Метка: локальный максимум. Локальные экстремумы функций

Изменение функции в определенной точке и определяется как предел приращения функции к приращению аргумента, который стремится к нулю. Для ее нахождения воспользуйтесь таблицей производных. Например, производная функции y = x3 будет равна y’ = x2.

Приравняйте данную производную к нулю (в данном случае x2=0).

Найдите значение переменной данного . Это будут те значения, при данная производная будет равна 0. Для этого подставьте в выражение произвольные цифры вместо x, при которых все выражение станет нулевым. Например:

2-2x2= 0
(1-x)(1+x) = 0
x1= 1, x2 = -1

Полученные значения нанесите на координатную прямую и высчитайте знак производной для каждого из полученных . На координатной прямой отмечаются точки, которые принимаются за начало отсчета. Чтобы высчитать значение на промежутках подставьте произвольные значения, подходящие по критериям. Например, для предыдущей функции до промежутка -1 можно выбрать значение -2. На от -1 до 1 можно выбрать 0, а для значений больше 1 выберите 2. Подставьте данные цифры в производную и выясните знак производной. В данном случае производная с x = -2 будет равна -0,24, т.е. отрицательно и на данном промежутке будет знак минус. Если x=0, то значение будет равно 2, а на данном промежутке ставится знак. Если x=1, то производная также будет равна -0,24 и ставится минус.

Если при прохождении через точку на координатной прямой производная меняет свой знак с минуса на плюс, то это точка минимума, а если с плюса на минус, то это точка максимума.

Видео по теме

Полезный совет

Для нахождения производной существуют онлайн-сервисы, которые подсчитывают нужные значения и выводят результат. На таких сайтах можно найти производную до 5 порядка.

Источники:

• Один из сервисов вычисления производных
• точку максимума функции

Точки максимума функции наряду с точками минимума называются точками экстремума. В этих точках функция меняет характер поведения. Экстремумы определяются на ограниченных числовых интервалах и всегда являются локальными.

Инструкция

Процесс нахождения локальных экстремумов называется функции и выполняется путем анализа первой и второй производной функции. Перед началом исследования убедитесь, что заданный интервал значений аргумента принадлежит к допустимым значениям. Например, для функции F=1/x значение аргумента х=0 недопустимо. Или для функции Y=tg(x) аргумент не может иметь значение х=90°.

Убедитесь, что функция Y дифференцируема на всем заданном отрезке. Найдите первую производную Y". Очевидно, что до достижения точки локального максимума функция возрастает, а при переходе через максимум функция становится убывающей. Первая производная по своему физическому смыслу характеризует скорость изменения функции. Пока функция возрастает, скорость этого процесса является величиной положительной. При переходе через локальный максимум функция начинает убывать, и скорость процесса изменения функции становится отрицательной. Переход скорости изменения функции через ноль происходит в точке локального максимума.

Говорят, что функция имеет вовнутреннейточке
областиD локальный максимум (минимум ), если существует такая окрестностьточки
, для каждой точки
которой выполняется неравенство

Если функция имеет в точке
локальный максимум или локальный минимум, то говорят, что она имеет в этой точкелокальный экстремум (или просто экстремум ).

Теорема (необходимое условие существования экстремума ). Если дифференцируемая функциядостигает экстремума в точке
, то каждая частная производная первого порядка от функциив этой точке обращается в нуль.

Точки, в которых все частные производные первого порядка обращаются в нуль, называются стационарными точками функции
. Координаты этих точек можно найти, решив систему изуравнений

.

Необходимое условие существования экстремума в случае дифференцируемой функции коротко можно сформулировать и так:

Встречаются случаи, когда в отдельных точках некоторые частные производные имеют бесконечные значения или не существуют (в то время как остальные равны нулю). Такие точки называются критическими точками функции. Эти точки тоже нужно рассматривать в качестве «подозрительных» на экстремум, как и стационарные.

В случае функции двух переменных необходимое условие экстремума, а именно равенство нулю частных производных (дифференциала) в точке экстремума, имеет геометрическую интерпретацию: касательная плоскость к поверхности
в точке экстремума должна быть параллельна плоскости
.

20. Достаточные условия существования экстремума

Выполнение в некоторой точке необходимого условия существования экстремума вовсе не гарантирует наличия там экстремума. В качестве примера можно взять дифференцируемую всюду функцию
. Обе ее частные производные и сама функция обращаются в нуль в точке
. Однако в любой окрестности этой точки есть как положительные (большие
), так и отрицательные (меньшие
) значения этой функции. Следовательно, в этой точке, по определению, экстремума не наблюдается. Поэтому необходимо знать достаточные условия, при которых точка, подозрительная на экстремум, является точкой экстремума исследуемой функции.

Рассмотрим случай функции двух переменных. Предположим, что функция
определена, непрерывна и имеет непрерывные частные производные до второго порядка включительно в окрестности некоторой точки
, которая является стационарной точкой функции
, то есть удовлетворяет условиям

,
.

Введем обозначения:

Теорема (достаточные условия существования экстремума ). Пусть функция
удовлетворяет вышеприведенным условиям, а именно: дифференцируема в некоторой окрестности стационарной точки
и дважды дифференцируема в самой точке
. Тогда, если

В случае если
то функция
в точке
достигает

локального максимума при
и

локального минимума при
.

В общем случае, для функции
достаточным условием существования в точке
локального минимума (максимума ) являетсяположительная (отрицательная ) определённость второго дифференциала.

Иными словами, справедливо следующее утверждение.

Теорема . Если в точке
для функции

для любых не равных одновременно нулю
, то в этой точке функция имеетминимум (аналогичномаксимум , если
).

Пример 18. Найти точки локального экстремума функции

Решение . Найдем частные производные функции и приравниваем их к нулю:

Решая эту систему, находим две точки возможного экстремума:

Найдем частные производные второго порядка для данной функции:

В первой стационарной точке , следовательно, и
Поэтому для этой точки требуется дополнительное исследование. Значение функции
в этой точке равно нулю:
Далее,

при

а

при

Следовательно, в любой окрестности точки
функция
принимает значения как большие
, так и меньшие
, и, значит, в точке
функция
, по определению, не имеет локального экстремума.

Во второй стационарной точке



следовательно,Поэтому, так как
то в точке
функция имеет локальный максимум.

Для функции f(x) многих переменных точка x представляет собой вектор, f’(x) − вектор первых производных(градиент) функции f(x), f ′ ′(x) − симметричную матрицу вторых частных производных(матрицу Гессе − гессиан) функции f(x).
Для функции многих переменных условия оптимальности формулируются следующим образом.
Необходимое условие локальной оптимальности. Пусть f(x) дифференцируема в точке x * R n . Если x * − точка локального экстремума, то f’(x *) = 0.
Как и ранее, точки, являющиеся решениями системы уравнений, называются стационарными. Характер стационарной точки x * связан со знакоопределенностью матрицы Гессе f′ ′(x).
Знакоопределенность матрицы А зависит от знаков квадратичной формы Q(α)=< α A, α > при всех ненулевых α∈R n .
Здесь и далее через обозначается скалярное произведение векторов x и y. По определению,

Матрица A является положительно(неотрицательно) определенной, если Q(α)>0 (Q(α)≥0) при всех ненулевых α∈R n ; отрицательно (неположительно) определенной, если Q(α)<0 (Q(α)≤0) при всех ненулевых α∈R n ; неопределенной, если Q(α)>0 для некоторых ненулевых α∈R n и Q(α)<0 для остальных ненулевых α∈R n .
Достаточное условие локальной оптимальности. Пусть f(x) дважды дифференцируема в точке x * R n , причем f’(x *)=0 , т.е. x * − стационарная точка. Тогда, если матрица f′′(x *) является положительно (отрицательно) определенной, то x * − точка локального минимума (максимума); если матрица f′′(x *) является неопределенной, то x * − седловая точка.
Если матрица f′′(x *) является неотрицательно (неположительно) определенной, то для определения характера стационарной точки x * требуется исследование производных более высокого порядка.
Для проверки знакоопределенности матрицы, как правило, используется критерий Сильвестра. Согласно этому критерию, симметричная матрица А является положительно определенной в том и только том случае, если все ее угловые миноры положительны. При этом угловым минором матрицы А называется определитель матрицы, построенной из элементов матрицы А, стоящих на пересечении строк и столбцов с одинаковыми (причем первыми) номерами. Чтобы проверить симметричную матрицу А на отрицательную определенность, надо проверить матрицу (−А) на положительную определенность.
Итак, алгоритм определения точек локальных экстремумов функции многих переменных заключается в следующем.
1. Находится f′(x).
2. Решается система

В результате вычисляются стационарные точки x i .
3. Находится f′′(x), полагается i=1.
4. Находится f′′(x i)
5. Вычисляются угловые миноры матрицы f′′(x i). Если не все угловые миноры ненулевые, то для определения характера стационарной точки x i требуется исследование производных более высокого порядка. При этом осуществляется переход к п.8.
В противном случае осуществляется переход к п.6.
6. Анализируются знаки угловых миноров f′′(x i). Если f′′(x i) является положительно определенной, то x i является точкой локального минимума. При этом осуществляется переход к п.8.
В противном случае осуществляется переход к п.7.
7. Вычисляются угловые миноры матрицы -f′′(x i) и анализируются их знаки.
Если -f′′(x i) − является положительно определенной, то f′′(x i) является отрицательно определенной и x i является точкой локального максимума.
В противном случае f′′(x i) является неопределенной и x i является седловой точкой.
8. Проверяется условие определения характера всех стационарных точек i=N.
Если оно выполняется, то вычисления завершаются.
Если условие не выполняется, то полагается i=i+1 и осуществляется переход к п.4.

Пример №1 . Определить точки локальных экстремумов функции f(x) = x 1 3 – 2x 1 x 2 + x 2 2 – 3x 1 – 2x 2









Поскольку все угловые миноры ненулевые, то характер x 2 определяется с помощью f′′(x).
Поскольку матрица f′′(x 2) является положительно определенной, то x 2 является точкой локального минимума.
Ответ: функция f(x) = x 1 3 – 2x 1 x 2 + x 2 2 – 3x 1 – 2x 2 имеет в точке x = (5/3; 8/3) локальный минимум.

МАКСИМУМА И МИНИМУМА ТОЧКИ

точки, в к-рых принимает наибольшее или наименьшее значения на области определения; такие точки наз. также точками абсолютного максимума или абсолютного минимума. Если f определена на топологич. пространстве X, то точка х 0 наз. точкой локального максимума (локального минимума), если существует такая точки х 0 , что для сужения рассматриваемой функции на этой окрестности точка х 0 является точкой абсолютного максимума (минимума). Различают точки строгого и нестрогого максимума (мини м у м а) (как абсолютного, так и локального). Напр., точка наз. точкой нестрогого (строгого) локального максимума функции f, если существует такая окрестность точки х 0 , что для всех выполняется (соответственно f(х)x 0 ). )/

Для функций, определенных на конечномерных областях, в терминах дифференциального исчисления существуют условия и признаки того, чтобы данная точка была точкой локального максимума (минимума). Пусть функция f определена в нек-рой окрестности тючки x 0 числовой оси. Если x 0 - точка нестрогого локального максимума (минимума) ив этой точке существует f"(x 0 ), то она равна нулю.

Если заданная функция f дифференцируема в окрестности точки x 0 , кроме, быть может, самой этой точки, в к-рой она непрерывна, и производная f" по каждую сторону от точки x 0 в этой окрестности сохраняет постоянный знак, то для того чтобы x 0 была точкой строгого локального максимума (локального минимума), необходимо и достаточно, чтобы производная меняла знак с плюса на минус, т. е. чтобы f" (x)>0 при x<.x 0 и f"(x)<0 при x>x 0 (соответственно с минуса на плюс: f" (х)<0 при x<x 0 и f"(x)>0 при х>х 0 ). Однако не для всякой функции, дифференцируемой в окрестности точки x 0 , можно говорить о перемене знака производной в этой точке. . "

Если функция fимеет в точке х 0 т производных, причем то для того чтобы х 0 была точкой строгого локального максимума, необходимо и достаточно, чтобы те было четным и чтобы f (m) (x 0 )<0, и - локального минимума, чтобы m было четно и f (m) (x 0 )>0.

Пусть функция f(x 1 ..., х п ]определена в n-мерной окрестности точки и дифференцируема в этой точке. Если x (0) является точкой нестрогого локального максимума (минимума), то функции f в этой точке равен нулю. Это условие равносильно равенству нулю в этой точке всех частных производных 1-го порядка функции f. Если функция имеет 2-е непрерывные частные производные в точке x (0) , все ее 1-е производные обращаются в x (0) в нуль, а дифференциал 2-го порядка в точке x (0) представляет собой отрицательную (положительную) квадратичную форму, то x (0) является точкой строгого локального максимума (минимума). Известны условия для М. и м. т. дифференцируемых функций, когда на изменения аргументов наложены определенные ограничения: удовлетворяются уравнения связи. Необходимые и достаточные условиям максимума (минимума) действительной функции, к-рой имеет более сложную структуру, изучаются в специальных разделах математики: напр., в выпуклом анализе, математическом программировании (см. также Максимизация и минимизация функций ). М. и м. т. функций, определенных на многообразиях, изучаются в вариационном исчислении в целом, а М. и м. т. для функций, заданных на функциональных пространствах, т. е. для функционалов, в вариационном исчислении. Существуют также различные методы численного приближенного нахождения М. и м. т.

Лит. : И л ь и н В. А., П о з н я к Э. Г., Основы математического анализа, 3 изд., ч. 1,М., 1971; КудрявцевЛ. Л. Д. Кудрявцев.

Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .

Смотреть что такое "МАКСИМУМА И МИНИМУМА ТОЧКИ" в других словарях:

Дискретный принцип максимума Понтрягина для дискретных по времени процессов управления. Для такого процесса М. п. может не выполняться, хотя для его непрерывного аналога, получающегося заменой конечно разностного оператора на дифференциальный… … Математическая энциклопедия

Теорема, выражающая одно из основных свойств модуля аналитич. функции. Пусть f(z) регулярная аналитическая, или голоморфная, функция пкомплексных переменных в области Dкомплексного числового пространства отличная от константы, М. м. п. в… … Математическая энциклопедия

Наибольшее и соответственно наименьшее значения функции, принимающей действительные значения. Точку области определения рассматриваемой функции, в к рой она принимает максимум или минимум, наз. соответственно точкой максимума или точкой минимума… … Математическая энциклопедия

См. Максимум и минимум функции, Максимума и минимума точки … Математическая энциклопедия

Значение непрерывной функции, являющееся максимумом или минимумом (см. Максимума и минимума точки). Термин лЭ … Математическая энциклопедия

Индикатор - (Indicator) Индикатор это информационная система, вещество, прибор, устройство, отображающий изменения какого либо параметра Индикаторы графиков валютного рынка форекс, какие они бывают и где их можно скачать? Описание индикаторов MACD,… … Энциклопедия инвестора

У этого термина существуют и другие значения, см. Экстремум (значения). Экстремум (лат. extremum крайний) в математике максимальное или минимальное значение функции на заданном множестве. Точка, в которой достигается экстремум,… … Википедия

Дифференциальное исчисление раздел математического анализа, в котором изучаются понятия производной и дифференциала и способы их применения к исследованию функций. Содержание 1 Дифференциальное исчисление функций одной переменной … Википедия

Лемниската и её фокусы Лемниската Бернулли плоская алгебраическая кривая. Определяется как геометрическое место точек, произведени … Википедия

Дивергенция - (Divergence) Дивергенция как индикатор Торговая стратегия с MACD дивергенцией Содержание Содержание Раздел 1. на. Раздел 2. Дивергенция как. Дивергенция - это термин, используемый в экономике для обозначения движения по расходящимся… … Энциклопедия инвестора

>> Экстремумы

Экстремум функции

Определение экстремума

Функция y = f (x ) называется возрастающей (убывающей ) в некотором интервале, если при x 1 < x 2 выполняется неравенство (f (x 1) < f (x 2) (f (x 1) > f (x 2)).

Если дифференцируемая функция y = f (x ) на отрезке возрастает (убывает), то ее производная на этом отрезке f " (x ) > 0

(f " (x ) < 0).

Точка x о называется точкой локального максимума (минимума ) функции f (x ), если существует окрестность точки x о , для всех точек которой верно неравенство f (x ) ≤ f (x о ) (f (x ) ≥ f (x о )).

Точки максимума и минимума называются точками экстремума , а значения функции в этих точках - ее экстремумами.

Точки экстремума

Необходимые условия экстремума . Если точка x о является точкой экстремума функции f (x ), то либо f " (x о ) = 0, либо f (x о ) не существует. Такие точки называют критическими, причем сама функция в критической точке определена. Экстремумы функции следует искать среди ее критических точек.

Первое достаточное условие. Пусть x о - критическая точка. Если f " (x ) при переходе через точку x о меняет знак плюс на минус, то в точке x о функция имеет максимум, в противном случае - минимум. Если при переходе через критическую точку производная не меняет знак, то в точке x о экстремума нет.

Второе достаточное условие. Пусть функция f (x ) имеет
f " (x ) в окрестности точки x о и вторую производную в самой точке x о . Если f " (x о ) = 0, >0 ( <0), то точка x о является точкой локального минимума (максимума) функции f (x ). Если же =0, то нужно либо пользоваться первым достаточным условием, либо привлекать высшие .

На отрезке функция y = f (x ) может достигать наименьшего или наибольшего значения либо в критических точках, либо на концах отрезка .

Пример 3.22.

Решение. Так как f " (

Задачи на нахождения экстремума функции

Пример 3.23. a

Решение. x и y y
0 ≤ x ≤
> 0, а при x >a /4 S " < 0, значит, в точке x=a /4 функция S имеет максимум. Значение функции кв . ед ).

Пример 3.24. p ≈

Решение. p p
S "
R = 2, Н = 16/4 = 4.

Пример 3.22. Найти экстремумы функции f (x ) = 2x 3 - 15x 2 + 36x - 14.

Решение. Так как f " (x ) = 6x 2 - 30x +36 = 6(x -2)(x - 3), то критические точки функции x 1 = 2 и x 2 = 3. Экстремумы могут быть только в этих точках. Так как при переходе через точку x 1 = 2 производная меняет знак плюс на минус, то в этой точке функция имеет максимум. При переходе через точку x 2 = 3 производная меняет знак минус на плюс, поэтому в точке x 2 = 3 у функции минимум. Вычислив значения функции в точках
x 1 = 2 и x 2 = 3, найдем экстремумы функции: максимум f (2) = 14 и минимум f (3) = 13.

Пример 3.23. Нужно построить прямоугольную площадку возле каменной стены так, чтобы с трех сторон она была отгорожена проволочной сеткой, а четвертой стороной примыкала к стене. Для этого имеется a погонных метров сетки. При каком соотношении сторон площадка будет иметь наибольшую площадь?

Решение. Обозначим стороны площадки через x и y . Площадь площадки равна S = xy . Пусть y - это длина стороны, примыкающей к стене. Тогда по условию должно выполняться равенство 2x + y = a . Поэтому y = a - 2x и S = x (a - 2x), где
0 ≤ x ≤ a /2 (длина и ширина площадки не могут быть отрицательными). S " = a - 4x, a - 4x = 0 при x = a/4, откуда
y = a - 2 × a/4 =a/2. Поскольку x = a /4 - единственная критическая точка, проверим, меняется ли знак производной при переходе через эту точку. При x a /4 S " > 0, а при x >a /4 S " < 0, значит, в точке x=a /4 функция S имеет максимум. Значение функции S(a/4) = a/4(a - a/2) = a 2 /8 (кв . ед ). Поскольку S непрерывна на и ее значения на концах S(0) и S(a /2) равны нулю, то найденное значение будет наибольшим значением функции. Таким образом, наиболее выгодным соотношением сторон площадки при данных условиях задачи является y = 2x.

Пример 3.24. Требуется изготовить закрытый цилиндрический бак вместимостью V=16 p ≈ 50 м 3 . Каковы должны быть размеры бака (радиус R и высота Н), чтобы на его изготовление пошло наименьшее количество материала?

Решение. Площадь полной поверхности цилиндра равна S = 2 p R(R+Н). Мы знаем объем цилиндра V = p R 2 Н Þ Н = V/ p R 2 =16 p / p R 2 = 16/ R 2 . Значит, S(R) = 2 p (R 2 +16/R). Находим производную этой функции:
S " (R) = 2 p (2R- 16/R 2) = 4 p (R- 8/R 2). S " (R) = 0 при R 3 = 8, следовательно,
R = 2, Н = 16/4 = 4.