e^{-x}\).
  8. Найдите интервалы монотонности функции \(y=e^{x}-x\).
  9. Найдите экстремумы функции \(y=x-2\ln x\).
  10. Найдите интервалы монотонности и экстремумы функции \(y=x^2-8\ln x\).
  11. Найдите экстремумы функции \(y=\dfrac{\ln x}{x}\).
  12. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x\,e^{-x}\) на отрезке \([0;2]\).
  13. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции \(y=x-\ln x\) на отрезке \(\left[\tfrac12; e\right]\).
  14. Найдите все асимптоты графика функции \(y=\dfrac{2x+3}{x-1}\).
  15. Найдите все асимптоты графика функции \(y=\dfrac{x^2+1}{x}\).
  16. Найдите все асимптоты графика функции \(y=\dfrac{x^2-3x}{x+2}\).
  17. Найдите все асимптоты графика функции \(y=\dfrac{3x^2}{x^2-4}\).
  18. Найдите все асимптоты графика функции \(y=x+\dfrac{1}{x-2}\).
  19. С помощью второй производной исследуйте на экстремум функцию \(y=x^3-3x^2-9x+5\).
  20. С помощью второй производной исследуйте на экстремум функцию \(y=2x^3-15x^2+36x-14\).
Уровень В — повышенный (№ 41–50)
  1. Проведите полное исследование функции \(y=\dfrac{x^2}{x-1}\) и постройте её график.
  2. Проведите полное исследование функции \(y=\dfrac{x^2+1}{x^2-1}\) и постройте её график.
  3. Проведите полное исследование функции \(y=\dfrac{x^3}{x^2-1}\) и постройте её график.
  4. Проведите полное исследование функции \(y=x\,e^{-x}\) и постройте её график.
  5. Проведите полное исследование функции \(y=x-\ln x\) и постройте её график.
  6. Проведите полное исследование функции \(y=\dfrac{4x}{x^2+4}\) и постройте её график.
  7. Из всех прямоугольников с периметром 40 см найдите тот, площадь которого наибольшая. Укажите его стороны и площадь.
  8. Требуется изготовить закрытый цилиндрический бак объёмом \(16\pi\) дм\(^3\). Каковы должны быть радиус основания и высота цилиндра, чтобы полная поверхность бака была наименьшей?
  9. Представьте число 36 в виде суммы двух положительных слагаемых так, чтобы их произведение было наибольшим.
  10. Найдите положительное число, сумма которого с числом, обратным его учетверённому значению (то есть \(x+\dfrac{1}{4x}\)), наименьшая.