极值与最值概念

前言

极值与最值是很不容易弄清楚的两个概念。

相关概念

极值是在函数的定义域内的某一个自变量的取值(x_0)的小邻域[定义域的某个小区间]内,(f(x_0))和这个小邻域内其他的函数值相比较,他是龙头老大(或老小);最值是函数在自己的定义域内的来说,是龙头老大(或老小),故极值不会在某个区间的端点处取到,而最值有可能在区间的端点处取到。

说到极值和最值,都是针对函数值(y)而言;说到极值点或者最值点,都是针对函数的自变量(x)而言;且极值点和最值点都不是点,而是实数。

函数的极大值和极小值之间没有必然联系,即极大值不一定比极小值大;

对于可导函数(f(x))而言,(x_0)成为函数(f(x))的极值点的必要条件是(f'(x_0)=0),其充要条件是(f'(x_0)=0)且导函数(f'(x))(x_0)的两侧的函数值异号,简单的说,其充要条件是(x_0)是导函数(f'(x))的变号零点。

函数在极值点处不一定可导,比如函数(f(x)=|x|)(x=0)是其极值点,但函数在(x=0)处不可导。

函数的最大值不一定是极大值,也可能是端点值;函数的最小值不一定是极小值,也可能是端点值;

充要条件

例1在某个区间内,对可导函数(f(x))而言,(f'(x)>0(f'(x)<0))是函数(f(x))在这个区间单调递增(减)的充分不必要条件。

分析:说明不必要性,比如函数(y=x^3)((-infty,+infty))上单调递增,但是却有(f'(x)ge 0),故必要性不成立。

例2在某个区间内,对可导函数(f(x))而言,(f'(x)ge 0(f'(x)leq 0))是函数(f(x))在这个区间单调递增(减)的必要不充分条件。

比如常函数(f(x)=c(c为常数)),满足(f'(x)ge0),但是没有单调性,故充分性不成立;

若函数(f(x))单调递增,则必有(f'(x)ge 0),故必要性成立。

例3在某个区间内,对可导函数(f(x))而言,“(f'(x)ge 0(f'(x)leq 0))且在此区间的任意一个子区间内导函数都不恒为零”是函数(f(x))在这个区间单调递增(减)的充要条件。

说明:①在此区间的任意一个子区间内导函数都不恒为零,就排除了函数为常函数的可能;②已知函数的单调性[如单调递增]求参数的取值范围类问题中,如果我们令(f'(x)>0)恒成立,则会漏掉参数的取值,若令(f'(x)geqslant 0)恒成立,则会多出参数的取值,所以最后求得参数的取值范围后常常需要验证等号的情形,以防止为常函数。

例4命题(p)为真命题,(f(x)=cfrac{1-2m}{x})在区间((0,+infty))上单调递减,求(m)的取值范围是________。

分析:图像法,由题目可知,若(p)为真,则(1-2m>0),解得(m<cfrac{1}{2})(依托(y=cfrac{1}{x})的单调性);

导数法:由(f(x)=cfrac{1-2m}{x})在区间((0,+infty))上单调递减,则有

(f'(x)=-(1-2m)cfrac{1}{x^2}leq 0)在区间((0,+infty))上恒成立,

(2m-1leq 0),即(mleq cfrac{1}{2}),这个结果是错误的,

原因是缺少验证,当(m=cfrac{1}{2})时, 函数(f(x)=0)为常函数,

不符合题意,故舍去,即(m<cfrac{1}{2})

解后反思:本题目利用函数(f(x))的单调性求参数的取值范围时,既可以利用单调性的性质,也可以利用导数法,但是导数法很容易出错。

例5在某个区间内,对函数(f(x))而言,(f'(x_0)=0)(x_0)为极值点的既不充分也不必要条件。

分析:比如函数(f(x)=x^3),在(R)上单调递增,无极值点,而(f'(x)=3x^2)(f'(0)=0)

但是很遗憾(x=0)不是极值点,应该是驻点和拐点,故充分性不成立;

(x_0)为函数的极值点,也不能推出(f'(x_0)=0),因为函数的极值点有可能就不可导,

比如函数(f(x)=|x|)(x=0)是其极值点,但是函数在这一点(尖角点)并不可导。

例6在某个区间内,对可导函数(f(x))而言,(f'(x_0)=0)(x_0)为极值点的必要不充分条件。

说明:此时由于函数是可导函数,就排除了函数在(x_0)处不可导的情形,

(x_0)为函数的极值点,能推出(f'(x_0)=0),必要性成立。

例2(2017郑州模拟)已知函数(f(x)=x^3+ax^2+bx-a^2-7a)(x=1)处取得极大值(10),则(cfrac{a}{b})的值为____________.

分析:(f'(x)=3x^2+2ax+b),由(egin{cases}f'(1)=0\f(1)=10end{cases})

得到(egin{cases}3+2a+b=0\1+a+b-a^2-7a=10end{cases})

解得(egin{cases}a=-2\b=1end{cases}),或(egin{cases}a=-6\b=9end{cases})

(a=-2,b=1)时,(f'(x)=(3x-1)(x-1))

此时(x=1)是导函数(f'(x))的变号零点,但是在(x=1)处取到极小值,不符舍去;

(a=-6,b=9)时,(f'(x)=3(x-1)(x-3))

此时(x=1)是导函数(f'(x))的变号零点,且在(x=1)处能取到极大值。

(cfrac{a}{b}=-cfrac{2}{3})

反思总结:由方程组解出来的根(x=x_0),只能说明这一点的函数值是0,并不能说明这一点(x_0)处的左右的函数值的正负,有可能是不变号零点,那么这一点不会成为极值点,也有可能是变号零点,但是左右的正负值不符合。

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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平

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