当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第五章 导数应用 > 第三节 函数的单调性与极值 > 函数最值的求法
在讨论了函数的极值问题之后
我们来讨论一下函数的最值问题
关于函数的最值
如果我们讨论的是闭区间上的连续函数
实际上这时候它的最值问题的处理是简单的
也就是说如果f(x)在闭区间[a,b]是连续的
那请大家想一下这时候我们该怎么求它的最值
因为如果它的最值是在开区间内取到
那么它要么就在导数等于0的点取到
要么就在导数不存在的点取到
当然它在闭区间[a,b]上的最大最小值
也可以在端点上取到
也就是说如果我们求的是闭区间上连续函数的最值问题的时候
我们一般是这样处理的
我们把端点值算出来
把导数不存在的点的函数值算出来
把导数等于0的点的函数值算出来
在这些点里面找最大最小值就可以了
所以这种情况我们就不再展开介绍了
第二个如果我们考虑的是f(x)属于C(a,b)开区间
也就是我们考虑的是开区间上的连续函数
大家知道这个时候
开区间上的连续函数最大最小值当然也不见得一定有
所以说这个时候我们什么时候有有的时候怎么求
这应该是闭区间上的连续函数要复杂得多的问题
现在一般来说这种情况我们是处理不了的
说是一个开区间但是它的图像是这样子
大家看尽管它既有极大值也有极小值
但在我画的这种情况下
它既没有最大值也没有最小值
但是在这种情况下我们是可以处理的
说是这样子或者是这样子
也就是说在开区间上
如果它只有唯一的极值点的时候
从直观地看我们知道这个唯一的极值点
如果是极小值点的时候
那这一点的函数值应该就是最小的
类似的这个时候
这一点的函数值就应该是最大的
所以说关于开区间上连续函数的最值问题
我们只能处理其中的某种情况
这个开区间当然我们也可以给它推广到无穷区间
结论是一样的我们在这里给一个结论
这个结论就是说若f(x)属于C[a,b]
则当f(x0)是这个函数f在这个区间(a,b)中的唯一极值时
这时候f(x0)应该就是这个函数f(x)在(a,b)区间上的最值
当然这个唯一极值如果是极小值的时候
f(x0)就是它在区间上最小值
相反如果这个唯一极值是极大值的时候
它自然就是它在这个区间上最大值
这个结论从几何上看应该是比较明显的
但是我们前面也强调过
在分析里面几何上看出来的结果
只能帮助我们理解这个结论
帮助咱们记住这个结论
但绝对不能对我们来说把几何上的现象
当成是一个理论结果的证明
接下来我简单给大家证明一下这个问题
这个问题是这样子的
比如说我不妨设这个f(x0)就是它的极大值
唯一极值就是极大值
极大值现在我来证明它是最大值
用反证的方法
说如果它不是最大值
也就是假设这个f(x0)不是最大值
不是最大值
不是最大值那么则我一定找到一个x1属于(a,b)
使得f(x1)是大于f(x0)的
而且我为了书写方便
我不妨假设这个x1是在x0的右侧
右侧那我为了大家能够理解我的证明过程
我在这画个图这是x0这是x1
这点的函数值是f(x0)现在这点的函数值比它大
这是f(x1)因为大家知道f(x0)是极大值
根据极大值的定义
那么在这点附近我一定能找到一个点
这个点我记成x2
也就是说因为f(x0)是极大值
根据极大值的定义
我一定能找到一个x2属于(x0到x1)这个范围
使得f(x2)这点的函数值一定是小于f(x0)的
找完之后大家看我这个函数图像
在这个地方大概是这个样子
这个样子但是最后它要连起来
连起来之后根据连续函数的介值定理
说我们在这个地方会找到一个x3
也就是说根据连续函数的介值定理
我就存在一个x3
这个x3是介于x2和x1之间的
使得这个f(x3)应该是等于f(x0)的
应该找到这个东西
请大家看一下
现在这个函数f(x)在[x0到x3]这个范围上
它是一种什么情况f(x0)=f(x3)
而且中间至少是有一点的值是比端点的值来的小的
这说明这个函数在这个开区间内实际能取到它在[x0到x3]
这个闭区间上的最小值
好在开区间内能取到最小值那应该是什么
那当然应该是极小值
这样的时候我就与我一开始这个函数只有唯一的极值是矛盾的
因为我们的f(x0)是它在整个区间(a,b)上的唯一极值
唯一极值这个矛盾怎么造成的
就是因为你假设了我这个地方还有一点的值比f(x0)来的大
我想这是这个大概的证明过程
最后有两行文字
请大家自己补上我们已经把整个的证明想法介绍出来了
我想这是关于连续函数
我们要是求它的最值的时候
从理论上讲闭区间上的连续函数问题彻底解决了
开区间上我们如果能够证明
那个极值点是唯一极值点的时候
也解决了
接下来我们看几个例子
第一个例子我们求一个
就是很简单的实际问题中的结论
也就是说我假设有一个圆柱型的容器
在它的体积一定的前提下
我问当用的材料也就是它的表面积最小时
它的底面半径与这个高的关系是什么
也就是说写成数学问题
因为一个圆柱型容器它的体积是πr方乘上h
r是底面半径高是h我们这个体积我用V来表示
这是个定值我们要求的是什么
求的是它的表面积
表面积包括两个底面的面积就是2πr方
再加上一个侧面积是2πr乘上h
实际上我们就是问
如果r和h满足第一个关系式
这个时候当S最小时这个r和h的关系是什么
那大家看一下因为r和h它并不是相互独立的
所以说我们在这里面
把h用这个πr方分之V代进去
也就得到S等于2πr方再加上2πr再乘上一个πr方分之V
我们整理一下2πr方再加上一个2V再一个r
应该是这样子然后我们求它的最值
也就是要求导数等于0的点
关于r求导这就是4πr减掉r方分之2V
最后我们让这个东西等于0
等于0大家会得出来
这个2πr的三次方应该是等于V 等于V的
然后大家看我们的V等什么
V应该是等于πr方h
然后在里面我们就会得到h=2r
也就是说这个表面积要想取到最小
它关于r的导数一定是等于0
而导数等于0
大家看我只得到了唯一的一个导数等于0的点
这个实际就是我们要做的那个
底面半径与高的关系
也就是说我们在做容器时
如果说体积一定
要使得它材料最省的时候
你最好使得高度和底面的直径正好相等
正好相等我想这是一个简单的具体问题
第二个例子我们来看一下这么一个问题
说我现在假设有两条河道
一条河道它的宽度是b
另外一条河道的宽度是a
现在假设我有一艘船
从这个河道经过这个拐角进入另外一条河道
问这个船的长度最大不能超过多少
我想这个问题大家也可以想象出来
实际上我们平时走路
假设是两个小巷子垂直的
你如果水平的扛着一条竹竿
要经过的时候
你知道竹竿太长了你水平的是拐不过去的
我想是一个道理
那这个问题我们当然给它简化成了很简单的几何问题
这个几何问题就是看这个
就是问这是在这个角度我用t来表示
这个角度从0到二分之π这个范围中变化时
这个长度最小是多少
只要把这个长度最小求出来
自然就体现了那个船最长不能超过这条线段最短的那个值
那我们怎么来看这个问题
假设我这个长度我用r来表示
这个角度用t来表示
大家看一下这个r可以写成两段
一段是这一段
这一段的时候我利用这个b来表示的时候
应该是b除上sint
然后还有一段应该是这段
这段我用这个a来表示的时候应该是a除上cost
所以这样我就会得到一个关系
这个关系就是l等于a除上cost加上b除上sint
t的范围应该是大于0小于二分之π
我们又求这个函数的最值
好我们求它的导数
这个导数大家看一下应该是负的cos方t分之a
再乘上负的sint
也就是两个负号就是正号
接下来这一个应该是负的sin方t分之b乘上cost
我们让这个等于0我们会得到就是tan三次方t
应该是等于b比上a也就是tant
就等于三次根下a分之b
应该是这个样子的
接下来这就是它导数等于0的唯一的点
因为我们的范围是在0到二分之π
但是我们函数表达式里面
用的不是正切而是正弦和余弦
大家知道在中学里面
我们知道一个角的三角函数值
怎么样求其他角
就是在小直角三角形里面正切是什么
正切也就是对边比上邻边
那么根据勾股定理
我这个斜边应该就是a的三分之二次方加上b的三分之二次方
这样子的时候那么我这个l就等于a除上cos
cos应该是邻边比上斜边
也就是a的三分之一次方比上这个斜边
也就是根下a的三分之二次方再加上b的三分之二次方
这个地方这个斜边长应该开方
然后再加上b比上正弦
正弦是对边比上斜边
也就是b的三分之二次方
再比上斜边就是根下a的三分之二次方加上b的三分之二次方
当然在这里面大家可以再整理一下
整理一下之后你就会得到最后我们的表达式是什么
应该是这个样子
应该等于a的三分之二次方加上b的三分之二次方的二分之三次方
尽管看起来挺复杂
但是大家想这个与我们实际想象是类似的
因为就是说
这个船的最长长度自然是与两条河道之间的那个宽度有关的
最后我们得到这个结果之后
我们就说它最长不要超过这个
在第一个例题和第二个例题里面
大家注意一下
我们都没有验证得到的点就是所谓的最大值或者是最小值
原因是什么因为我们提的这个问题是个实际问题
实际问题也就是说它的最大和最小一定是存在的
而碰巧的是在这两个例题里面导数等于0的点只有一个
而这一个自然就是我们要求的最大和最小
接下来我们来看第三道例题
第三道例题我们来讨论这个问题
也就是说我有一个方程a大于0
我们来讨论一下这个方程它有没有实根
如果有实根的时候有几个不同的实根
实际上这是我们讲了导数应用之后
我们在微积分课程里面经常碰到的一类问题
这类问题的一般情况就是问f(x)等于0
这个代数方程在我们讨论的范围上
是否存在实根
有实根的时候有几个不同实根的问题
这个地方我们讨论的一般方法是这样子的
那大家通过它的导数的正负号
把它的单调性和极值求出来
另外利用它在我们讨论范围两个端点的极限情况
也就是函数的变化情况
再把它的变化趋势看出来之后
就来看这条曲线与x轴有没有交点
如果有的时候有几个不同的交点就可以了
所以说这个与我们前面处理过的函数不等式一样
有了导数应用之后实际上是一类常见的问题
我们也有固定的或者是一般的处理方法
那接下来我们就看这个题目
这个题目当然我们就令f(x)等于x乘上e的-x次方减掉a
我们为了看它的单调性和求极值我们做它的导数
则f一撇(x)应该就等于e的-x次方
再减掉x乘上e的-x次方
也就等于e的负x次方乘上1-x
我们令f一撇(x)等于0
也就是令这个表达式等于0
大家知道我们就会得到唯一的解是x=1的
那么这个函数它的导数等于0的点只有一个
而且大家可以看出来如果x是小于1时
这个导数是大于0的
x大于1时导数是小于0的
所以说你就知道它在负无穷到1这个范围上
函数是单增的
在1到正无穷这个范围是上函数是单减的
这个时候我们的f(1)也就是代到这儿来
f(1)也就等于e分之1减掉a
它应该是一个极大值也是最大值
因为它是唯一的极值
这样做完之后相当于单调性和极值我们就讨论清楚了
那接下来我们为了讨论清楚它与x轴是否有交点的问题
我们还要看一下又x趋向于负无穷时
f(x)它的变化趋势是什么
x趋向于负无穷时这是负无穷大量
这个应该是正无穷大量
所以乘起来是负无穷大量
减掉一个常数a
当然并不影响它仍然是负无穷大量这个性质
所以说讨论清楚了在这个端点的变化趋势
接下来再来看x趋向于正无穷时
我们的f(x)它的变化趋势是什么
x趋向于正无穷时这个因子是个无穷大量
这个因子是个无穷小量
而且这个无穷小量是e的x次方分之一
这个无穷大量的倒数
大家知道幂函数你再能你也比不过指数函数
什么意思也就是说这个乘积
在x趋向于正无穷时它肯定是趋向于0的
后面是趋向于-a
所以说这时候它应该是趋向于-a的
大家看到现在为止
我们讨论清楚了什么问题
也就是这个地方假设是f(1)等于e分之1减a
在这儿它在这面是单调递增
而且这面是跑到负无穷的
所以整个图应该是这样子的
然后接下来a是大于0的-a当然是小于0
这是-a在这个地方它应该是趋向于它的
因为它是单调减而且趋向于-a的
那大家看这个上面是这种变化趋势的时候
这条曲线与x轴有没有交点
我只关心你这个最大值点是在x轴下方
还是在x轴上还是在x轴上方
所以说我们的结论是如果e分之1减a小于0
这时候这个方程是没有实根的
也就是说这时候的图
大概就是这个形状没实根
如果e分之1减a是等于0
这时候x等于1是它的唯一实根
如果e分之1减a是大于0的
也就是我们一开始画的这种情况
这时候它应该有两个不同实根
而且大家还知道这两个不同实根大概在什么范围里面
一个自然应该是在x小于1这个范围里面
另外一个自然是在x大于1这个范围里面
我想这就是有了导数应用之后
讨论一般代数方程有没有实根有多少实根的问题
在这个地方给大家留个练习
这个练习的内容是什么
就是这个题目我们把这个条件给去掉
请大家讨论这个方程它有没有实根
有几个不同实根的问题
实际上也就是请大家讨论一下
如果我的a是小于等于0的时候
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习