Исследование степенных и иррациональных функций

Содержание

Суть темы

В задании 12 часто попадаются степенные функции вида y=xny = x^n и функции с корнями x\sqrt{x}, xn\sqrt[n]{x}. Спрашивают одно из двух:

  • точку максимума/минимума -- в ответ идёт координата xx;
  • наибольшее/наименьшее значение на отрезке -- в ответ идёт координата yy.

Для степенных функций всё решается стандартно: производная, критические точки, знаки. Для иррациональных функций добавляются две детали: ОДЗ (подкоренное выражение чётного корня должно быть ⩾0\geqslant 0) и удобный приём -- заменить функцию её степенью или логарифмом, чтобы избавиться от громоздких корней.

Основные формулы

Для корня от выражения удобно помнить частный случай правила сложной функции: если под корнем стоит u(x)u(x), то

(u(x))′=u′(x)2u(x),(u(x)n)′=u′(x)n⋅un−1(x)n.(\sqrt{u(x)})' = \dfrac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}}, \qquad (\sqrt[n]{u(x)})' = \dfrac{u'(x)}{n \cdot \sqrt[n]{u^{n-1}(x)}}.

Именно эти формулы и вытаскивают из конструкции дробь: числитель -- производная подкоренного выражения, знаменатель -- его «корень нужной степени» с множителем.

Приём: монотонная композиция

Корни и высокие степени пугают, но есть приём, который избавляет от них полностью.

Главные случаи для экзамена:

  • φ(t)=tk\varphi(t) = t^k для нечётного kk -- возрастает на всей R\RR. Значит, у y=(...)1/ky = (...)^{1/k} экстремум там же, где у подкоренного выражения.
  • φ(t)=tk\varphi(t) = t^k для чётного kk -- возрастает при t⩾0t \geqslant 0. Работает только для функций с неотрицательным значением (f⩾0f \geqslant 0, например, квадратный корень).
  • φ(t)=ln⁡t\varphi(t) = \ln t -- возрастает при t>0t > 0. Позволяет превратить произведение в сумму, а степень -- в множитель.

Это означает: чтобы найти максимум u(x)\sqrt{u(x)}, можно сразу искать максимум u(x)u(x) (если u⩾0u \geqslant 0). Чтобы найти максимум u(x)3\sqrt[3]{u(x)} -- просто максимум u(x)u(x). Производить дифференцирование всей громоздкой конструкции не нужно.

Алгоритм решения

Алгоритм чуть отличается в зависимости от того, просят точку экстремума или значение на отрезке.

Для задачи «найдите точку максимума/минимума» без отрезка шаг 4 другой: вместо подстановки смотри смену знака производной. Переход +→−+ \to - -- точка максимума, −→+- \to + -- точка минимума.

Знаки производной на числовой оси

Примеры решения

Три примера: от простой степенной функции на отрезке к иррациональной с приёмом монотонной композиции.

Пример 1. Степенная функция на отрезке

Условие: Найди наибольшее и наименьшее значения функции y=x3−12x+5y = x^3 - 12x + 5 на отрезке [−1; 3][-1;\, 3].

Пример 2. Корень из квадратного трёхчлена

Условие: Найди наименьшее значение функции y=x2−8x+20y = \sqrt{x^2 - 8x + 20}.

Пример 3. Корень и отрезок

Условие: Найди наибольшее значение функции y=5+4x−x2y = \sqrt{5 + 4x - x^2}.

График функции с экстремумом

Частые ошибки

Что запомнить

Стратегия на экзамене

Проверь себя
  1. В задании просят найти точку минимума функции. Что идёт в ответ?
  2. Чему равна производная y=u(x)y = \sqrt{u(x)}?
  3. Чему равно наименьшее значение функции y=x2−8x+20y = \sqrt{x^2 - 8x + 20}?
  4. Когда экстремумы u(x)3\sqrt[3]{u(x)} совпадают с экстремумами u(x)u(x)?