Loading [MathJax]/extensions/TeX/newcommand.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.3: Збільшення та зменшення функцій

\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }  \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \newcommand{\id}{\mathrm{id}} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}} \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,} \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,} \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}} \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}} \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}} \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|} \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}} \newcommand{\id}{\mathrm{id}} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}} \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,} \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,} \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}} \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}} \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}} \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|} \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}

Наше вивчення «приємних» функційf у цьому розділі досі зосереджено на окремих точках: точках, деf максимальна/мінімальна, точок, деf'(x) = 0 абоf' не існує, і точок,c деf'(c) середня швидкість зміниf на якомусь інтервалі.

У цьому розділі ми починаємо вивчати, як поводяться функції між спеціальними точками; починаємо більш детально вивчати форму їх графіків.

Почнемо з інтуїтивної концепції. Враховуючи графік на малюнку\PageIndex{1}, де б ви сказали, що функція збільшується? Зниження?

imageedit_45_5770400714.png

Рисунок\PageIndex{1}: Графік функції, щоf використовується для ілюстрації понять збільшення та зменшення.

Незважаючи на те, що ми не визначили ці терміни математично, один, ймовірно, відповів, щоf збільшується, колиx>1 і зменшується, колиx<1. Ми формально визначаємо ці терміни тут.

Визначення: Збільшення та зменшення функцій

fДозволяти функція, визначена на інтерваліI. \ index {функція збільшення}\ index {функція зменшення}\ index {зростаюча функція! строго}\ index {спадна функція! строго}

  1. fзбільшується,I якщо для кожногоa<b вI,f(a) \leq f(b).
  2. fзменшується,I якщо для кожногоa<b вI,f(a) \geq f(b).

Функція суворо збільшується, колиa<b вI має на увазіf(a) < f(b), з подібним визначенням, що тримає на увазі суворо зменшення.

Неофіційно функція збільшується, якщоx стає більшою (тобто, дивлячись зліва направо)f(x) стає більшою.

Наш інтерес полягає в пошуку інтервалів, в області яких абоf збільшується, або зменшується.f Така інформація повинна здатися корисною. Наприклад, якщоf описує швидкість об'єкта, ми можемо знати, коли швидкість збільшувалася або зменшувалася (тобто коли об'єкт прискорювався проти уповільнення). Якщоf описується населення міста, ми повинні бути зацікавлені в тому, коли чисельність населення зростає або скорочується.

Щоб знайти такі інтервали, знову розглянемо січні лінії. fДозволяти бути зростаюча, диференційовна функція на відкритому інтерваліI, наприклад, показана на малюнку\PageIndex{2}, і нехайa<b буде дано вI. Проводиться січна лінія на графікуf відx=a доx=b; вона має нахил(f(b)-f(a))/(b-a). Але зверніть увагу:

\dfrac{f(b)-f(a)}{b-a} \Rightarrow \dfrac{\text{numerator }>0}{\text{denominator } >0} \Rightarrow \text{slope of the secent line} >0 \Rightarrow \text{Average rate of chjange of $f$ on $[a,b]$ is $>0$.}

imageedit_41_5771764490.png

Малюнок\PageIndex{2}: Вивчення січної лінії зростаючої функції.

Ми математично показали, що вже могло бути очевидним: колиf збільшується, його січні лінії матимуть позитивний нахил. Тепер нагадаємо Теорема про середнє значення гарантує, що існує числоc, деa<c<b, таке що

f'(c) = \frac{f(b)-f(a)}{b-a}>0.

Розглядаючи всі такі січні лінії вI, ми настійно маємо на увазі, щоf'(x) \geq 0 даліI. Аналогічне твердження можна зробити і для спадних функцій.

Нашу вище логіку можна підсумувати як «Якщоf збільшується, то,f' ймовірно, позитивна». Теорема\PageIndex{1} нижче повертає це, заявляючи: «Якщоf' позитивний,f то збільшується». Це призводить нас до методу знаходження, коли функції збільшуються і зменшуються.

Теорема\PageIndex{1}: Test For Increasing/Decreasing Functions

fДозволяти бути безперервна функція на[a,b] і диференційована на(a,b).

  1. Якщоf'(c) > 0 для всіхc в(a,b),f то збільшується на[a,b].
  2. Якщоf'(c) <0 для всіхc в(a,b), тоf зменшується на[a,b].
  3. Якщоf'(c) =0 для всіхc в(a,b), тоf постійний на[a,b].

Примітка: Теорема\PageIndex{1} також має значення, якщоf'(c) = 0 для кінцевої кількості значеньc inI.

Нехайa іb бути вI деf'(a)>0 іf'(b)<0. З теореми проміжних значень випливає, щоc міжa іb де має бути деяке значенняf'(c) = 0. Це призводить нас до наступного методу знаходження інтервалів, на яких функція збільшується або зменшується.

Ключова ідея 3: Пошук інтервалів, на якихf is Increasing or Decreasing

fДозволяти диференційовну функцію на проміжку I. Знайти інтервали, на якихf відбувається збільшення і зменшення:

  1. Знайдіть критичні значенняf. Тобто знайти все там,cI деf'(c) = 0 абоf' не визначено.
  2. Використовуйте критичні значення дляI поділу на субінтервали.
  3. Виберіть будь-яку точкуp в кожному підінтервалі, і знайдіть знакf'(p).
    1. Якщоf'(p)>0, тоf збільшується на цьому субінтервалі.
    2. Якщоf'(p)<0, тоf зменшується на цьому субінтервалі.

Ми демонструємо використання цього процесу в наступному прикладі.

Приклад\PageIndex{1}: Finding intervals of increasing/decreasing

Нехайf(x) = x^3+x^2-x+1. Знайти інтервали, на якихf відбувається збільшення або зменшення.

Рішення

Використовуючи Key Idea 3, ми спочатку знаходимо критичні значенняf. У нас єf'(x) = 3x^2+2x-1 = (3x-1)(x+1), такf'(x) = 0 колиx=-1 і колиx=1/3. f'ніколи не є невизначеною.

Оскільки інтервал для розгляду нам не був вказаний, розглянемо весь доменf якого є(-\infty,\infty). Таким чином, ми розбиваємо всю реальну лінію на три підінтервали на основі двох критичних значень, які ми щойно знайшли:(-\infty,-1),(-1,1/3) і(1/3,\infty). Це показано на малюнку\PageIndex{3}.

imageedit_37_7206637863.png

Малюнок\PageIndex{3}: Числовий рядок дляf у прикладі\PageIndex{1}

Тепер ми вибираємо значенняp в кожному підінтервалі і знаходимо знакf'(p). Все, що нас хвилює, - це знак, тому нам насправді не потрібно повністю обчислюватиf'(p); вибрати «приємні» значення, які роблять це простим.

Субаінтервал 1,(-\infty,-1): Ми (довільно) вибираємоp=-2. Ми можемо обчислитиf'(-2) безпосередньо:f'(-2) = 3(-2)^2+2(-2)-1=7>0. Робимо висновок,f що збільшується на(-\infty,-1).

Зверніть увагу, що ми можемо прийти до такого ж висновку без обчислень. Наприклад, ми могли б вибратиp=-100. Перший термін вf'(-100),3(-100)^2 тобто явно позитивний і дуже великий. Інші терміни невеликі в порівнянні, тому ми знаємоf'(-100)>0. Все, що нам потрібно, це знак.

Subinterval 2,(-1,1/3): Ми вибираємо,p=0 оскільки це значення здається легко мати справу. f'(0) = -1<0. Робимо висновокf, що зменшується далі(-1,1/3).

Subinterval 3,(1/3,\infty): Виберіть довільно велике значення дляp>1/3 і зверніть увагу, щоf'(p) =3p^2+2p-1 >0. Робимо висновок,f що збільшується на(1/3,\infty).

Ми можемо перевірити наші розрахунки, розглянувши Рисунок\PageIndex{4}, деf зображено графіки. Графік також представленийf'; зверніть увагу, якf'>0 колиf збільшується, аf'<0 колиf зменшується.

imageedit_32_8933645687.png

Малюнок\PageIndex{4}: Графікf(x) у прикладі\PageIndex{1}, що показує, деf відбувається збільшення і зменшення.

Один виправданий, задаючись питанням, чому так багато роботи робиться, коли графік, здається, робить інтервали дуже чіткими. Наведемо три причини, за якими вищевказана робота стоїть.

По-перше, точки, в якихf переходить від збільшення до зменшення, точно не відомі з урахуванням графіка. Графік показує нам щось значне, що відбувається поручx=-1 іx=0.3, але ми не можемо точно визначити, звідки з графіка.

Можна стверджувати, що просто пошук критичних значень є важливим; як тільки ми знаємо, що значні точки єx=1/3,x=-1 і графік показує зростаючі/зменшуються риси просто добре. Це правда. Однак методика, прописана тут, допомагає посилити взаємозв'язок між збільшенням/зменшенням та ознакоюf'. Після того, як оволодіння цією концепцією (та кількома іншими) отримано, можна виявити, що або (а) обчислюються лише критичні точки, а графік показує все інше, що бажано, або (б) графік ніколи не виробляється, оскільки визначення збільшення/зменшення використанняf' є простим, а графік непотрібний .

Тож наша друга причина, чому вищевказана робота варта, полягає в наступному: як тільки оволодіння предметом буде напрацьовано, у нас є варіанти пошуку потрібної інформації. Ми працюємо над розвитком майстерності.

Нарешті, наша третя причина: багато проблем, з якими ми стикаємося «в реальному світі», дуже складні. Рішення можна проаналізувати лише за допомогою комп'ютерів, щоб зробити багато обчислень для нас. Однак комп'ютери не вирішують проблеми «самостійно»; їх потрібно навчити (тобто запрограмувати) робити правильні речі. Було б вигідно дати функцію комп'ютеру і змусити її повернути максимальне і мінімальне значення, інтервали, на яких функція збільшується і зменшується, розташування відносних максимумів тощо Робота, яку ми робимо тут, легко програмується. Важко навчити комп'ютер «дивитися на графік і бачити, чи йде він вгору або вниз». Легко навчити комп'ютер «визначити, чи є число більше або менше 0».

У розділі 3.1 ми дізналися визначення відносних максимумів і мінімумів і виявили, що вони відбуваються в критичних точках. Зараз ми дізнаємося, що функції можуть переходити від збільшення до зменшення (і навпаки) у критичних точках. Це нове розуміння збільшення та зменшення створює чудовий метод визначення того, чи відповідає критична точка максимуму, мінімуму чи ні. Уявіть собі функцію, що збільшується до критичної точки вx=c, після чого вона зменшується. Швидкий ескіз допомагає підтвердити, щоf(c) повинен бути відносним максимумом. Аналогічне твердження можна зробити і для відносних мінімумів. Формалізуємо це поняття в теоремі.

Теорема\PageIndex{2}: First Derivative Test

fДозволяти диференціюватисяI і нехайc буде критичне число вI.

  1. Якщо ознакаf' перемикається з позитивного на негативний приc, тоf(c) є відносним максимумомf.
  2. Якщо знакf' перемикається з негативного на позитивний приc, тоf(c) є відносним мінімумомf.
  3. Якщо ознакаf' не змінюється приc, то неf(c) є відносною крайністюf.

Приклад\PageIndex{2}: Using the First Derivative Test

Знайдіть інтервали, на якихf збільшується і зменшується, і використовуйте перший тест похідної для визначення відносної крайностіf, де

f(x) = \frac{x^2+3}{x-1}.

Рішення

Почнемо з того, що відзначаємо доменf:(-\infty,1)\cup(1,\infty). fКлючова ідея 3 описує, як знайти інтервали, де збільшується і зменшується, коли областьf є інтервалом. Оскільки областьf в цьому прикладі - об'єднання двох інтервалів, ми застосовуємо прийоми Key Idea 3 до обох інтервалів областіf.

Оскількиf не визначено приx=1, приростаючий/зменшувальний характерf може перемикатися при цьому значенні. Ми формально неx=1 вважаємо критичним значеннямf, але ми включимо його в наш список критичних значень, які ми знаходимо далі.

Використовуючи правило частки, знаходимо

f'(x) = \frac{x^2-2x-3}{(x-1)^2}.

Нам потрібно знайти критичні значенняf; ми хочемо знати, колиf'(x)=0 і колиf' не визначено. Останнє є простим: коли знаменникf'(x) дорівнює 0,f' не визначено. Це відбувається колиx=1, який ми вже визнали важливою цінністю.

Примітка: Строго кажучи, неx=1 є критичним значеннямf, якf не визначено приx=1. Тому ми насправді застосовуємо Key Idea 3 до інтервалів(-\infty,1) і(1,\infty). Ми робимо зауваженняx=1 на числовому рядку, оскільки ми визнаємо, що поведінкаf може змінитися там, оскільки вона там не визначена.

f'(x)=0коли чисельникf'(x) дорівнює 0. Це відбувається, колиx^2-2x-3 = (x-3)(x+1) = 0; тобто колиx=-1,3.

Ми виявили, щоf має дві критичні цифриx=-1,3, і при цьому може статисяx=1 щось важливе. Ці три числа ділять дійсний числовий рядок на 4 підінтервали:

(-\infty,-1), \quad (-1, 1), \quad (1,3) \quad \text{and} \quad (3,\infty).

Виберіть числоp з кожного субінтервалу та перевірте знакf' at,p щоб визначити, чи збільшується чиf зменшується на цьому інтервалі. Знову ж таки, ми робимо добре, щоб уникнути складних обчислень; зверніть увагу, що знаменникf' завжди позитивний, тому ми можемо ігнорувати його під час нашої роботи.

Інтервал 1,(-\infty,-1): Вибір дуже маленького числа (тобто від'ємного числа з великою величиною)p повертаєp^2-2p-3 чисельникf'; що буде додатним. fЗвідси збільшується на(-\infty,-1).

Інтервал 2,(-1,1): Вибір 0 здається простим:f'(0)=-3<0. Робимо висновокf, що зменшується далі(-1,1).

Інтервал 3,(1,3): Вибір 2 здається простим:f'(2) = -3<0. Знову ж таки,f зменшується.

Інтервал 4,(3,\infty): Вибір дуже великого числаp з цього підінтервалу дасть позитивний чисельник і (звичайно) позитивний знаменник. Такf збільшується на(3,\infty).

imageedit_28_3242494758.png

Малюнок\PageIndex{5}: Номер рядка дляf у прикладі\PageIndex{2}

Підсумовуючи,f збільшується на множині(-\infty,-1)\cup (3,\infty) і зменшується на множині(-1,1)\cup (1,3). Оскільки вx=-1, знак f'\ перейшов з позитивного на негативний, Теорема\PageIndex{2} стверджує, щоf(-1) є відносним максимумомf. Вx=3, знак f'\ переключився з негативного на позитивний, значенняf(3) є відносним мінімумом. Приx=1,f не визначено, тому немає відносної крайності приx=1.

imageedit_23_4550734806.png

Малюнок\PageIndex{6}: Графікf(x) у прикладі\PageIndex{2}, що показує, деf відбувається збільшення і зменшення.

Це підсумовано в числовому рядку, показаному на малюнку\PageIndex{3}. Також на малюнку\PageIndex{4} зображений графікf, що підтверджує наші розрахунки. Ця цифра також показуєf', знову демонструючи, щоf збільшується, колиf'>0 і зменшується, колиf'<0.

Часто виникає спокуса думати, що функції завжди чергуються «збільшення, зменшення, збільшення, зменшення\ldots» навколо критичних значень. Наш попередній приклад продемонстрував, що це не завжди так. Хоча технічно неx=1 було критичним значенням, це була важлива цінність, яку ми повинні були враховувати. Миf виявили, що зменшується «по обидва бокиx=1.»

Розберемо ще один приклад.

Приклад\PageIndex{3}: Using the First Derivative Test

Знайдіть інтервали, на якихf(x) = x^{8/3}-4x^{2/3} відбувається збільшення і зменшення, і виявити відносну крайність.

Рішення

Знову починаємо з прийому похідних. Оскільки ми знаємо, що хочемо вирішитиf'(x) = 0, ми зробимо деяку алгебру після взяття похідних.

\begin{align} f(x) &= x^{\frac{8}{3}}-4x^{\frac{2}{3}} \\ f'(x) &= \dfrac{8}{3} x^{\frac{5}{3}} - \dfrac{8}{3}x^{-\frac{1}{3}} \\ &= \dfrac{8}{3}x^{-\frac{1}{3}} \left(x^{\frac{6}{3}}-1 \right)\\ &=\frac{8}{3}x^{-\frac{1}{3}}(x^2-1)\\ &=\frac{8}{3}x^{-\frac{1}{3}}(x-1)(x+1). \end{align}

Це виведенняf' показує, щоf'(x) = 0 колиx=\pm 1 і неf' визначається колиx=0. Таким чином, ми маємо 3 критичних значення, розбиваючи числову лінію на 4 субінтервали, як показано на малюнку\PageIndex{5}.

Інтервал 1(\infty,-1): Ми вибираємоp=-2; ми можемо легко перевірити цеf'(-2)<0. Такf зменшується на(-\infty,-1).

Інтервал 2,(-1,0): Виберітьp=-1/2. Ще раз практикуємо знаходження знакаf'(p) без обчислення фактичного значення. У нас є$f'(p) = (8/3)p^{-1/3}(p-1)(p+1); знайти знак кожного з трьох термінів.

f'(p) = \frac 83 \cdot \underbrace{p^{-\frac13}}_{<0}\cdot \underbrace{(p-1)}_{<0}\underbrace{(p+1)}_{>0}.

У нас є «негативний\times негативний\times позитив», що дає позитивне число;f збільшується на(-1,0).

Інтервал 3,(0,1): Ми робимо аналогічний аналіз ознак, як і раніше, використовуючиp в(0,1).

f'(p) = \frac 83 \cdot \underbrace{p^{-\frac13}}_{>0}\cdot \underbrace{(p-1)}_{<0}\underbrace{(p+1)}_{>0}.

У нас є 2 позитивні фактори і один негативний фактор;f'(p)<0 і такf зменшується(0,1).

Інтервал 4,(1,\infty): Подібна робота, виконана для інших трьох інтервалів показує, щоf'(x)>0 на(1,\infty), такf збільшується на цьому інтервалі.

imageedit_19_2956987507.png

Малюнок\PageIndex{7}: Числовий рядок дляf у прикладі\PageIndex{3}

Ми робимо висновок, заявивши,f що збільшується(-1,0) \cup (1,\infty) і зменшується на(-\infty,-1) \cup (0,1). Знакf' зміни від негативного до позитивного навколоx=-1 іx=1, що означає за теоремою\PageIndex{2}, щоf(-1) іf(1) є відносними мінімумамиf. Як ознакаf' змін від позитивного до негативного приx=0, ми маємо відносний максимум приf(0). \PageIndex{8}На малюнку зображений графікf, що підтверджує наш результат. Ми також графуємоf', виділяючи ще раз,f що збільшується, колиf'>0 і зменшується, колиf'<0.

imageedit_15_4725886460.png

Малюнок\PageIndex{8}: Графікf(x) у прикладі\PageIndex{3}, що показує, деf відбувається збільшення і зменшення.

Ми бачили, як перша похідна функції допомагає визначити, коли функція йде «вгору» або «вниз». У наступному розділі ми побачимо, як друга похідна допомагає визначити, як графік кривих функції.

Автори та атрибуція