Ekstrema lokalne funkcji

Ekstrema lokalne pozwalają znaleźć miejsca, w których funkcja przestaje rosnąć i zaczyna maleć albo odwrotnie — przestaje maleć i zaczyna rosnąć. Dzięki temu możemy znaleźć lokalne „górki” i „dołki” wykresu.

Po co jest nam pochodna?

Pochodna mówi nam, co w danym miejscu robi funkcja.

Gdy f′(x) > 0, funkcja rośnie. Gdy f′(x) < 0, funkcja maleje.

Dlatego zamiast zgadywać z wykresu, gdzie znajduje się maksimum lub minimum, sprawdzamy, gdzie pochodna zmienia znak.

1. Co to jest maksimum i minimum lokalne?

Wyobraź sobie, że poruszasz się po wykresie od lewej do prawej.

Jeżeli najpierw idziesz w dół, a potem w górę, przechodzisz przez lokalny dołek — czyli minimum lokalne.

Jeżeli najpierw idziesz w górę, a potem w dół, przechodzisz przez lokalną górkę — czyli maksimum lokalne.

Minimum lokalne

Funkcja maleje, a potem rośnie.

MIN

Maksimum lokalne

Funkcja rośnie, a potem maleje.

MAX
Ważne

Słowo lokalne oznacza, że porównujemy wartości funkcji tylko z punktami znajdującymi się w pobliżu. Lokalny dołek nie musi więc być najniższym punktem całego wykresu.

2. Jak szukamy ekstremów?

Nie musimy zapamiętywać wielu oddzielnych reguł. W większości zadań wystarczy jeden schemat.

  1. Wyznaczamy dziedzinę funkcji.
  2. Liczymy pochodną f′(x).
  3. Szukamy miejsc, w których f′(x)=0.
  4. Sprawdzamy znak pochodnej po obu stronach tych punktów.
  5. Jeżeli znak się zmienia, rozpoznajemy minimum albo maksimum.
  6. Na końcu obliczamy wartość funkcji w punkcie ekstremum.
Dlaczego rozwiązujemy f′(x)=0?

Jeżeli funkcja najpierw rośnie, a potem zaczyna maleć, albo najpierw maleje, a potem zaczyna rosnąć, może pojawić się ekstremum lokalne. W takim punkcie pochodna może być równa 0, dlatego szukamy miejsc, w których:

f′(x) = 0

Samo otrzymanie zera pochodnej nie wystarcza. Musimy jeszcze sprawdzić, co dzieje się ze znakiem pochodnej.

3. Jak szybko ustalić znaki pochodnej?

Gdy pochodna jest zapisana w postaci iloczynu, możemy wykorzystać bardzo prostą własność potęg.

Potęga parzysta — odbijamy się

(x − 2)2
2 + +

Wykres dotyka osi OX i odbija się. Znak po przejściu przez x=2 się nie zmienia.

Potęga nieparzysta — przechodzimy

(x − 2)3
2 − +

Wykres przechodzi przez oś OX. Znak po przejściu przez x=2 się zmienia.

Najważniejsza zasada

Patrzymy na potęgę czynnika, który zeruje pochodną:

potęga parzysta → odbijamy się → znak się nie zmienia,

potęga nieparzysta → przechodzimy przez oś → znak się zmienia.

Matematycznie mówimy tutaj o parzystej lub nieparzystej krotności miejsca zerowego.

4. Przykład — jedno minimum

Wyznacz ekstrema funkcji f(x)=x2−4x+5.

Krok 1. Dziedzina

D = ℝ

Krok 2. Liczymy pochodną

f′(x)=2x−4=2(x−2)

Krok 3. Szukamy miejsca zerowego pochodnej

2(x−2)=0  ⇒  x=2

Krok 4. Sprawdzamy znak pochodnej

Czynnik (x−2) występuje w pierwszej potędze. Jest to potęga nieparzysta, więc w punkcie x=2 przechodzimy przez oś i zmieniamy znak.

2 − + funkcja maleje funkcja rośnie

Funkcja najpierw maleje, a potem rośnie. W punkcie x=2 mamy więc minimum lokalne.

Krok 5. Obliczamy wartość funkcji

f(2)=22−4·2+5=1
Minimum lokalne: x=2,   f(2)=1.
MIN (2,1) −1 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 x y
Wierzchołek paraboli znajduje się dokładnie w punkcie (2,1).

5. Przykład — maksimum i minimum

Wyznacz ekstrema funkcji f(x)=x3−3x.

Krok 1. Dziedzina

D = ℝ

Krok 2. Liczymy pochodną

f′(x)=3x2−3 =3(x2−1) =3(x−1)(x+1)

Krok 3. Miejsca zerowe pochodnej

x=−1    lub    x=1

Krok 4. Ustalamy znaki

Oba nawiasy występują w pierwszej potędze. W obu miejscach zerowych mamy więc potęgę nieparzystą — za każdym razem przechodzimy przez oś i zmieniamy znak.

Po prawej stronie, np. dla x=2, pochodna jest dodatnia. Zaczynamy więc od znaku + i cofamy się, zmieniając znak przy każdym miejscu zerowym.

−1 1 + − +

Przy x=−1 znak zmienia się z + na −. Funkcja rośnie, a potem maleje — mamy maksimum.

Przy x=1 znak zmienia się z − na +. Funkcja maleje, a potem rośnie — mamy minimum.

Krok 5. Obliczamy wartości

f(−1)=2
f(1)=−2
Maksimum lokalne: (−1,2).
Minimum lokalne: (1,−2).

6. Czy f′(x)=0 zawsze oznacza ekstremum?

Nie. Dlatego właśnie po znalezieniu miejsca zerowego pochodnej zawsze sprawdzamy jej znak.

Jeżeli pochodna ma ten sam znak po obu stronach punktu, funkcja po obu stronach nadal robi to samo — np. cały czas rośnie. Nie powstaje więc ani górka, ani dołek.

7. A co, jeśli pochodna nie istnieje?

Zwykle szukamy ekstremów, obliczając pochodną i rozwiązując równanie f'(x)=0. Ale funkcja może mieć minimum lub maksimum nawet wtedy, gdy pochodna w danym punkcie nie istnieje. Spójrz na wykres ze zdjęcia:

f(x)=|x|
MIN (0,0)

Gdy przesuwamy się po wykresie od lewej do prawej, najpierw schodzimy w dół, dochodzimy do punktu (0,0), a potem idziemy w górę. Dlatego w tym punkcie jest minimum. Dlaczego pochodna tam nie istnieje? Pochodna określa nachylenie wykresu. Po lewej stronie wierzchołka nachylenie wynosi -1, a po prawej 1. W samym wierzchołku nie ma jednego wspólnego nachylenia — wykres ma ostry kant. To wyjątek od naszej podstawowej metody szukania miejsc, w których f'(x)=0.

8. Zadania

W każdym zadaniu spróbuj najpierw samodzielnie policzyć pochodną, znaleźć jej miejsca zerowe i narysować znaki. Dopiero potem rozwiń rozwiązanie.

Zadanie 1

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=x2+6x+7.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=2x+6=2(x+3)
2. Szukamy miejsca zerowego pochodnej:
2(x+3)=0  ⇒  x=−3
3. Ustalamy znak pochodnej:

Nawias (x+3) jest w pierwszej, czyli nieparzystej potędze. W punkcie x=−3 wykres pochodnej przechodzi więc przez oś OX i zmieniamy znak.

−3 − + f′(x) < 0 f′(x) > 0

Dla x<−3 pochodna jest ujemna, więc funkcja maleje. Dla x>−3 pochodna jest dodatnia, więc funkcja rośnie.

Funkcja najpierw maleje, a następnie rośnie, dlatego dla x=−3 ma minimum lokalne.

4. Obliczamy wartość funkcji:
f(−3)=(−3)2+6·(−3)+7 =9−18+7=−2
Odpowiedź: minimum lokalne w punkcie (−3,−2).
Zadanie 2

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=−x2+8x−11.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=−2x+8=−2(x−4)
2. Szukamy miejsca zerowego pochodnej:
−2(x−4)=0  ⇒  x=4
3. Ustalamy znak pochodnej:

Nawias (x−4) jest w pierwszej, czyli nieparzystej potędze. W punkcie x=4 wykres pochodnej przechodzi przez oś OX.

Pamiętaj jednak o liczbie −2 stojącej przed nawiasem. To ona powoduje, że po lewej stronie pochodna jest dodatnia, a po prawej ujemna.

4 + − f′(x) > 0 f′(x) < 0

Funkcja najpierw rośnie, a następnie maleje, dlatego dla x=4 ma maksimum lokalne.

4. Obliczamy wartość funkcji:
f(4)=−42+8·4−11 =−16+32−11=5
Odpowiedź: maksimum lokalne w punkcie (4,5).
Zadanie 3

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=x3−12x.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=3x2−12 =3(x2−4) =3(x−2)(x+2)
2. Szukamy miejsc zerowych pochodnej:
x=−2    lub    x=2
3. Ustalamy znaki pochodnej:

Oba nawiasy występują w pierwszej, czyli nieparzystej potędze. W punktach x=−2 i x=2 wykres pochodnej przechodzi więc przez oś OX i za każdym razem zmieniamy znak.

−2 2 + − +

Dla x=−2 funkcja najpierw rośnie, a następnie maleje, dlatego mamy maksimum lokalne.

Dla x=2 funkcja najpierw maleje, a następnie rośnie, dlatego mamy minimum lokalne.

4. Obliczamy wartości funkcji:
f(−2)=(−2)3−12·(−2) =−8+24=16

f(2)=23−12·2 =8−24=−16
Odpowiedź:
maksimum lokalne: (−2,16),
minimum lokalne: (2,−16).
Zadanie 4

Sprawdź, czy funkcja f(x)=x3+3x ma ekstrema lokalne.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=3x2+3 =3(x2+1)
2. Sprawdzamy znak pochodnej:

Dla każdej liczby rzeczywistej:

x2≥0  ⇒  x2+1>0

Zatem:

f′(x)>0   dla każdego   x∈ℝ
+ f′(x) jest zawsze dodatnia

Pochodna jest cały czas dodatnia, więc funkcja rośnie w całej swojej dziedzinie. Nie ma miejsca, w którym zmieniałaby się z rosnącej w malejącą lub odwrotnie.

Odpowiedź: funkcja nie ma ekstremów lokalnych.
Zadanie 5

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=x4−8x2.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=4x3−16x =4x(x2−4) =4x(x−2)(x+2)
2. Szukamy miejsc zerowych pochodnej:
x=−2,   x=0,   x=2
3. Ustalamy znaki pochodnej:

Wszystkie trzy czynniki: (x+2), x oraz (x−2) występują w pierwszej, czyli nieparzystej potędze.

Dlatego w każdym z trzech miejsc zerowych przechodzimy przez oś OX i zmieniamy znak.

−2 0 2 − + − +

Dla x=−2 funkcja najpierw maleje, a następnie rośnie — mamy minimum lokalne.

Dla x=0 funkcja najpierw rośnie, a następnie maleje — mamy maksimum lokalne.

Dla x=2 funkcja najpierw maleje, a następnie rośnie — mamy minimum lokalne.

4. Obliczamy wartości funkcji:
f(−2)=16−8·4=−16

f(0)=0

f(2)=16−8·4=−16
Odpowiedź:
minima lokalne: (−2,−16) i (2,−16),
maksimum lokalne: (0,0).
Zadanie 6

Sprawdź, czy funkcja f(x)=x5 ma ekstremum lokalne dla x=0.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=5x4
2. Szukamy miejsca zerowego pochodnej:
5x4=0  ⇒  x=0
3. Ustalamy znak pochodnej:

Czynnik x występuje w czwartej, czyli parzystej potędze.

W punkcie x=0 wykres pochodnej dotyka osi OX i się od niej odbija. Nie przechodzimy przez oś, dlatego nie zmieniamy znaku.

0 + + znak pochodnej się nie zmienia

Po obu stronach zera pochodna jest dodatnia. Funkcja zarówno przed, jak i po x=0 rośnie.

Dlatego mimo że f′(0)=0, w punkcie x=0 nie ma ekstremum.

Odpowiedź: funkcja nie ma ekstremum lokalnego dla x=0.
Zadanie 7

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x)=x4−4x3.

Pokaż rozwiązanie
1. Liczymy pochodną:
f′(x)=4x3−12x2 =4x2(x−3)
2. Szukamy miejsc zerowych pochodnej:
x=0    lub    x=3
3. Ustalamy znaki pochodnej:

Tutaj miejsca zerowe zachowują się inaczej.

Przy x=0 mamy czynnik x2. Potęga jest parzysta, więc wykres pochodnej dotyka osi OX i się od niej odbija. Znak się nie zmienia.

Przy x=3 mamy czynnik (x−3) w pierwszej, czyli nieparzystej potędze. Wykres przechodzi przez oś OX, dlatego znak się zmienia.

0 3 − − + odbicie przejście

Przy x=0 pochodna jest ujemna po obu stronach. Funkcja cały czas maleje, dlatego x=0 nie jest punktem ekstremum.

Przy x=3 pochodna zmienia znak z ujemnego na dodatni. Funkcja najpierw maleje, a następnie rośnie, dlatego dla x=3 mamy minimum lokalne.

4. Obliczamy wartość funkcji:
f(3)=34−4·33 =81−108 =−27
Odpowiedź: minimum lokalne w punkcie (3,−27). Punkt x=0 nie jest punktem ekstremum.

Chcesz przerobić ten temat na spokojnie?

Umów bezpłatną lekcję próbną — wytłumaczę Ci wszystko krok po kroku.

Umów lekcję próbną