極值與最值概念


前言

極值與最值是很不容易弄清楚的兩個概念。

相關概念

  • 極值是在函數的定義域內的某一個自變量的取值\(x_0\)的小鄰域[定義域的某個小區間]內,\(f(x_0)\)和這個小鄰域內其他的函數值相比較,他是龍頭老大(或老小);最值是函數在自己的定義域內的來說,是龍頭老大(或老小),故極值不會在某個區間的端點處取到,而最值有可能在區間的端點處取到。

  • 說到極值和最值,都是針對函數值\(y\)而言;說到極值點或者最值點,都是針對函數的自變量\(x\)而言;且極值點和最值點都不是點,而是實數。

  • 函數的極大值和極小值之間沒有必然聯系,即極大值不一定比極小值大;

  • 對於可導函數\(f(x)\)而言,\(x_0\)成為函數\(f(x)\)的極值點的必要條件是\(f'(x_0)=0\),其充要條件是\(f'(x_0)=0\)且導函數\(f'(x)\)\(x_0\)的兩側的函數值異號,簡單的說,其充要條件是\(x_0\)是導函數\(f'(x)\)的變號零點。

  • 函數在極值點處不一定可導,比如函數\(f(x)=|x|\)\(x=0\)是其極值點,但函數在\(x=0\)處不可導。

  • 函數的最大值不一定是極大值,也可能是端點值;函數的最小值不一定是極小值,也可能是端點值;

充要條件

例1 在某個區間內,對可導函數\(f(x)\)而言,\(f'(x)>0(f'(x)<0)\)是函數\(f(x)\)在這個區間單調遞增(減)的充分不必要條件。

分析:說明不必要性,比如函數\(y=x^3\)\((-\infty,+\infty)\)上單調遞增,但是卻有\(f'(x)\ge 0\),故必要性不成立。

例2 在某個區間內,對可導函數\(f(x)\)而言,\(f'(x)\ge 0(f'(x)\leq 0)\)是函數\(f(x)\)在這個區間單調遞增(減)的必要不充分條件。

比如常函數\(f(x)=c(c為常數)\),滿足\(f'(x)\ge0\),但是沒有單調性,故充分性不成立;

若函數\(f(x)\)單調遞增,則必有\(f'(x)\ge 0\),故必要性成立。

例3 在某個區間內,對可導函數\(f(x)\)而言,“\(f'(x)\ge 0(f'(x)\leq 0)\)且在此區間的任意一個子區間內導函數都不恆為零”是函數\(f(x)\)在這個區間單調遞增(減)的充要條件。

說明:①在此區間的任意一個子區間內導函數都不恆為零,就排除了函數為常函數的可能;②已知函數的單調性[如單調遞增]求參數的取值范圍類問題中,如果我們令\(f'(x)>0\)恆成立,則會漏掉參數的取值,若令\(f'(x)\geqslant 0\)恆成立,則會多出參數的取值,所以最后求得參數的取值范圍后常常需要驗證等號的情形,以防止為常函數。

例4 命題\(p\)為真命題,\(f(x)=\cfrac{1-2m}{x}\)在區間\((0,+\infty)\)上單調遞減,求\(m\)的取值范圍是________。

分析:圖像法,由題目可知,若\(p\)為真,則\(1-2m>0\),解得\(m<\cfrac{1}{2}\)(依托\(y=\cfrac{1}{x}\)的單調性);

導數法:由\(f(x)=\cfrac{1-2m}{x}\)在區間\((0,+\infty)\)上單調遞減,則有

\(f'(x)=-(1-2m)\cfrac{1}{x^2}\leq 0\)在區間\((0,+\infty)\)上恆成立,

\(2m-1\leq 0\),即\(m\leq \cfrac{1}{2}\),這個結果是錯誤的,

原因是缺少驗證,當\(m=\cfrac{1}{2}\)時, 函數\(f(x)=0\)為常函數,

不符合題意,故舍去,即\(m<\cfrac{1}{2}\)

解后反思:本題目利用函數\(f(x)\)的單調性求參數的取值范圍時,既可以利用單調性的性質,也可以利用導數法,但是導數法很容易出錯。

例5 在某個區間內,對函數\(f(x)\)而言,\(f'(x_0)=0\)\(x_0\)為極值點的既不充分也不必要條件。

分析:比如函數\(f(x)=x^3\),在\(R\)上單調遞增,無極值點,而\(f'(x)=3x^2\)\(f'(0)=0\)

但是很遺憾\(x=0\)不是極值點,應該是駐點和拐點,故充分性不成立;

\(x_0\)為函數的極值點,也不能推出\(f'(x_0)=0\),因為函數的極值點有可能就不可導,

比如函數\(f(x)=|x|\)\(x=0\)是其極值點,但是函數在這一點(尖角點)並不可導。

例6 在某個區間內,對可導函數\(f(x)\)而言,\(f'(x_0)=0\)\(x_0\)為極值點的必要不充分條件。

說明:此時由於函數是可導函數,就排除了函數在\(x_0\)處不可導的情形,

\(x_0\)為函數的極值點,能推出\(f'(x_0)=0\),必要性成立。

例2 (2017鄭州模擬)已知函數\(f(x)=x^3+ax^2+bx-a^2-7a\)\(x=1\)處取得極大值\(10\),則\(\cfrac{a}{b}\)的值為____________.

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

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

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

\(a=-2,b=1\)時,\(f'(x)=(3x-1)(x-1)\)

此時\(x=1\)是導函數\(f'(x)\)的變號零點,但是在\(x=1\)處取到極小值,不符舍去;

\(a=-6,b=9\)時,\(f'(x)=3(x-1)(x-3)\)

此時\(x=1\)是導函數\(f'(x)\)的變號零點,且在\(x=1\)處能取到極大值。

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

反思總結:由方程組解出來的根\(x=x_0\),只能說明這一點的函數值是0,並不能說明這一點\(x_0\)處的左右的函數值的正負,有可能是不變號零點,那么這一點不會成為極值點,也有可能是變號零點,但是左右的正負值不符合。


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