Теория
Наибольшее и наименьшее значение функции на отрезке — это самые большие и самые маленькие значения, которые функция принимает среди всех точек отрезка. Ищут их не «на глаз» по графику, а перебором подозрительных точек: концов отрезка и критических точек внутри него.
Критические точки многочлена — это корни уравнения \(f'(x) = 0\): производная многочлена существует всюду, поэтому других критических точек у него нет. В критической точке функция может иметь максимум или минимум, но не обязана: важно, меняет ли производная знак при переходе через неё.
Знак производной отвечает за монотонность: где \(f'(x) \gt 0\), функция возрастает, где \(f'(x) \lt 0\) — убывает. Значит, наибольшее и наименьшее значения на отрезке достигаются либо в критической точке внутри отрезка, либо на его конце — из этих значений и выбирают ответ.
Важно: равенство \(f'(x_0) = 0\) — необходимое, но не достаточное условие экстремума: у функции \(x^3\) производная \(3x^2\) равна нулю в точке 0, но знак не меняется, и экстремума там нет.
Важно: наибольшее значение на отрезке может достигаться на конце отрезка, а не в точке максимума.
Пример с решением
- Условие. Найдите наибольшее и наименьшее значение функции \(f(x) = x^3 - 3x^2 + 2\) на отрезке \([-1; 4]\).
- Формула. Сравниваем значения функции на концах отрезка и в критических точках внутри него: \(f(a)\), \(f(b)\) и \(f(x_i)\), где \(f'(x_i) = 0\).
- Подстановка. \(f'(x) = 3x^2 - 6x = 3x(x - 2)\), значит критические точки — \(x = 0\) и \(x = 2\), и обе лежат внутри отрезка \([-1; 4]\).
- Вычисление. \(f(-1) = -1 - 3 + 2 = -2\), \(f(0) = 2\), \(f(2) = 8 - 12 + 2 = -2\), \(f(4) = 64 - 48 + 2 = 18\).
- Ответ. Наибольшее значение \(f(4) = 18\), наименьшее \(f(-1) = f(2) = -2\). В режиме «Наибольшее и наименьшее на отрезке» калькулятор покажет ту же таблицу значений, а в режиме «Экстремумы и монотонность» — максимум в точке \(x = 0\) и минимум в точке \(x = 2\).
Главное
- Критические точки: корни уравнения \(f'(x) = 0\) — только они могут оказаться точками экстремума.
- Экстремум: максимум — там, где производная меняет знак с «+» на «−», минимум — с «−» на «+».
- Алгоритм на отрезке: считаем значения в критических точках внутри отрезка и на его концах, затем выбираем из них наибольшее и наименьшее.
- Частая ошибка: считать максимум автоматически наибольшим значением функции: максимум \(f(0) = 2\) меньше значения на конце отрезка \(f(4) = 18\).