Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Герасимович(математический анализ)

.pdf
Скачиваний:
468
Добавлен:
31.05.2015
Размер:
5.61 Mб
Скачать

Пример 5.26. Вычислить е0,1 с точностью до 0,001. Р е ш е н и е . Запишем формулу М аклорена для ех:

 

 

„н

 

 

 

рЬх

 

 

+ т г + т

+ - + * - +

 

* • « - т г + п г * " ' ’ 0 < е < 1

При х = 0,1 имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

+ т

+ т + щ _

 

 

 

 

 

1 !

2 !

"

л!

'

 

Погрешность

приближения ие

должна превышать 0,001, следовательно,

 

 

 

 

ео10(О 01У+ |

 

 

 

 

 

* ■ « -------5 r t i 5 i - < 0 -°0L

 

 

Поскольку е010 < 2,

 

2

 

 

 

п = I, 2, 3.........

иахо-

т о ------ л ------------- < 0 ,0 0 1 . Полагая

3

 

10"+ (л + I)!

 

 

 

 

 

дим, что последнее неравенство выполняется, начиная с п = 3.

 

Итак, с точностью до 0,001

 

 

 

 

 

 

В частном

случае при

п = 1

функция

f(x)

аппроксимируется

многочленом первой степени

 

 

 

 

 

 

 

f ( x ) « f ( x о) + f ' ( x о) ( х — Х о )

 

 

с погрешностью

 

 

 

 

 

 

 

 

Ri(x ) —

(х — х 0)2, х0 <

I <

х -

(5.29)

Так как

по

определению

х

х 0 =

Д д с ,

f'( x 0)A x = d f(x 0),

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К*) * / Ы

+

 

 

 

 

Погрешность, возникающая при применении такой приближен­ ной формулы, не превышает модуля остатка /?г(дс), задаваемого формулой (5.29).

Пример 5.27. Найти с помощью дифференциала функции площадь

5 круга

радиусом г = 1,01. Оценить погрешность вычисления.

 

 

 

Р е ш е н и е . Площ адь

круга

S = nr2. Полагая

г0 = 1 ,

Дг = 0,01 и

заменяя

приращение функции S = S(r) ее дифференциалом, имеем:

 

 

S (г)«

S (го) +

d S (го) = S (го) +

S ' ( r 0)Ar,

 

 

S ( l ,0 1 ) «

S (l) + 2n -0,01 =

1,02я.

 

 

При этом погрешность ие превосходит

 

 

 

 

 

R i(r) =

-2 j

(г -

г0)2,

Го <

6 < г.

 

 

Так как S"(r) = 2л и не зависит

от г,

то

 

 

 

 

 

/?2 (г) =

0 .0 1 2 =

0 ,0 0 0 1 я.

 

 

Пример 5.28. Найтн приближенное значение функции f(x) =

е х'~ х в точке х = 0,03

с помощью дифференциала. Оценить погрешность вычислений.

 

 

138

 

Р е ш е н и е . Запиш ем приближенную формулу для вычисления значений f(x) =

=

е* с помощью дифференциала в окрестности точки х»:

 

 

 

 

f(х ) «

f(xB) +

df(хв) =

f(xо) + f '( x 0)Ax.

 

Так

как хо — 0, * =

0,03,

Ах = 0,03, то

 

 

 

 

 

 

 

f(0,03)№ f(0) +

Г (0)0,03

 

 

с

погрешностью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tf 2 =

- Ш И

х2 = И М - (0,03)2, 0 <

I <

0,03.

Найдем

Г (0) и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f'(x) =

( 2 x —

l)ex*~x=>f'(0) =

1,

 

 

 

l"(x) =

2ex' ~ x +

(2x — 1 f exl- x=>f"(l) <

3.

Следовательно, f ( 0 , 0 3 ) » 1 + ( — 1)-0,03 = 0,97 с погрешностью Rj(x) < ——1^22L =

= 0,0017.

Формула Тейлора используется также при исследовании функции на экстремум, в теории рядов, при вычислении интегралов.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ПРОИЗВОДНЫХ

6.1.В О ЗРА С ТА Н И Е И У БЫ ВА НИЕ ФУНК ЦИ И

Спомощью производной функции можно произвести полное ее исследование (найти промежутки возрастания и убывания, экстре­ мумы, точки перегиба, промежутки выпуклости и вогнутости, асимп­ тоты графика) и построить график этой функции.

Теорема 6.1. Д л я того чтобы дифференцируемая на ]о; Ь[ функция не убывала (не возрастала) на этом интервале, необходимо и до­ статочно, чтобы /'(д с)^О ( f '( x ) ^ O ) для всех дс6 ]а; Ь[. Если же для

любого дсб]а; b[ f ' ( x ) > 0 {fix) <

0 ), то функция f возрастает (убы ­

вает)

на этом интервале.

 

 

 

Д ругим и словами:

 

 

 

1 )

f{x) не убывает на ]а; b[

- « * V * 6

]a;

b[. f ' ( x ) ^ 0 ;

2)

fix) возрастает на ]a; b{

-«►V'xGja;

&[: f ' ( x ) > 0 ;

3)

fix) не возрастает на ]а;

V х 6

]а;

b[: f i x ) ^ 0 ;

4)

f\x) убывает на ]о; b[

-«*Удс6

]а;

b\: f i x ) < 0.

>1. Рассмотрим случай неубывающей функции.

 

Необходимость: Пусть fix) не убывает

на }а\ Ь[. Тогда Удсб]а;

fe[ при Ддс >

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ay =

fix +

Ддс) — / ( д с ) ^ 0 ^ - | | - > 0 = > И т - ^ -

=

/ '( д с ) ^ 0 Удс£]а;

Ь[.

 

Достаточность.

Пусть

f i x ) ^

0 V дс 6 ]о;

Ь[.

Тогда

по

формуле

Л ангранж а

имеем

/(дег)

/ ( * i ) = / ' ( £ ) (дс2

ДС|).

Так

как

/ ' ( £ ) ^ 0

(дс| <

£ < д с2), то V дс|, дс2 6 ]а; 6 [:дс|<дс2

/(дс2) — /(дс|) ^

0 ,

т. е. f

не

убывает

на

]а; 6 [.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

Д окаж ем

теорему для

случая

возрастающей

функции. Пус

f'i д с )> 0

на

la; b[. Т о г д а У Е б ]а ;

b[ / '( £ ) >

0

и поэтому Удс|, дс2 :дс| <

<

дс2=*-/(дс2) — /(дс|) = Р(Е)(дс2 ДС|) > 0,

т.

е.

/(дс)

возрастает

на

]о;

Ь{. <

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подчеркнем, что условия теоремы для возрастающей и убываю­

щей функций достаточны, но не необходимы.

 

 

 

 

 

х =

Например, функция

у = х 3 возрастает иа ] — 1;

1[,

однако

производная в точке

0

обращ ается в нуль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геометрический смысл теоремы состоит в следующем: касатель­ ная к графику возрастающей на ]а; Ь{ функции {fix ) > 0 ) составляет острый угол с осью Ох; касательная к графику убывающей на ]а; Ь[ функции (/'(дс) < 0) образует тупой угол с осью Ох. Если функция

140

f(x) на }a\ b[ является постоянной: f(x) = C,

С = const,

то f'{x) = О

и касательная к графику функции параллельна оси Ох.

 

Пример 6.1. Найти интервалы возрастания и убывания функции

/ (JC) = 1/(1 -f-

+ **)•

Функция /(х) = 1/(1 +

х 2) определена,

непрерывна и дифференци­

Р е ш е н и е .

руема на R. Д л я

отыскания интервалов

монотонности

функции найдем f'(x):

 

/'(*)= — 2 лс/(1 +jc2)2.

 

 

И з теоремы 6 .1 следует, что f(x) возрастает на некотором множестве, если f'(x) > 0.

Решим неравенство — 2дс/(1 + х2) 2 > 0.

Оно выполняется на ] — оо;

Of. Следова­

тельно, { ( х ) = 1/(1 + х 2) возрастает на

] — об;

Of. По той ж е теореме ((х)

убывает на

множестве,

где /(х ) < 0 .

Неравенство

— 2дс/(1 +

х 2)2 <

0 выполняется

на ]0;

оо[.

Итак,

функция f ( x ) = ---------- — убываю щая

на 10;

oof. Ее графиком (рис.

6.1)

 

 

1 + xJ

 

 

 

 

 

 

является кривая, которую

называют локоном

Аньези*.

 

 

 

6.2.ТОЧКИ Л О К А Л ЬН О Г О ЭКСТРЕМУМ А ФУНКЦИИ.

НЕОБХ ОДИ М ОЕ И ДО СТА ТО ЧНЫ Е УСЛОВИЯ СУЩ ЕСТВОВАНИЯ

ЭКСТРЕМУМА ФУНКЦИИ

Экстремум функции. Особую роль в исследовании поведения функции на множестве играют точки, разделяющие интервалы воз­ растания и убывания функции. Д ля функции у = f(x) на интервале ]а; Ь[ такой точкой является точка х0, отделяющая интервал возра­

стания f(x) ]а; *о[ от интервала убывания ]ж0; Ь[ функции

(рис. 6.2).

И з

рисунка видно, что существует Оь(х0) ( 6 > 0), такая,

что f(x0) >

>

f(x).

 

 

Определение 6.1. Точка х 0 называется точкой локального макси­

мума (минимума) функции f(x), если существует 8-окрестность точки

Р и с. 6 . 2

р и с. 6.3

* М ария Гаэтана Аньези (1718— 1799) — итальянский математик.

141

х0> такая, что д ля всех х £ Об(*о) выполняется неравенство

А/ Ы = f{x) — f (х0) < О (Af (х0) = f(x) — f (хо) > О).

Значение f(x0) называют локальным максимумом (минимумом) функ­ ции и пишут

шах

f(x) =

f(xо) ( min

/(х) = /(х0)).

*ио«(*о)

 

jce Oe(jto)

Точки максимума

или

минимума

функции называют точками

экстремума функции, а максимумы и минимумы функции называ­ ются экстремумами функции.

Из приведенных рассуждений следует, что экстремумы функции носят локальный характер — это наибольшее или наименьшее зн а ­ чения функции по сравнению с близлежащими ее значениями.

Если функция /(х) на [а; b] имеет несколько максимумов и мини­ мумов, то возможен случай, когда максимум функции меньше ее минимума.

Например, на

рис. 6.3 точки xt, х 3 являю тся точками максимума функции f(x),

а *2, * 4 — точками

ее минимума, ио f ( x i ) < . f( x ^ .

 

Наименьшее и наибольшее значения функции на [а; b] в отличие

от

локальных

ее экстремумов называют абсолютными минимумом

и

максимумом

функции f(x) и обозначают min f(x),

т а xf(x).

 

 

*£[а; 6]

*£[а; 6]

 

Д л я функции,

график которой изображен иа рис. 6.3, абсолютным минимумом

будет /(а), абсолютным максимумом — /(&).

 

Необходимое условие существования экстремума функции. Спра­ ведлива следующая

Теорема 6.2. Если в точке х 0 функция f(x) достигает экстремума, то ее производная в этой точке равна нулю или не существует.

>Пусть f(x) в точке х 0 достигает максимума. Тогда существу

дб(х0), такая, что

У*£()б(*о) f(x0) > f(x)=>f(x0) > f{x0 + Ах), Ах ф 0.

При Ах <

0

+

 

>

0 , при

Ах > 0 ^

+ ^

т

М <

0 ,

Если пределы левых частей этих неравенств при Ах-»-0 сущест­

вуют, то:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hm К*° + у

~

= f'(x о 0 ) >

0 ,

 

 

 

 

 

 

д*-о

Ах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Д * < 0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ит_/(*. + у

 

=

f,(Xo _|_ 0 ) <

0 .

 

 

 

 

 

Лг—0

Ах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Л*>0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

производные

функции

f ' ( x ± 0) в точке

х0

равны

нулю,

то

существует f'(x 0) = f'(x 0 0 ) =

f'(x 0 +

0 ) = 0 .

 

 

не сущест­

Если f'(x о — 0) и f'(x о +

О) отличны

от нуля, то f'(x о)

вует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

142

Аналогично доказывается случай, когда х 0 — точка минимума. <] Геометрический смысл теоремы 6.2 заключается в следующем:

в точках экстремума функции fix) касательная к ее графику парал­ лельна оси абсцисс, если существует f'(xo) = 0 (рис. 6.4, а); парал­

лельна оси ординат, если f'(x 0) бесконечна (рис. 6.4, б);

существуют

не совпадающие левая

и правая касательные, если

} '{ х о — 0 ) Ф

Ф Г { х о + 0 ) (рис. 6.4,

в).

 

а

5

в

Р и с . 6.4

Точки, в которых производная функции у = f(x) обращается в

нуль или не существует, называют критическими или точками

воз­

можного экстремума. Точки, в которых производная

функции

у =

= f(x) обращается в нуль, называют стационарными.

 

 

Критическая

точка

х 0 называется

угловой

точкой

функции

fix),

если f'( x 0 — 0) Ф

f'(x 0 +

0) (см. рис.

6.4, в).

Критическая точка х0

называется точкой возврата функции, если ее левая f'(x0 0 ) и пра­

вая

f'(xo + 0) производные бесконечны (см. рис. 6.4, б).

 

Не всякая критическая точка функции f(x) является точкой ее

локального экстремума.

 

 

 

 

 

Например, х = 0 — критическая

точка

функции

f(x) =

x 5, так как f'(x) — 5x4

при

х = 0

обращ ается в нуль, но х =

0 не

является

точкой

локального экстремума

функции.

В этой точке функция возрастает.

 

 

 

Достаточные условия существования экстремума. Выяснить, ка ­ кая из критических точек функции будет точкой ее локального экст­ ремума, можно с помощью трех достаточных признаков существо­ вания экстремума функции.

Теорема 6.3. (первый достаточный признак существования экст­ ремума функции). Пусть хо критическая точка непрерывной функ­ ции fix). Если f'(x) при переходе через точку х 0 меняет знак с « + » на « — », то хо точка локального максимума; если f'(x) при переходе через точку х 0 меняет знак с « — » на « + », то х0 точка локального

минимума;

если f i x )

при переходе через точку

х 0 не меняет знак,

то' хо не является точкой локального

экстремума.

[> Пусть х 0 — точка

возможного

экстремума, причем f'(x) > 0

V x 6 0&(хо -

0 ) и f'(x) < 0 V x e 0&(хо + 0 ).

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

при f'(x) >

0

V x 6

0{,(хо — 0)=>f(xo) >

 

 

при f'(x) <

0

V* 6

О&(х0 +

0)=>f(xo) >

f{x) J

143

^НОб(*0) :f (Хо) > f (*),

т.е. точка хо является точкой локального максимума.

Аналогично доказывается и существование точки локального минимума.

Если f'(x) сохраняет знак в окрестности точки х 0, то в этой окрест­ ности функция монотонна, т. е. точка х 0 не является точкой локаль­ ного экстремума. <]

На рис. 6.5 дана геометрическая интерпретация точки локаль­ ного максимума.

Пример 6.2.

Найти

локальные

экстремумы

функции f(x) = -i- х ? -----i- х*.

Р е ш е н и е .

Д ан н ая

функции

определена и

непрерывна на

R. Ее

производная

f ( x ) = х 2 х такж е непрерывна

на

R. Найдем

стационарные

точки

функции из

уравнения f'(x) — 0 : х 2 — x = 0=>xt =

0 , х2 = 1 .

 

 

 

Исследуем зиак производной в окрестностях стационарных точек.

 

 

 

Если х 6 Ое(0 — 0), то f'(x) =

х 2 — х > 0; если

х £ Ов(0 + 0), то f ( x ) <

0.

В

точке

х = 0 f '( х) меняет знак с « + »

на « — ». Следовательно, стационарная

точка

х = 0

является точкой локального максимума функции:

m ax f (х) — f (0 ) =

0 .

 

 

 

Если х £ Ое(1 — 0), то f ’(x) =

х 2 х < 0; если

*ео.(о)

(х) >

 

 

 

х £ Oe(1 -|- 0), то f

0.

В

точке

х = 1 f'(x) меняет знак с « — » на « -|-»

. Значит, стационарная точка х = 1 есть точка

локального

минимума

функции: min

f(x) = / ( 1) =

1 / 6 .

 

 

jceo.(i)

 

График

функции

f( дг) = — дг3 — — з? приведен

на рис. 6 . 6

Теорема 6.4 (второй достаточный признак существования экст­ ремума функции). Стационарная точка хо функции f(x), дважды дифференцируемой в Об(х0), является точкой локального минимума

f(x), если f"(x0) >

0 , и точкой локального максимума, если f"(x0) <

0 .

>

Пусть

выполнены условия

теоремы и f"(x о ) > 0 . Тогда

f (

в Ов(х0)

возрастает,

но

f'(x 0) = 0 ,

следовательно, в

Oe(x0) f (х)

меняет знак с « — » на

« +

> (рис. 6.7). Согласно теореме 6.3, точка

хо является точкой локального минимума функции f(x).

 

 

Если

f"(x0)<C 0, то

f'(x) в Ов(х0) убывает, но f'(x0) =

0, следова­

тельно, в Об(х0) производная функции f'(x) меняет знак с «-|-> на « — »

(рис. 6 .8 ). Тогда, согласно теореме 6.3,

точка хо

является

точкой

локального максимума функции f(x). <]

 

 

 

Пример

6.3. Используя теорему 6.4, найти

локальные

экстремумы

функции

f{x ) = x */ i

* 72.

 

 

 

144

 

Р е ш е н и е . Д ан н ая

функция

определена,

непрерывна н дважды дифференци­

руема

на

R. Определим

стационарные точки {(х ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- X, X3X= 0=>*1 = 0 , Х2= 1, х3=

1.

 

Найдем

 

значения

0),

/ " ( ± 1 ) .

Учитывая, что

f"(х) =

Зхг —

1,

получаем f"(0) =

— — 1 <

 

0 ,

т.

е.

* i =

0

— точка

локального

максимума функции: m ax f(* ) = 0 ;

f " ( — 1) =

 

 

 

 

 

 

 

 

х г = — 1 — точка локального

 

*€0 t(0)

2

> 0 , следовательно,

минимума

функции:

 

min

 

f(x) =

— 1/4; f"{ 1) = 2 >

0, т. е. х3 = 1 — точка локального минимума функ-

л;ео*(—1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ции:

min

f ( * ) = — 1/4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графнк функции у = х*/4 х г/ 2 приведен

на рис. 6.9.

 

 

 

 

Теорема 6.5 ( третий достаточный

 

 

 

 

 

 

признак

существования

экстремума

 

 

 

 

 

 

функции).

Пусть

 

функция

f(x)

 

 

 

 

 

 

п раз непрерывно дифференцируема

 

 

 

 

 

 

в

точке

лс0

и

f'(xo) =

f"(xo) = ... =

 

 

 

 

 

 

=

f ^ - ' \ x о) = 0,

Г(хо)Ф О .

Тогда:

 

 

 

 

 

 

 

1 )

если

п четное

и

fn(x0) <

0 ,

 

 

 

 

 

 

то

хо точка

локального

макси­

 

 

 

 

 

 

мума.

если

п четное

и

fn(x0) > 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

2 )

 

 

 

 

 

 

то хо точка локального минимума;

 

 

 

 

 

 

 

3)

 

если п нечетное, то х 0 не является точкой локального экст­

ремума.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 6.4. Найти локальные экстремумы

функции f(x) = x A— 4*3.

 

 

Р е ш е н и е . Д ан н ая функция определена, непрерывна н дифференцируема на R.

Найдем стационарные точки f(x):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f { x ) =

4х3 —

12х2,

4х3 — 12** =

0 =>*1,2 =

0, х3 =

3,

 

 

 

 

 

 

 

 

f"(x) =

12х2 — 24*, f"(3) = 36 > 0 , /"(О) = 0 .

 

 

Стационарная

точка

* =

3

является

точкой

локального

минямума

функции:

min

f(x) =

f( 3 ) = — 27.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Are о,(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f'"(x) =

 

 

Д л я

 

исследования

стационарной

точки

 

* = 0

находим

24* — 24,

/" '( 0 ) =

— 24.

Согласно теореме 6.5, точка * = 0 не является точкой локального

экстремума

f(x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

145

6.3. А БС О Л Ю ТН Ы Е ЭКСТРЕМ УМ Ы Ф УНКЦИИ НА О Т РЕ ЗК Е

Одной из основных характеристик функции f(x) на отрезке [а; b] являются ее абсолютные экстремумы, т. е. наибольшее и наимень­ шее значения f(x) на [а; Ь].

Если функция f(x) непрерывна на [а\ Ь\ то наибольшее и наимень­ шее значения она принимает на концах этого отрезка или в точках ее локального экстремума. Следовательно, для отыскания абсолют­

ных экстремумов min f(x),

m ax f(x) надо найти ее значения на кон-

*6 [а;6]

*е[а;6]

цах отрезка [а; b], в точках локального экстремума и выбрать со­ ответственно наименьшее и наибольшее из них.

Если х\, хч, ..., х п — точки локальных экстремумов, то

m in/(■*) = min{/(a), f ( b) , f ( x i),

f(Xn%

*e[a; b]

 

 

m ax f(x) =

max{/(a), f{b), f{xi),

 

*€[a; 6]

 

 

Пример 6.5.

Найти абсолютные экстремумы

функции

[ - 1; 4

Определяем

стационарные точки

/( дс):

Р е ш е н и е .

/'(дс) = Здс2 — 12дс -(- 9, Здс2 — \2х + 9 = 0=>*| =

f ( Xn)}.

/ (х) = х3 6 х2 -(- на

1, х г = 3.

Вычисляем значения /( х) на концах отрезка

и в стационарных точках: / ( — 1) =

= - 1 6 , /(4) = 4, f( 1) = 4, /(3) = 0.

Тогда

 

min

/ (JC) =

min {— 16, 4,

4, 0 1 = — 16.

* e [ - i ; 4 ]

 

 

 

m ax

fix ) = max{— 16,

4, 4, 01 = 4.

Наименьшее значение даииая функция принимает на левом конце отрезка в точке х = 1, наибольшее — в стационарной точке х — 1 и на правом конце отрезка

в точке х = 4. График функции у =

х3 — бдс2 + Ях приведен

на рис. 6.10.

 

Пример 6 .6 . Найти ширину бруска наибольшей прочности, который можно

вырезать из бревна диаметром 25 см

(рис. 6.11), считая, что прочность бруска с пря­

моугольным сечением пропорциональна ширине и кубу высоты.

 

 

 

Р е ш е н и е . Обозначим через х шири­

 

ну бруска,

через

h — его

высоту.

Тогда

 

прочность

бруска

у = kh3х,

где k — коэф­

 

фициент пропорциональности. Из

А А В С

 

(см. рис. 6 . 1 1 ) находим

 

 

 

h = V 252 -**=► (/ = Ь:;У(252 -

х2)3.

 

Определим стационарные точки функ­

 

ции у = кхл!{252 — дс2)3:

 

 

Mf (-VrlS)

Рис. 6 . 1 0

146

у ' — k-\J(252 — x2)3 — Зкх2л]2Ь2 — л:2, у ' = 0,

тогда

252 — 4jc2 = 0 = > 2 jc= ± 2 5 = > jc = ± 1 2 ,5 .

По условию задачи х 6 ]0; 25[. Следовательно, наибольшаи прочность бруска

будет при ширине х = 12,5 см. В этой точке функция у = kx-\l(252 — jc2)3 имеет локаль­ ный максимум, так как у " = 0 .

6.4. И С С Л ЕД О В А Н И Е ФУНК ЦИИ НА В Ы ПУКЛОС ТЬ И ВОГНУТОСТЬ. ТОЧКИ П Е РЕ ГИ БА ФУНКЦИИ

О п р е д е л е н и е 6.2. График дифференцируемой функции у = = f(x) называется выпуклым вниз (или вогнутым) на ]а; Ь[, если дуга кривой у = f(x) V х 6 ]а; Ь[ расположена выше любой касатель­ ной, проведенной к графику этой функции (рис. 6.12).

О п р е д е л е н и е 6.3. График дифференцируемой функции у = = f(x) называется выпуклым вверх (или выпуклым) на }а; Ь[, если дуга кривой у = f(x ) V х £]а; Ь[ расположена ниже любой касатель­ ной, проведенной к графику этой функции (рис. 6.13).

О п р е д е л е н и е 6.4.

Точка М{хо\ f(x0)) графика дифференцируе­

мой функции у = f (х), в

которой направление выпуклости меняется

на противоположное, называется точкой перегиба (рис. 6.14). Сформулируем достаточный признак вогнутости (выпуклости)

графика функции.

Теорема 6.6. Если функция y = f(x) на ]а; Ь[ дважды дифферен­ цируема и f " ( x ) > 0 Ух £ ]а; Ь[, то график этой функции на ]а; Ь[ вогнутый (выпуклый вниз). Если функция y = f(x) на ]а; Ь[ дважды

дифференцируема и f"(x) < 0

V x 6

]а;

b{, то график этой функции на

]а; Ь[ выпуклый.

 

b[

f " { x ) > 0. Возьмем точку х0 6 ]а;

>

Пусть на интервале

]а;

и покажем, что все точки графика функции y = f(x) на ]а; Ь[ лежат выше касательной к нему в точке хо, т. е. что ординаты этих точек больше ординат точек касательной с одной и той же абсциссой.

Уравнение касательной к кривой y = f(x)

в точке с абсциссой х 0:

Y — f(xо) = f' (хо) (х — х0)=>- Y = f(xо) +

f' (х0) (х — х0),

где Y — ординаты точек касательной. Разность ординат точек кривой и касательной

У — Y = f(x) — f(xо) — f'{xо) (х — хо).

147