Экстремальные задачи и оценки

Содержание

Суть темы

Задачи на оценки и экстремумы (поиск наибольшего или наименьшего значения) часто встречаются во второй части вариантов ДВИ МГУ (обычно это номера 6 или 8). Их главная особенность — отсутствие стандартного лобового алгоритма. Алгебраические преобразования приводят к громоздким уравнениям высоких степеней, а производная либо неприменима, либо вычисляется слишком сложно.

Такие задачи требуют применения неравенств, исследования монотонности, геометрических интерпретаций или метода мажорант (оценок). Ниже разобраны все четыре подхода, каждый — с примером ДВИ-уровня.

Основные формулы и неравенства

На ДВИ все базовые неравенства считаются известными, их можно применять без вывода, но обязательно указывать условия достижения равенства. Лист формул не выдаётся, поэтому ниже даны не только сами оценки, но и краткие выводы для тех из них, которые абитуриент должен уметь восстановить на месте. Подробный свод см. в справочнике (раздел «Неравенства и модули»).

Прежде чем читать вывод, убедитесь на графике, что границы ±a2+b2\pm\sqrt{a^2+b^2} действительно достигаются.

Прямоугольный треугольник вспомогательного угла

Метод мажорант

Мажорантой функции называется число, ограничивающее её значения сверху или снизу. Если в уравнении f(x)=g(x)f(x) = g(x) функции имеют разную природу (например, тригонометрия и многочлен), следует проверить их области значений.

Метод монотонности

Иногда экстремум или единственность корня берутся не неравенством, а исследованием монотонности. Функция ff возрастает на промежутке, если бо́льшему значению аргумента отвечает бо́льшее значение функции; для дифференцируемой функции достаточно f′(x)⩾0f'(x) \geqslant 0 на промежутке (и f′(x)>0f'(x) > 0 всюду, кроме отдельных точек, — для строгого возрастания). Два типовых применения:

  • Экстремум на отрезке. Если ff монотонна на [p;q][p; q], то наибольшее и наименьшее значения достигаются на концах: для возрастающей ff минимум — в точке x=px = p, максимум — в точке x=qx = q. Никаких неравенств подбирать не надо.
  • Единственность корня уравнения. Если левая часть уравнения строго возрастает, а правая убывает (или постоянна), то график пересекается не более чем в одной точке. Достаточно угадать один корень и сослаться на монотонность — других нет.

Геометрический подход

Многие алгебраические выражения имеют прозрачный геометрический смысл на координатной плоскости. Переход к геометрии избавляет от громоздкой алгебры модулей и радикалов.

Если требуется найти минимум суммы двух корней вида (x−x1)2+(y−y1)2+(x−x2)2+(y−y2)2\sqrt{(x-x_1)^2 + (y-y_1)^2} + \sqrt{(x-x_2)^2 + (y-y_2)^2}, это эквивалентно поиску такой точки M(x; y)M(x;\, y), сумма расстояний от которой до заданных точек A(x1; y1)A(x_1;\, y_1) и B(x2; y2)B(x_2;\, y_2) минимальна. По неравенству треугольника этот минимум равен длине отрезка ABAB и достигается, когда точка MM лежит на отрезке ABAB.

Минимум суммы расстояний

Оценка через дискриминант

Для дробно-рациональных выражений вида y=P(x)Q(x)y = \dfrac{P(x)}{Q(x)} (где числитель и знаменатель — квадратные трёхчлены) множество значений удобно искать так: приравнять выражение к параметру yy, привести к квадратному уравнению относительно xx и потребовать, чтобы у него был хотя бы один действительный корень, то есть D⩾0D \geqslant 0. Получится неравенство уже на yy — оно и задаёт область значений, а её концы суть экстремумы.

Примеры

Пример 1. Метод мажорант

Реши уравнение sin⁡(πx)+3cos⁡(πx)=2(x−16)2+2\sin(\pi x) + \sqrt{3}\cos(\pi x) = 2\left(x - \dfrac{1}{6}\right)^2 + 2.

Пример 2. Оценка через неравенство средних

Известно, что положительные числа xx и yy удовлетворяют условию x+y=1x + y = 1. Найди наименьшее возможное значение выражения

(x+1x)2+(y+1y)2\left(x + \frac{1}{x}\right)^2 + \left(y + \frac{1}{y}\right)^2
Пример 3. Геометрическая оценка

Найди наименьшее значение выражения:

x2−4x+y2−2y+5+x2−12x+y2−8y+52\sqrt{x^2 - 4x + y^2 - 2y + 5} + \sqrt{x^2 - 12x + y^2 - 8y + 52}
Пример 4. Оценка тремя слагаемыми (n-местное Коши)

Найди наименьшее значение выражения f(x)=x2+2xf(x) = x^2 + \dfrac{2}{x} при x>0x > 0.

Пример 5. Метод монотонности (экстремум и единственность корня)

(а) Найди наибольшее и наименьшее значения функции f(x)=x+cos⁡xf(x) = x + \cos x на отрезке [0; π][0;\, \pi]. (б) Реши уравнение 3x+4x=5x3^x + 4^x = 5^x.

Пример 6. Экстремум через дискриминант

Найди наибольшее и наименьшее значения функции y=x2+1x2+x+1y = \dfrac{x^2 + 1}{x^2 + x + 1}.

Пример 7. Ловушка: экстремум НЕ достигается

(а) Найди наибольшее значение функции f(x)=xx+1f(x) = \dfrac{x}{x + 1} при x⩾0x \geqslant 0. (б) Найди наименьшее значение выражения x+1xx + \dfrac{1}{x} при x⩾2x \geqslant 2.

Частые ошибки

Оформление под рубрику ДВИ

ДВИ оценивается по outcomes-рубрике «±»: проверяющий смотрит не только на ответ, но и на полноту обоснования. В задачах на оценки балл чаще всего теряют не на вычислениях, а на необоснованных переходах. Ниже — эталон полного решения и список типичных снятий «±».

Что запомнить

  • Если в уравнении встречаются «несовместимые» функции (многочлены с тригонометрией или показательными функциями), первым делом пробуй метод мажорант — но совпадение границ доказывай, а корни проверяй подстановкой.
  • Выражения вида a2+b2\sqrt{a^2+b^2} или модули часто скрывают геометрию: расстояния между точками.
  • Оценка a+1a⩾2a + \dfrac{1}{a} \geqslant 2 работает с любыми взаимно обратными положительными блоками: log⁡2x+log⁡x2⩾2\log_2 x + \log_x 2 \geqslant 2 (если оба логарифма положительны, то есть x>1x > 1) или 3x+3−x⩾23^x + 3^{-x} \geqslant 2.
  • Для сумм и произведений трёх и более переменных — неравенство о средних a+b+c⩾3abc3a + b + c \geqslant 3\sqrt[3]{abc} (равенство при a=b=ca=b=c); крупное слагаемое иногда дробят на равные части, чтобы степени под корнем сократились.
  • Для дробно-рациональных функций множество значений берётся дискриминантом (приравнять к yy, квадратное по xx, D⩾0D \geqslant 0).
  • Часть экстремумов берётся монотонностью, а не неравенством: монотонную функцию исследуют на концах отрезка, а единственность корня доказывают «возрастает = убывает».
  • Всегда ищи точку равенства и проверяй, лежит ли она в области. Если равенство недостижимо — это инфимум, а не минимум. Без указания xx, при котором достигается экстремум, решение неполное.

Стратегия на ДВИ

Проверь себя
  1. При каком условии неравенство Коши a+b2⩾ab\dfrac{a+b}{2} \geqslant \sqrt{ab} обращается в равенство?
  2. Чему равно наименьшее значение x+1xx + \dfrac{1}{x} при x⩾2x \geqslant 2?
  3. В каких пределах лежит выражение asin⁡x+bcos⁡xa\sin x + b\cos x при любых действительных a,ba, b?
  4. В методе мажорант границы обеих частей совпали и равны MM. Что нужно сделать после решения более простого уравнения системы?