22.14 Ekstrema lokalne funkcji
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f$ (jeśli istnieją):
a) $f(x)=\frac{1}{3}x^3-2x^2-12x+5$
b) $f(x)=-\frac{1}{3}x^3+3x^2-5x+20$
a) Maksimum lokalne: $f(-2) = \frac{55}{3} = 18\frac{1}{3}$. Minimum lokalne: $f(6) = -67$.
b) Minimum lokalne: $f(1) = \frac{53}{3} = 17\frac{2}{3}$. Maksimum lokalne: $f(5) = \frac{85}{3} = 28\frac{1}{3}$.
Wskazówki:
1. Oblicz pochodną $f'(x)$ dla obu funkcji. Pamiętaj, że pochodna wielomianu stopnia trzeciego jest funkcją kwadratową.
2. Przyrównaj pochodną do zera, $f'(x) = 0$, aby znaleźć punkty krytyczne. Użyj delty, aby rozwiązać równania kwadratowe.
3. Zbadaj znak pochodnej $f'(x)$. W podpunkcie a) parabola pochodnej jest skierowana do góry (minimum, potem maksimum), a w podpunkcie b) do dołu (maksimum, potem minimum).
4. Oblicz wartości funkcji $f(x)$ w znalezionych punktach krytycznych, aby określić wartości ekstremów.
Rozwiązanie:
Rozwiązanie dla podpunktu a) $f(x)=\frac{1}{3}x^3-2x^2-12x+5$:
1. Obliczamy pochodną funkcji $f(x)$.
Korzystamy ze wzoru na pochodną potęgi.$$f'(x) = \left(\frac{1}{3}x^3\right)' - (2x^2)' - (12x)' + (5)'$$$$f'(x) = \frac{1}{3} \cdot 3x^2 - 2 \cdot 2x - 12 \cdot 1 + 0$$$$f'(x) = x^2 - 4x - 12$$2. Wyznaczamy punkty krytyczne, rozwiązując równanie $f'(x) = 0$.$$x^2 - 4x - 12 = 0$$Obliczamy wyróżnik (deltę): $\Delta = (-4)^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-12) = 16 + 48 = 64$.
Pierwiastek z delty: $\sqrt{\Delta} = 8$.
Obliczamy miejsca zerowe:$$x_1 = \frac{-(-4) - 8}{2 \cdot 1} = \frac{4 - 8}{2} = \frac{-4}{2} = -2$$$$x_2 = \frac{-(-4) + 8}{2 \cdot 1} = \frac{4 + 8}{2} = \frac{12}{2} = 6$$Punkty krytyczne to $x = -2$ oraz $x = 6$.
3. Badamy znak pochodnej $f'(x)$.
Pochodna $f'(x)$ jest parabolą skierowaną ramionami do góry. Zatem:
- Dla $x \in (-\infty, -2)$ pochodna jest dodatnia (funkcja rośnie).
- Dla $x \in (-2, 6)$ pochodna jest ujemna (funkcja maleje).
- Dla $x \in (6, \infty)$ pochodna jest dodatnia (funkcja rośnie).
4. Wyznaczamy ekstrema lokalne.
- W punkcie $x = -2$ funkcja zmienia monotoniczność z rosnącej na malejącą, więc jest to maksimum lokalne.
- W punkcie $x = 6$ funkcja zmienia monotoniczność z malejącej na rosnącą, więc jest to minimum lokalne.
5. Obliczamy wartości ekstremów.
Maximum lokalne w $x = -2$:$$f(-2) = \frac{1}{3}(-2)^3 - 2(-2)^2 - 12(-2) + 5 = -\frac{8}{3} - 8 + 24 + 5 = -\frac{8}{3} + 21$$$$f(-2) = -\frac{8}{3} + \frac{63}{3} = \frac{55}{3}$$Minimum lokalne w $x = 6$:$$f(6) = \frac{1}{3}(6)^3 - 2(6)^2 - 12(6) + 5 = 72 - 72 - 72 + 5 = -67$$Rozwiązanie dla podpunktu b) $f(x)=-\frac{1}{3}x^3+3x^2-5x+20$:
1. Obliczamy pochodną funkcji $f(x)$.$$f'(x) = \left(-\frac{1}{3}x^3\right)' + (3x^2)' - (5x)' + (20)'$$$$f'(x) = \left(-\frac{1}{3}\right) \cdot 3x^2 + 3 \cdot 2x - 5 \cdot 1 + 0$$$$f'(x) = -x^2 + 6x - 5$$2. Wyznaczamy punkty krytyczne.
Rozwiązujemy równanie: $-x^2 + 6x - 5 = 0$. Mnożymy przez $-1$: $x^2 - 6x + 5 = 0$.$$\Delta = (-6)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 5 = 36 - 20 = 16$$$$\sqrt{\Delta} = 4$$Obliczamy miejsca zerowe:$$x_1 = \frac{-(-6) - 4}{2 \cdot 1} = \frac{6 - 4}{2} = 1$$$$x_2 = \frac{-(-6) + 4}{2 \cdot 1} = \frac{6 + 4}{2} = 5$$Punkty krytyczne to $x = 1$ oraz $x = 5$.
3. Badamy znak pochodnej $f'(x)$.
Pochodna $f'(x)$ jest parabolą skierowaną ramionami w dół. Zatem:
- Dla $x \in (-\infty, 1)$ pochodna jest ujemna (funkcja maleje).
- Dla $x \in (1, 5)$ pochodna jest dodatnia (funkcja rośnie).
- Dla $x \in (5, \infty)$ pochodna jest ujemna (funkcja maleje).
4. Wyznaczamy ekstrema lokalne.
- W punkcie $x = 1$ funkcja zmienia monotoniczność z malejącej na rosnącą, więc jest to minimum lokalne.
- W punkcie $x = 5$ funkcja zmienia monotoniczność z rosnącej na malejącą, więc jest to maksimum lokalne.
5. Obliczamy wartości ekstremów.
Minimum lokalne w $x = 1$:$$f(1) = -\frac{1}{3}(1)^3 + 3(1)^2 - 5(1) + 20 = -\frac{1}{3} + 3 - 5 + 20 = 18 - \frac{1}{3} = \frac{53}{3}$$Maximum lokalne w $x = 5$:$$f(5) = -\frac{1}{3}(5)^3 + 3(5)^2 - 5(5) + 20 = -\frac{125}{3} + 75 - 25 + 20 = -\frac{125}{3} + 70$$$$f(5) = -\frac{125}{3} + \frac{210}{3} = \frac{85}{3}$$
Zadanie 2 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f$ (jeśli istnieją):
a) $f(x)=\frac{1}{5}x^5 - \frac{13}{3}x^3 + 36x + 5$
b) $f(x)=\frac{1}{4}x^4 - \frac{8}{3}x^3 + 8x^2 - 1$
a) Maksima lokalne: $f(-3) = -\frac{173}{5}$ oraz $f(2) = \frac{731}{15}$. Minima lokalne: $f(-2) = -\frac{581}{15}$ oraz $f(3) = \frac{223}{5}$.
b) Minimum lokalne: $f(0) = -1$. Brak maksimum lokalnego.
Wskazówki:
1. Aby znaleźć ekstrema lokalne, musisz najpierw obliczyć pochodną funkcji $f(x)$, czyli $f'(x)$.
2. Następnie znajdź miejsca zerowe pochodnej, rozwiązując równanie $f'(x) = 0$. Są to tzw. punkty krytyczne.
3. W podpunkcie a) otrzymasz równanie dwukwadratowe. Wprowadź pomocniczą zmienną $t = x^2$.
4. W podpunkcie b) po obliczeniu pochodnej postaraj się wyłączyć $x$ przed nawias, a następnie zastosuj wzór skróconego mnożenia.
5. Po znalezieniu punktów krytycznych zbadaj znak pochodnej $f'(x)$ w ich otoczeniu. Jeśli znak zmienia się z plusa na minus, mamy maksimum. Jeśli z minusa na plus, mamy minimum. Jeśli znak się nie zmienia, nie ma ekstremum (jest punkt przegięcia).
Rozwiązanie:
Zadanie polega na znalezieniu ekstremów lokalnych funkcji, co wymaga użycia rachunku różniczkowego (pochodnych).
a) $f(x)=\frac{1}{5}x^5 - \frac{13}{3}x^3 + 36x + 5$
1. Obliczamy pochodną funkcji $f(x)$:$$f'(x) = \left(\frac{1}{5}x^5\right)' - \left(\frac{13}{3}x^3\right)' + (36x)' + (5)'$$$$f'(x) = \frac{1}{5} \cdot 5x^4 - \frac{13}{3} \cdot 3x^2 + 36 \cdot 1 + 0$$$$f'(x) = x^4 - 13x^2 + 36$$2. Szukamy punktów krytycznych, rozwiązując równanie $f'(x) = 0$:$$x^4 - 13x^2 + 36 = 0$$Jest to równanie dwukwadratowe. Wprowadzamy zmienną pomocniczą $t = x^2$, gdzie $t \ge 0$.$$t^2 - 13t + 36 = 0$$3. Rozwiązujemy równanie kwadratowe dla $t$:
Obliczamy wyróżnik $\Delta$:$$\Delta = (-13)^2 - 4(1)(36) = 169 - 144 = 25$$$$\sqrt{\Delta} = \sqrt{25} = 5$$Obliczamy pierwiastki $t_1$ i $t_2$:$$t_1 = \frac{13 - 5}{2} = \frac{8}{2} = 4$$$$t_2 = \frac{13 + 5}{2} = \frac{18}{2} = 9$$4. Wyznaczamy wartości $x$ (punkty krytyczne):$$x^2 = t_1 \implies x^2 = 4 \implies x = 2 \text{ lub } x = -2$$$$x^2 = t_2 \implies x^2 = 9 \implies x = 3 \text{ lub } x = -3$$Punkty krytyczne to: $x \in \{-3, -2, 2, 3\}$.
5. Badamy znak pochodnej $f'(x)$:
Rozkładamy pochodną na czynniki: $f'(x) = (x^2 - 4)(x^2 - 9) = (x-2)(x+2)(x-3)(x+3)$.
Jest to wielomian stopnia 4 o dodatnim współczynniku wiodącym. Rysujemy "wężyk".
Zmiany znaku pochodnej:
- W $x=-3$: znak zmienia się z $+$ na $-$ $\implies$ maksimum lokalne.
- W $x=-2$: znak zmienia się z $-$ na $+$ $\implies$ minimum lokalne.
- W $x=2$: znak zmienia się z $+$ na $-$ $\implies$ maksimum lokalne.
- W $x=3$: znak zmienia się z $-$ na $+$ $\implies$ minimum lokalne.
6. Obliczamy wartości funkcji w ekstremach:$$f(-3) = \frac{1}{5}(-3)^5 - \frac{13}{3}(-3)^3 + 36(-3) + 5 = -\frac{243}{5} + 13 \cdot 9 - 108 + 5$$$$f(-3) = -48.6 + 117 - 103 = 14 - 48.6 = -34.6 = -\frac{173}{5} \text{ (MAX)}$$$$f(-2) = \frac{1}{5}(-2)^5 - \frac{13}{3}(-2)^3 + 36(-2) + 5 = -\frac{32}{5} + \frac{104}{3} - 72 + 5$$$$f(-2) = -6.4 + 34.66... - 67 = -73.4 + 34.66... = -38.73... = -\frac{581}{15} \text{ (MIN)}$$$$f(2) = \frac{1}{5}(2)^5 - \frac{13}{3}(2)^3 + 36(2) + 5 = \frac{32}{5} - \frac{104}{3} + 72 + 5$$$$f(2) = 6.4 - 34.66... + 77 = 83.4 - 34.66... = 48.73... = \frac{731}{15} \text{ (MAX)}$$$$f(3) = \frac{1}{5}(3)^5 - \frac{13}{3}(3)^3 + 36(3) + 5 = \frac{243}{5} - 13 \cdot 9 + 108 + 5$$$$f(3) = 48.6 - 117 + 113 = 44.6 = \frac{223}{5} \text{ (MIN)}$$b) $f(x)=\frac{1}{4}x^4 - \frac{8}{3}x^3 + 8x^2 - 1$
1. Obliczamy pochodną:$$f'(x) = \left(\frac{1}{4}x^4\right)' - \left(\frac{8}{3}x^3\right)' + (8x^2)' - (1)'$$$$f'(x) = \frac{1}{4} \cdot 4x^3 - \frac{8}{3} \cdot 3x^2 + 8 \cdot 2x - 0$$$$f'(x) = x^3 - 8x^2 + 16x$$2. Szukamy punktów krytycznych, rozwiązując $f'(x) = 0$:$$x^3 - 8x^2 + 16x = 0$$Włączamy $x$ przed nawias:$$x(x^2 - 8x + 16) = 0$$Wyrażenie w nawiasie to wzór skróconego mnożenia: $x^2 - 8x + 16 = (x-4)^2$.$$x(x-4)^2 = 0$$Punkty krytyczne to $x=0$ lub $x=4$.
3. Badamy znak pochodnej $f'(x)$:
Znak pochodnej zależy tylko od $x$, ponieważ $(x-4)^2 \ge 0$.
- Dla $x < 0$: $f'(x) < 0$. Funkcja maleje.
- Dla $0 < x < 4$: $f'(x) > 0$. Funkcja rośnie.
- Dla $x > 4$: $f'(x) > 0$. Funkcja rośnie.
4. Określamy ekstrema:
- W $x=0$: znak zmienia się z $-$ na $+$ $\implies$ minimum lokalne.
- W $x=4$: znak się nie zmienia (z $+$ na $+$) $\implies$ brak ekstremum lokalnego.
5. Obliczamy wartość funkcji w minimum:$$f(0) = \frac{1}{4}(0)^4 - \frac{8}{3}(0)^3 + 8(0)^2 - 1 = -1$$
Zadanie 3 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f$ (jeśli istnieją):
a) $f(x) = x^2 + \frac{54}{x}$
b) $f(x) = \frac{x^2 - 1}{x^2 + 4}$
a) Minimum lokalne $f(3) = 27$.
b) Minimum lokalne $f(0) = -0.25$.
Wskazówki:
1. Zawsze zacznij od określenia dziedziny funkcji $D_f$.
2. Oblicz pierwszą pochodną $f'(x)$. Pamiętaj o wzorze na pochodną ilorazu: $ \left( \frac{u}{v} \right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} $ dla podpunktu b).
3. Znajdź punkty krytyczne, czyli te $x$, dla których $f'(x) = 0$ lub $f'(x)$ nie istnieje (ale $x$ należy do dziedziny $D_f$).
4. Zbadaj znak pochodnej $f'(x)$ w otoczeniu punktów krytycznych. Jeśli pochodna zmienia znak z minusa na plus, mamy minimum lokalne. Jeśli z plusa na minus, mamy maksimum lokalne.
5. Oblicz wartość funkcji $f(x)$ w znalezionych punktach ekstremalnych.
Rozwiązanie:
Aby wyznaczyć ekstrema lokalne funkcji, musimy zbadać jej pierwszą pochodną.
a) $f(x) = x^2 + \frac{54}{x}$
1. Określenie dziedziny funkcji.
Funkcja $f(x)$ jest określona, gdy mianownik jest różny od zera. Zatem $x \neq 0$. Dziedzina $D_f = R \setminus \left\{0\right\}$.
2. Obliczenie pierwszej pochodnej $f'(x)$.
Przepisujemy funkcję w wygodniejszej formie: $f(x) = x^2 + 54x^{-1}$.
Korzystamy ze wzoru na pochodną sumy i pochodną potęgi ($ \left( x^n \right)' = nx^{n-1} $):$$f'(x) = \left( x^2 \right)' + \left( 54x^{-1} \right)'$$$$f'(x) = 2x + 54 \cdot \left( -1 \right) x^{-2}$$$$f'(x) = 2x - 54x^{-2}$$Zapisujemy pochodną jako jeden ułamek, aby łatwiej było znaleźć miejsca zerowe:$$f'(x) = 2x - \frac{54}{x^2} = \frac{2x \cdot x^2}{x^2} - \frac{54}{x^2} = \frac{2x^3 - 54}{x^2}$$3. Znalezienie punktów krytycznych.
Szukamy $x$ należących do dziedziny, dla których $f'(x) = 0$. Licznik musi być równy zero:$$2x^3 - 54 = 0$$Dodajemy 54 do obu stron:$$2x^3 = 54$$Dzielimy przez 2:$$x^3 = 27$$Pierwiastkujemy (pierwiastek trzeciego stopnia):$$x = 3$$Punkt krytyczny to $x_0 = 3$. Należy on do dziedziny $D_f$.
4. Badanie znaku pochodnej $f'(x)$.
Znak pochodnej zależy od licznika $2x^3 - 54$, ponieważ mianownik $x^2$ jest zawsze dodatni (dla $x \neq 0$).
- Dla $x < 3$ (np. $x=1$): $2 \cdot 1^3 - 54 = 2 - 54 = -52$. Licznik jest ujemny, więc $f'(x) < 0$. Funkcja maleje.
- Dla $x > 3$ (np. $x=4$): $2 \cdot 4^3 - 54 = 2 \cdot 64 - 54 = 128 - 54 = 74$. Licznik jest dodatni, więc $f'(x) > 0$. Funkcja rośnie.
Ponieważ pochodna zmienia znak z ujemnego na dodatni w punkcie $x=3$, funkcja osiąga tam minimum lokalne.
5. Obliczenie wartości ekstremum.
Obliczamy wartość funkcji $f(x)$ dla $x=3$:$$f(3) = 3^2 + \frac{54}{3} = 9 + 18 = 27$$Odpowiedź dla a): Funkcja ma minimum lokalne równe $27$ dla $x=3$.
---
b) $f(x) = \frac{x^2 - 1}{x^2 + 4}$
1. Określenie dziedziny funkcji.
Mianownik $x^2 + 4$ jest zawsze większy od zera dla każdego $x \in R$. Dziedzina $D_f = R$.
2. Obliczenie pierwszej pochodnej $f'(x)$.
Korzystamy ze wzoru na pochodną ilorazu: $ \left( \frac{u}{v} \right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} $.
Niech $u = x^2 - 1$, wtedy $u' = 2x$.
Niech $v = x^2 + 4$, wtedy $v' = 2x$.$$f'(x) = \frac{\left( 2x \right) \left( x^2 + 4 \right) - \left( x^2 - 1 \right) \left( 2x \right)}{\left( x^2 + 4 \right)^2}$$Upraszczamy licznik:$$f'(x) = \frac{\left( 2x^3 + 8x \right) - \left( 2x^3 - 2x \right)}{\left( x^2 + 4 \right)^2}$$$$f'(x) = \frac{2x^3 + 8x - 2x^3 + 2x}{\left( x^2 + 4 \right)^2}$$$$f'(x) = \frac{10x}{\left( x^2 + 4 \right)^2}$$3. Znalezienie punktów krytycznych.
Szukamy $x$ dla których $f'(x) = 0$. Licznik musi być równy zero:$$10x = 0$$$$x = 0$$Punkt krytyczny to $x_0 = 0$.
4. Badanie znaku pochodnej $f'(x)$.
Znak pochodnej zależy od licznika $10x$, ponieważ mianownik $ \left( x^2 + 4 \right)^2 $ jest zawsze dodatni.
- Dla $x < 0$: $10x$ jest ujemne, więc $f'(x) < 0$. Funkcja maleje.
- Dla $x > 0$: $10x$ jest dodatnie, więc $f'(x) > 0$. Funkcja rośnie.
Ponieważ pochodna zmienia znak z ujemnego na dodatni w punkcie $x=0$, funkcja osiąga tam minimum lokalne.
5. Obliczenie wartości ekstremum.
Obliczamy wartość funkcji $f(x)$ dla $x=0$:$$f(0) = \frac{0^2 - 1}{0^2 + 4} = \frac{-1}{4} = -0.25$$Odpowiedź dla b): Funkcja ma minimum lokalne równe $-0.25$ dla $x=0$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f(x)=\sqrt{18x}-x+5$.
Maksimum lokalne $f(4.5)=9.5$. Minimum lokalne $f(0)=5$.
Wskazówki:
1. Wyznacz dziedzinę funkcji $f(x)$.
2. Oblicz pochodną $f'(x)$. Pamiętaj, że $\sqrt{18x} = 3\sqrt{2x}$.
3. Rozwiąż równanie $f'(x) = 0$, aby znaleźć punkt stacjonarny $x_0$.
4. Zbadaj znak pochodnej w otoczeniu $x_0$ oraz sprawdź wartość funkcji na brzegu dziedziny $x=0$.
Rozwiązanie:
1. Wyznaczenie dziedziny funkcji $f(x)$.
Wyrażenie pod pierwiastkiem musi być nieujemne: $18x \ge 0$, stąd $x \ge 0$.
Dziedzina funkcji to $D = [0, \infty)$.
2. Obliczenie pochodnej $f'(x)$.
Przepisujemy funkcję: $f(x) = \sqrt{18} \cdot \sqrt{x} - x + 5 = 3\sqrt{2} x^{1/2} - x + 5$.
Obliczamy pochodną:$$f'(x) = (3\sqrt{2} x^{1/2})' - (x)' + (5)'$$$$f'(x) = 3\sqrt{2} \cdot \frac{1}{2} x^{-1/2} - 1 = \frac{3\sqrt{2}}{2\sqrt{x}} - 1$$Pochodna jest określona dla $x > 0$.
3. Znalezienie punktów stacjonarnych (gdzie $f'(x)=0$).
Przyrównujemy pochodną do zera:$$\frac{3\sqrt{2}}{2\sqrt{x}} - 1 = 0$$Przenosimy $-1$ na prawą stronę:$$\frac{3\sqrt{2}}{2\sqrt{x}} = 1$$Mnożymy na krzyż (lub przez $2\sqrt{x}$):$$2\sqrt{x} = 3\sqrt{2}$$Dzielimy przez 2:$$\sqrt{x} = \frac{3\sqrt{2}}{2}$$Podnosimy obie strony do kwadratu:$$x = \left(\frac{3\sqrt{2}}{2}\right)^2 = \frac{9 \cdot 2}{4} = \frac{18}{4} = \frac{9}{2} = 4.5$$Punkt stacjonarny to $x_0 = 4.5$.
4. Badanie znaku pochodnej $f'(x)$.
Sprowadzamy pochodną do wspólnego mianownika $2\sqrt{x}$:$$f'(x) = \frac{3\sqrt{2} - 2\sqrt{x}}{2\sqrt{x}}$$Ponieważ $x>0$, znak pochodnej zależy od licznika $3\sqrt{2} - 2\sqrt{x}$.
Znak licznika zmienia się w $x=4.5$. Możemy porównać $3\sqrt{2}$ z $2\sqrt{x}$.
Dla $x \in (0, 4.5)$: Np. $x=2$. $2\sqrt{x} = 2\sqrt{2}$. $3\sqrt{2} - 2\sqrt{2} = \sqrt{2} > 0$. Zatem $f'(x) > 0$. Funkcja jest rosnąca.
Dla $x \in (4.5, \infty)$: Np. $x=8$. $2\sqrt{x} = 2\sqrt{8} = 4\sqrt{2}$. $3\sqrt{2} - 4\sqrt{2} = -\sqrt{2} < 0$. Zatem $f'(x) < 0$. Funkcja jest malejąca.
Funkcja zmienia się z rosnącej na malejącą w $x=4.5$, więc jest tam maksimum lokalne.
5. Obliczenie wartości ekstremum.
Obliczamy wartość funkcji $f(x)$ dla $x=4.5 = \frac{9}{2}$:$$f\left(\frac{9}{2}\right) = \sqrt{18 \cdot \frac{9}{2}} - \frac{9}{2} + 5 = \sqrt{9 \cdot 9} - 4.5 + 5 = \sqrt{81} + 0.5 = 9 + 0.5 = 9.5$$6. Analiza punktu brzegowego $x=0$.$$f(0) = \sqrt{18 \cdot 0} - 0 + 5 = 5$$Ponieważ funkcja jest rosnąca tuż za $x=0$, punkt $x=0$ jest lokalnym minimum.
Odp.: Funkcja ma maksimum lokalne $f(4.5)=9.5$ oraz minimum lokalne $f(0)=5$.
Zadanie 5 (2 pkt)
Funkcja $f(x) = \frac{x^2 - ax + b}{x - 4}$ ma w punkcie $2$ maksimum lokalne równe $4$. Wyznacz $a$, $b$ oraz pozostałe ekstrema tej funkcji.
$a=0$, $b=-12$. Pozostałe ekstremum to minimum lokalne równe $12$ w punkcie $x=6$.
Wskazówki:
1. Skorzystaj z dwóch warunków, które muszą być spełnione, aby funkcja miała ekstremum w danym punkcie.
2. Warunek 1 (Wartość funkcji): $f(2) = 4$. Podstaw $x=2$ do wzoru funkcji i przyrównaj do $4$. Otrzymasz pierwsze równanie z $a$ i $b$.
3. Warunek 2 (Pochodna): Jeśli w punkcie $x=2$ jest ekstremum, to pochodna funkcji w tym punkcie musi być równa zero: $f'(2) = 0$.
4. Oblicz pochodną $f'(x)$ korzystając ze wzoru na pochodną ilorazu:$$\left( \frac{u}{v} \right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}.$$5. Rozwiąż układ dwóch równań liniowych z niewiadomymi $a$ i $b$.
6. Po wyznaczeniu $a$ i $b$, znajdź pozostałe punkty krytyczne, rozwiązując równanie $f'(x) = 0$. Sprawdź znak pochodnej, aby określić, czy jest to minimum, czy maksimum.
Rozwiązanie:
1. Ustalenie warunków początkowych.
Z treści zadania wynikają dwa warunki, które pozwolą nam wyznaczyć parametry $a$ i $b$:
a) Funkcja przechodzi przez punkt $\left( 2, 4 \right)$, czyli $f(2) = 4$.
b) W punkcie $x=2$ jest ekstremum, co oznacza, że pochodna funkcji w tym punkcie jest równa zero, czyli $f'(2) = 0$.
2. Wykorzystanie warunku $f(2) = 4$ (Równanie I).
Podstawiamy $x=2$ do wzoru funkcji $f(x) = \frac{x^2 - ax + b}{x - 4}$:$$f(2) = \frac{2^2 - a \cdot 2 + b}{2 - 4}$$Wiemy, że $f(2) = 4$, więc:$$\frac{4 - 2a + b}{-2} = 4$$Mnożymy obie strony przez mianownik, czyli przez $-2$:$$4 - 2a + b = 4 \cdot \left( -2 \right)$$$$4 - 2a + b = -8$$Przenosimy stałą $4$ na prawą stronę ze zmianą znaku (odejmujemy $4$ od obu stron):$$-2a + b = -8 - 4$$$$-2a + b = -12$$To jest nasze Równanie I.
3. Obliczenie pochodnej $f'(x)$.
Korzystamy ze wzoru na pochodną ilorazu:$$\left( \frac{u}{v} \right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}.$$$u = x^2 - ax + b$, więc $u' = 2x - a$.
$v = x - 4$, więc $v' = 1$.$$f'(x) = \frac{\left( 2x - a \right) \left( x - 4 \right) - \left( x^2 - ax + b \right) \cdot 1}{\left( x - 4 \right)^2}$$Rozwijamy licznik, mnożąc nawiasy i redukując wyrazy podobne:$$f'(x) = \frac{\left( 2x^2 - 8x - ax + 4a \right) - x^2 + ax - b}{\left( x - 4 \right)^2}$$$$f'(x) = \frac{x^2 - 8x + 4a - b}{\left( x - 4 \right)^2}$$4. Wykorzystanie warunku $f'(2) = 0$ (Równanie II).
Podstawiamy $x=2$ do wzoru pochodnej $f'(x)$ i przyrównujemy do zera:$$f'(2) = \frac{2^2 - 8 \cdot 2 + 4a - b}{\left( 2 - 4 \right)^2} = 0$$Ponieważ mianownik jest różny od zera, licznik musi być równy zero:$$4 - 16 + 4a - b = 0$$$$-12 + 4a - b = 0$$Przenosimy stałą $-12$ na prawą stronę ze zmianą znaku (dodajemy $12$ do obu stron):$$4a - b = 12$$To jest nasze Równanie II.
5. Rozwiązanie układu równań.
Rozwiązujemy układ Równań I i II:
I: $-2a + b = -12$
II: $4a - b = 12$
Dodajemy Równanie I do Równania II (metoda przeciwnych współczynników):$$\left( -2a + b \right) + \left( 4a - b \right) = -12 + 12$$$$2a = 0$$$$a = 0$$Podstawiamy $a=0$ do Równania I, aby znaleźć $b$:$$-2 \cdot 0 + b = -12$$$$b = -12$$6. Określenie funkcji i znalezienie pozostałych ekstremów.
Znalezione parametry to $a=0$ i $b=-12$. Funkcja ma postać $f(x) = \frac{x^2 - 12}{x - 4}$.
Pochodna ma postać (podstawiamy $a=0$ i $b=-12$ do wzoru z kroku 3):$$f'(x) = \frac{x^2 - 8x + 4 \cdot 0 - \left( -12 \right)}{\left( x - 4 \right)^2} = \frac{x^2 - 8x + 12}{\left( x - 4 \right)^2}$$Punkty krytyczne to miejsca zerowe licznika:$$x^2 - 8x + 12 = 0$$Rozkładamy na czynniki:$$\left( x - 2 \right) \left( x - 6 \right) = 0$$Punkty krytyczne to $x_1 = 2$ oraz $x_2 = 6$.
7. Badanie charakteru ekstremum w punkcie $x=6$.
Znak pochodnej $f'(x)$ zależy od licznika $\left( x - 2 \right) \left( x - 6 \right)$, ponieważ mianownik $\left( x - 4 \right)^2$ jest zawsze dodatni.
- Dla $x \in \left( 4, 6 \right)$: $f'(x) < 0$, funkcja maleje.
- Dla $x \in \left( 6, \infty \right)$: $f'(x) > 0$, funkcja rośnie.
Ponieważ funkcja maleje, a następnie rośnie, w punkcie $x=6$ jest \textbf{minimum lokalne}.
8. Obliczenie wartości minimum.
Podstawiamy $x=6$ do wzoru funkcji:$$f(6) = \frac{6^2 - 12}{6 - 4} = \frac{36 - 12}{2} = \frac{24}{2} = 12$$Pozostałe ekstremum to minimum lokalne w punkcie $\left( 6, 12 \right)$.
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f$ (jeśli istnieją):
a) $f(x)=\frac{1}{3}x^3+3x^2+8x+1$
b) $f(x)=-\frac{1}{3}x^3-x^2+3x$
a) Maksimum lokalne: $f(-4) = -\frac{13}{3} = -4\frac{1}{3}$. Minimum lokalne: $f(-2) = -\frac{17}{3} = -5\frac{2}{3}$.
b) Minimum lokalne: $f(-3) = -9$. Maksimum lokalne: $f(1) = \frac{5}{3} = 1\frac{2}{3}$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f$ (jeśli istnieją):
a) $f(x)=\frac{1}{5}x^5 - \frac{20}{3}x^3 + 27x - 5$
b) $f(x)=\frac{1}{4}x^4 - \frac{4}{3}x^3 + 4x^2 + 10$
a) Maksima lokalne w $x = \pm \sqrt{10 - \sqrt{73}}$. Minima lokalne w $x = \pm \sqrt{10 + \sqrt{73}}$. (Wartości ekstremów są bardzo złożone).
b) Minimum lokalne: $f(0) = 10$. Brak maksimum lokalnego.
Zadanie 3 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f$ (jeśli istnieją):
a) $f(x) = x^2 + \frac{250}{x}$
b) $f(x) = \frac{x^2 - 9}{x^2 + 1}$
a) Minimum lokalne $f(5) = 75$.
b) Minimum lokalne $f(0) = -9$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji $f(x)=\sqrt{12x}-2x+3$.
Maksimum lokalne $f(\frac{3}{4})=4.5$. Minimum lokalne $f(0)=3$.
Zadanie 5 (2 pkt)
Funkcja $f(x) = \frac{x^2 - ax + b}{x - 3}$ ma w punkcie $1$ maksimum lokalne równe $-6$. Wyznacz $a$, $b$ oraz pozostałe ekstrema tej funkcji.
$a=8$, $b=19$. Pozostałe ekstremum to minimum lokalne równe $2$ w punkcie $x=5$.
