Методы решения физико-математических задач

Производная функции на интервале

Теорема Лагранжа
Приводятся формулировки свойств и теорем, применяемых для исследования поведения функции на интервале с помощью производных.
()( \displaystyle \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arcctg}{\mathop{\mathrm{arcctg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\sh}{\mathop{\mathrm{sh}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\ch}{\mathop{\mathrm{ch}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\th}{\mathop{\mathrm{th}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\cth}{\mathop{\mathrm{cth}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arsh}{\mathop{\mathrm{arsh}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arch}{\mathop{\mathrm{arch}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arth}{\mathop{\mathrm{arth}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arcth}{\mathop{\mathrm{arcth}}\nolimits} )()

Локальные экстремумы

Локальный минимум (максимум)
Пусть функция  f (x )  определена в некоторой окрестности точки x0  . 
Функция  f (x )  имеет в точке x0  локальный минимум, если существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0  ,  на которой
 f (x )  ≥  f (x0 )  при x ∈ ○ U (x0 )  . 
Если выполняется строгое неравенство  f (x )  >  f (x0 )  ,  то говорят, что в точке x0 
строгий локальный минимум. В противном случае – нестрогий локальный минимум.

Функция  f (x )  имеет в точке x0  локальный максимум, если
 f (x )  ≤  f (x0 )  при x ∈ ○ U (x0 )  . 
Если выполняется строгое неравенство  f (x )  <  f (x0 )  ,  то говорят, что в точке x0 
строгий локальный максимум. В противном случае – нестрогий локальный максимум.

Локальный экстремум
– это локальный минимум или локальный максимум.
Строгий локальный экстремум
– это строгий локальный минимум или строгий локальный максимум.
Нестрогий локальный экстремум
– это нестрогий локальный минимум или нестрогий локальный максимум.

Теоремы о среднем

Теорема о необходимом условии экстремума (Ферма)
Если точка x = x0  является точкой локального экстремума (строгого или нестрогого) функции  f (x ) 
и она дифференцируема в этой точке,
то  f  ′(x0 )  = 0 . 
Доказательство
Теорема Ролля о нулях производной
Теорема Ролля о нулях производной
Теорема Ролля о нулях производной
Пусть функция  f (x ) 
1) непрерывна при a ≤ x ≤ b ; 
2) дифференцируема при a < x < b ; 
3)  f (a )  =  f (b )  . 
Тогда существует точка ξ ∈ (a, b )  такая, что производная функции в ней равна нулю:
 f  ′(ξ )  = 0 ,  где a < ξ < b . 
Доказательство
Теорема Лагранжа конечных приращений
Теорема Лагранжа конечных приращений
Теорема Лагранжа конечных приращений
Пусть функция  f (x ) 
1) непрерывна при a ≤ x ≤ b ; 
2) дифференцируема при a < x < b . 
Тогда существует точка ξ ∈ (a, b )  такая, что производная функции в ней равна угловому коэффициенту прямой, проведенной через точки (a,  f (a ) )  и (b,  f (b ) )   : 
 f  ′(ξ )  =  f (b )  –  f (a ) b – a  ,  где a < ξ < b . 
Или
 f (b )  –  f (a )  =  f  ′(ξ ) (b – a )  ,  где a < ξ < b . 
Доказательство
Формула конечных приращений Лагранжа
– это следующая формула:
 f (b )  –  f (a )  =  f  ′(ξ ) (b – a )  ,  где a < ξ < b ; 
где функция  f (x )  непрерывна на отрезке [a, b ]  и дифференцируема внутри него.
Ее также можно записать в следующем виде:
 f (x0  + Δx )  –  f (x0 )  =   f  ′(x0  + θΔx ) Δx ,  где 0 < θ < 1 ; 
где функция  f (x )  непрерывна на отрезке с концами x0 , x0  + Δx и дифференцируема внутри него.
Формула бесконечно малых приращений
 f (x0  + Δx )  –  f (x0 )  ≈  f  ′(x0 ) Δx , 
где функция  f (x )  дифференцируема в точке x0  . 
Теорема Коши обобщенных конечных приращений
Пусть функции y (t ) , x (t ) 
1) непрерывны при α ≤ t ≤ β ; 
2) дифференцируемы при α < t < β ; 
3) x ′(t )  ≠ 0 при α < t < β . 
Тогда существует точка ξ ∈ (α, β )  ,  для которой справедлива формула конечных приращений Коши:
y ′(ξ ) x ′(ξ )  = y (β )  – y (α ) x (β )  – x (α )   . 
Если обозначить xa  = x (α ) ,  xb  = x (β ) ,  ya  = y (α ) ,   yb  = y (β ) ,  xξ  = x (ξ )  ,  то предыдущая формула примет вид:
dydx (xξ )  = yb  – ya xb  – xa   . 
Доказательство

Следствия из теоремы Лагранжа

Свойство функции с равной нулю производной
Если функция  f (x )  дифференцируема на интервале a < x < b
и ее производная равна нулю:
 f  ′(x )  = 0 при x ∈ (a, b )  , 
то функция  f  есть постоянная, не зависящая от x величина:
 f (x )  = C   при x ∈ (a, b )  . 
Свойство двух функций с равными производными
Пусть функции  f (x )  и g (x )  дифференцируемы на интервале a < x < b . 
И пусть  f  ′(x )  = g ′(x )  при x ∈ (a, b )  . 
Тогда функции  f  и g различаются на постоянную величину:
 f (x )  = g (x )  + C   при x ∈ (a, b )  . 

Свойства производной

Теорема Дарбу о промежуточных значениях производной
Пусть функция  f (x )  дифференцируема на отрезке [a, b ]  . 
Тогда ее производная принимает на интервале (a, b )  все значения, заключенные между  f  ′(a )  и  f  ′(b )   : 
∀u ∈ ( f  ′(a ) ,  f  ′(b ) )  ∃ ξ ∈ (a, b )  :   f  ′(ξ )  = u ,  если  f  ′(a )  <  f  ′(b )  ,  и
∀u ∈ ( f  ′(b ) ,  f  ′(a ) )  ∃ ξ ∈ (a, b )  :   f  ′(ξ )  = u ,  если  f  ′(b )  <  f  ′(a )  . 
Доказательство
Теорема о пределе производной
1. Пусть функция  f (x )  дифференцируема в некоторой проколотой окрестности ○ U (x0 )  точки x0  , 
непрерывна в этой точке,
и существует конечный предел производной
limx → x0   f  ′(x )  = A , 
то существует производная в x0  ,  равная этому пределу:
 f  ′(x0 )  = A . 

2. Если функция  f (x )  дифференцируема в левой проколотой окрестности точки x0  , 
непрерывна слева в этой точке,
и существует конечный левый предел производной
limx → x0  – 0  f  ′(x )  = A , 
то существует левая производная в x0  ,  равная этому пределу:
 f  ′– (x0 )  = A . 

3. Если функция  f (x )  дифференцируема в правой проколотой окрестности точки x0  , 
непрерывна справа в этой точке,
и существует конечный правый предел производной
limx → x0  + 0  f  ′(x )  = A , 
то существует правая производная в x0  ,  равная этому пределу:
 f  ′+ (x0 )  = A . 
Доказательство

Теорема также справедлива, если A = + ∞ или A = – ∞ .  Ее можно записать в символическом виде.

limx → ~x0   f (x )  =  f (x0 ) ,  x0  ∈ R , 
limx → ~x0   f  ′(x )  = A ∈ R , 
∃ f  ′(~x0 )  = limx → ~x0   f  ′(x )  . 
Здесь ~x0  = x0 ,  x0  – 0 или x0  + 0 . 

Выразим производную в x0  через приращения. По теореме о пределе производной и определению производной:
 f  ′(x0 )  = limx → x0   f  ′(x )  =  limx → x0  limΔx → 0  f (x + Δx )  –  f (x ) Δx ≡  limx → x0  limΔx → 0 Δ f (x ) Δx  . 
По определению производной и в силу непрерывности функции в x0   : 
 f  ′(x0 )  = limΔx → 0 Δ f (x0 ) Δx ≡  limΔx → 0  f (x0  + Δx )  –  f (x0 ) Δx = 
 limΔx → 0 limx → x0   f (x + Δx )  –  f (x ) Δx ≡  limΔx → 0 limx → x0  Δ f (x ) Δx  . 
Сравнивая, получаем:
limx → x0  limΔx → 0 Δ f (x ) Δx = limΔx → 0 limx → x0  Δ f (x ) Δx  . 
То есть, при указанных условиях, предельные переходы можно переставлять.

Теорема о разрывах производной
Если функция  f (x )  дифференцируема на интервале a < x < b , 
то ее производная не может иметь точек разрыва первого рода на этом интервале,
но может иметь точки разрыва второго рода.
То есть в точке x0  ∈ (a, b )  производная или непрерывна, или имеет разрыв второго рода.
Доказательство

Это означает, что производная дифференцируемой функции не может иметь скачков. Однако возможны точки, при стремлении к которым, предела производной не существует.
Пример:

 f (x )  = { 
x 2 sin 1x , x ≠ 0
0, x = 0
 

Производная определена для всех x ,     f  ′(0 )  = limx → 0  f (x )  –  f (0 ) x – 0 =  limx → 0 ( x sin 1x  )  = 0 .  Но в точке x = 0 производная имеет разрыв второго рода, поскольку предела limx → 0  f  ′(x )  = limx → 0 ( 2x sin 1x – cos 1x  )    не существует.
Следствие о неравенствах
Если функции u (x )  и v (x )  дифференцируемы при x ≥ x0  , 
и выполняются условия:
u (x0 )  = v (x0 )  , 
u ′(x )  > v ′(x )  при x > x0  . 
Тогда
u (x )  > v (x )  при x > x0  . 

Правило Лопиталя

См. также Решение пределов по правилу Лопиталя

Теорема о раскрытии неопределенности 0/0
Пусть функции f и g имеют производные в проколотой (двусторонней или односторонней) окрестности конечной или бесконечно удаленной (∞,  + ∞,  – ∞) точке x0  ,  причем g и g ′ не равны нулю в этой окрестности. И пусть
limx → ~x0   f (x )  = limx → ~x0  g (x )  = 0 . 
Тогда, если существует конечный или бесконечный предел
limx → ~x0   f  ′(x ) g ′(x )  = a , 
то существует равный ему предел
limx → ~x0   f (x ) g (x )  = limx → ~x0   f  ′(x ) g ′(x )  = a . 
Здесь ~x0  = x0  для двусторонней окрестности. Для односторонней окрестности, ~x0  = x0  ± 0 ,  или ~x0  = ± ∞ . 

Теорема о раскрытии неопределенности ∞/∞
Пусть функции f и g имеют производные в проколотой (двусторонней или односторонней) окрестности конечной или бесконечно удаленной (∞,  + ∞,  – ∞) точке x0  ,  причем g ′ не равна нулю в этой окрестности. И пусть
limx → ~x0   f (x )  = limx → ~x0  g (x )  = ∞ (± ∞ )  . 
Тогда, если существует конечный или бесконечный предел
limx → ~x0   f  ′(x ) g ′(x )  = a , 
то существует равный ему предел
limx → ~x0   f (x ) g (x )  = limx → ~x0   f  ′(x ) g ′(x )  = a . 
Здесь ~x0  = x0  для двусторонней окрестности. Для односторонней окрестности, ~x0  = x0  ± 0 ,  или ~x0  = ± ∞ . 

Формула Тейлора

Определения

Формула Тейлора
Пусть функция  f (x )  имеет в точке x0  производную n-го порядка:  f  (n )  (x0 )  .  Формула
 f (x )  =  nΣk = 0  f  (k )  (x0 ) k! (x – x0 )  k  + rn (x )  =  Pn (x )  + rn (x ) 
называется формулой Тейлора функции f в точке x0  . 
Многочлен Тейлора
– это многочлен
Pn (x )  = nΣk = 0  f  (k )  (x0 ) k! (x – x0 )  k  . 
k-й член формулы Тейлора
– это степенная функция
 f  (k )  (x0 ) k! (x – x0 )  k 
Остаточный член формулы Тейлора
– это разность функции  f (x )  и ее многочленом Тейлора:
rn (x )  =  f (x )  – Pn (x )  . 

Формула Маклорена
– это формула Тейлора в точке x0  = 0 . 

Остаточный член формулы Тейлора в форме Пеано и Лагранжа

Теорема. Формула Тейлора с остаточным членом в форме Пеано
Если существует производная n-го порядка функции  f (x )  в точке x0  ,  то
(Т1)    f (x )  = nΣk = 0  f  (k )  (x0 ) k! (x – x0 )  k  +  o ((x – x0 )  n )  при x → x0  . 
Формула Тейлора с остаточным членом в форме Пеано
– это формула (Т1).
Теорема. Формула Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа
Пусть функция  f (x )  имеет производные до (n + 1 ) - го порядка включительно в некоторой окрестности U (x0 )  точки x0   : 
∃  f  (n + 1 )  (x )  при x ∈ U (x0 )  . 
Тогда для любого x ∈ U (x0 )  существует точка ξ ∈ (x0 , x )  ,  или ξ ∈ (x, x0 )  ,  так что
(Т2)    f (x )  = nΣk = 0  f  (k )  (x0 ) k! (x – x0 )  k  +   f  (n + 1 )  (ξ ) (n + 1 ) ! (x – x0 )  n + 1  . 
Остаточный член формулы Тейлора в форме Лагранжа
– это функция rn (x )  =  f  (n + 1 )  (ξ ) (n + 1 ) ! (x – x0 )  n + 1  из (Т2).

Теорема единственности

Пусть в окрестности точки x0  имеют место следующие разложения функции f в степенные ряды:
 f (x )  = a0  + a1 (x – x0 )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  an (x – x0 )  n  + o ((x – x0 )  n )  ; 
 f (x )  = b0  + b1 (x – x0 )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  bn (x – x0 )  n  + o ((x – x0 )  n )  . 
Тогда a0  = b0 ,  a1  = b1 , . . . an  = bn  . 

Разложение элементарных функций в ряд Тейлора (Маклорена)

Далее приводится разложение элементарных функций в степенной ряд по формуле Маклорена.

e x  = 1 + x + x 2 2! + x 3 3! + ⋅ ⋅ ⋅ +  x n n! + o (x n )  ; 
ln (1 + x )  = x – x 2 2 + x 3 3 – ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n – 1 x n n + o (x n )  ; 
(1 + x )  a  = 1 + ax + a (a – 1 ) 2! x 2  +  a (a – 1 ) (a – 2 ) 3! x 3  + ⋅ ⋅ ⋅ +  C na x n  + o (x n )  , 
где C na  = a (a – 1 ) ⋅ ⋅ ⋅(a – (n – 1 ) ) n!  ; 
sin x = x – x 3 3! + x 5 5! + ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n x 2n + 1 (2n + 1 ) ! + o (x 2n + 2 )  ; 
cos x = 1 – x 2 2! + x 4 4! + ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n x 2n (2n ) ! + o (x 2n + 1 )  ; 
tg x = x + 13 x 3  + 215 x 5  + ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n – 1 2 2n (2 2n  – 1 ) B2n (2n ) ! x 2n – 1  +  o (x 2n )  , 
где Bn  – числа Бернулли: B0  = 1 ,    1 + C 1n B1  + C 2n B2  + ⋅ ⋅ ⋅ + C n – 1n Bn – 1 ,  C mn  = n!m!(n – m ) !  ; 
ctg x = 1x – 13 x – 145 x 3  – ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n 2 2n B2n (2n ) ! x 2n – 1  + o (x 2n )  ; 
arcsin x = x + 12 ⋅ x 3 3 +  1 ⋅ 32 ⋅ 4 ⋅ x 5 5 + ⋅ ⋅ ⋅ +  (2n – 1 ) !!(2n ) !! x 2n + 1 2n + 1 + o (x 2n + 2 )  ; 
arccos x = π2 – arcsin x ; 
arctg x = x – x 3 3 + x 5 5 – ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n x 2n + 1 2n + 1 + o (x 2n + 2 )  ; 
arcctg x = π2 – arctg x ; 
sh x = x + x 3 3! + x 5 5! + ⋅ ⋅ ⋅ +  x 2n + 1 (2n + 1 ) ! + o (x 2n + 2 )  ; 
ch x = 1 + x 2 2! + x 4 4! + ⋅ ⋅ ⋅ +  x 2n (2n ) ! + o (x 2n + 1 )  ; 
th x = x – 13 x 3  + 215 x 5  – ⋅ ⋅ ⋅ +  2 2n (2 2n  – 1 ) B2n (2n ) ! x 2n – 1  + o (x 2n )  , 
cth x = 1x + 13 x – 145 x 3  + ⋅ ⋅ ⋅ +  2 2n B2n (2n ) ! x 2n – 1  + o (x 2n )  ; 
arsh x = x – 12 ⋅ x 3 3 +  1 ⋅ 32 ⋅ 4 ⋅ x 5 5 – ⋅ ⋅ ⋅ +  (– 1 )  n (2n – 1 ) !!(2n ) !! x 2n + 1 2n + 1 + o (x 2n + 2 )  ; 
arth x = x + x 3 3 + x 5 5 + ⋅ ⋅ ⋅ +  x 2n + 1 2n + 1 + o (x 2n + 2 )  . 

Вычисление пределов с помощью формулы Тейлора

Одним из самых мощных методов раскрытия неопределенностей и вычисления пределов является разложение функций в степенной ряд, используя формулу Тейлора. Применение этого метода состоит из следующих шагов.
1) Приводим неопределенность к виду 0/0 при переменной x , стремящейся к нулю.
2) Раскладываем числитель и знаменатель в ряд Тейлора в окрестности точки x0  = 0 .  При этом выполняем разложение до такой степени x n  ,  которая необходима для устранения неопределенности. Остальные члены включаем в o (x n )  . 

Исследование функций с помощью производных

Возрастание и убывание функции

Монотонность на интервале

Критерий нестрогой монотонности дифференцируемой функции на интервале
Пусть функция  f (x )  дифференцируема на интервале (a, b )  . 
Для того чтобы функция  f (x )  не строго возрастала на этом интервале, необходимо и достаточно, чтобы
 f  ′(x )  ≥ 0 при a < x < b . 
Для того чтобы функция  f (x )  не строго убывала на этом интервале, необходимо и достаточно, чтобы
 f  ′(x )  ≤ 0 при a < x < b . 
Достаточное условие строгого возрастания (убывания) дифференцируемой функции на интервале
Пусть функция  f (x )  дифференцируема на интервале (a, b )  . 
Если  f  ′(x )  > 0 при a < x < b , 
то функция строго возрастает при a < x < b . 
Если  f  ′(x )  < 0 при a < x < b , 
то функция строго убывает при a < x < b . 

Условие только достаточное. Например,  f (x )  = x 3  строго возрастает для всех x .  Но условие  f  ′(x )  > 0 не выполняется, поскольку  f  ′(0 )  = 0 . 

Монотонность на отрезке

Критерий нестрогой монотонности дифференцируемой функции на отрезке
Пусть функция  f (x )  непрерывна на отрезке [a, b ]  и
дифференцируема на интервале (a, b )  . 
Для того чтобы функция  f (x )  не строго возрастала на этом отрезке, необходимо и достаточно, чтобы
 f  ′(x )  ≥ 0 при a < x < b . 
Для того чтобы функция  f (x )  не строго убывала на отрезке, необходимо и достаточно, чтобы
 f  ′(x )  ≤ 0 при a < x < b . 
Достаточное условие строгого возрастания (убывания) дифференцируемой функции на отрезке
Пусть функция  f (x )  непрерывна на отрезке [a, b ]  , 
дифференцируема на интервале (a, b )  . 
Если  f  ′(x )  >  при x ∈ (a, b )  , 
то  f (x )  строго возрастает на отрезке [a, b ]  . 
Если  f  ′(x )  <  при x ∈ (a, b )  , 
то  f (x )  строго убывает на отрезке [a, b ]  . 

Монотонность в точке

Возрастание функции в точке
Функция  f (x )  строго возрастает в точке x0 , если существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0  ,  на которой
 f (x )  –  f (x0 ) x – x0  > 0 при x ∈ ○ U (x0 )  . 
Убывание функции в точке
Функция  f (x )  строго убывает в точке x0 , если существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0  ,  на которой
 f (x )  –  f (x0 ) x – x0  < 0 при x ∈ ○ U (x0 )  . 
Теорема о монотонности в точке
Пусть функция  f (x )  имеет производную в точке x0  . 
Если  f  ′(x0 )  > 0 ,  то
функция строго возрастает в x0  . 
Если  f  ′(x0 )  < 0 ,  то
функция строго убывает в x0  . 

Экстремумы

См. также Локальные экстремумы

Стационарная точка
– это точка, в которой производная равна нулю.
Критическая точка
– это точка, в которой производная функции либо равна нулю, либо не существует.
Изменение знака функции при переходе чарез точку
Пусть на некоторой проколотой окрестности ○ U (x0 )  точки x0  функция g (x )  определена, и
g (x )  < 0 при x < x0 ,  x ∈ ○ U (x0 )  , 
g (x )  > 0 при x > x0 ,  x ∈ ○ U (x0 )  . 
То говорят, что функция g (x )  меняет знак с минуса на плюс при переходе через точку x0 .
Если
g (x )  > 0 при x < x0 ,  x ∈ ○ U (x0 )  , 
g (x )  < 0 при x > x0 ,  x ∈ ○ U (x0 )  . 
То говорят, что функция g (x )  меняет знак с плюса на минус при переходе через точку x0 .
Необходимое условие экстремума
Если точка x0  является точкой локального экстремума, то
x0  – критическая точка. То есть либо  f  ′(x0 )  = 0 ,  либо производной в x0  не существует.
Первое достаточное условие строгого экстремума
Пусть функция  f (x )  дифференцируема в некоторой проколотой окрестности точки x0  , 
и непрерывна в x0  . 
Если производная меняет знак с минуса на плюс, при переходе через точку x0  , 
то x0  – точка строгого минимума функции  f  . 
Если производная меняет знак с плюса на минус, при переходе через точку x0  , 
то x0  – точка строгого максимума функции  f  . 
Второе достаточное условие строгого экстремума
Пусть функция  f (x )  определена в некоторой окрестности точки x0  . 
И пусть первые n – 1 > 1 производных в этой точке равны нулю, а n-я производная отлична от нуля:
 f  ′(x0 )  = 0,  f  ′′(x0 )  = 0, . . . ,  f  (n – 1 )  (x0 )  = 0,  f  (n )  (x0 )  ≠ 0 . 
Пусть n четно.
Если  f  (n )  (x0 )  > 0 , 
то x0  – точка строгого локального минимума функции  f  . 
Если  f  (n )  (x0 )  < 0 , 
то x0  – точка строгого локального максимума функции  f  . 
Если n нечетно,
то x0  – точка не является точкой нестрогого локального экстремума функции  f  . 

Выпуклость

Выпуклость функции
Функция  f  называется строго выпуклой вниз на открытом или замкнутом интервале ❬a, b ❭  ,  если для любых точек x1 , x2  ∈ ❬a, b ❭ ,  x1  < x2  из этого интервала и для любого t ∈ (0, 1 )  выполняется неравенство
 f ((1 – t ) x1  + tx2 )  <  (1 – t )  f (x1 )  + tf (x2 )  . 
Функция  f  называется строго выпуклой вверх, если при тех же условиях,
 f ((1 – t ) x1  + tx2 )  >  (1 – t )  f (x1 )  + tf (x2 )  . 
Функция  f  называется нестрого выпуклой вниз, если
 f ((1 – t ) x1  + tx2 )  ≤  (1 – t )  f (x1 )  + tf (x2 )  . 
Функция  f  называется нестрого выпуклой вверх, если
 f ((1 – t ) x1  + tx2 )  ≥  (1 – t )  f (x1 )  + tf (x2 )  . 

Геометрически это означает, что если мы проведем через любые две точки (x1 ,  f (x1 ) ) , (x2 ,  f (x2 ) )  хорду, то, в случае выпуклости вниз, график функции  f (x )  будет ниже хорды при строгом условии, или не выше ее, при нестрогом условии. В случае выпуклости вверх, график  f (x )  будет располагаться выше хорды, или не ниже ее.

Критерий нестрогой выпуклости
Пусть функция  f  дважды дифференцируема на интервале (a, b )  . 
Функция  f  нестрого выпукла вверх (вниз) на (a, b )  тогда и только тогда, когда
 f  ′′(x )  ≥ 0 (  f  ′′(x )  ≤ 0  )  для всех x ∈ (a, b )  . 
Достаточные условия строгой выпуклости
Пусть функция  f  дважды дифференцируема на интервале (a, b )  . 
Если  f  ′′(x )  > 0 (  f  ′′(x )  < 0  )  для всех x ∈ (a, b )  , 
то функция  f  строго выпукла вверх (вниз) на (a, b )  . 
Точка перегиба
Точка x0  называется точкой перегиба функции  f  ,  если функция при переходе через эту точку меняет направление выпуклости. То есть выполняются следующие условия:
1) функция непрерывна в x0  , 
2) фyнкция имеет в этой точке конечную или бесконечную производную  f  ′(x0 )  , 
3) существует такая окрестность U (x0 )  точки x0  ,  на которой
функция нестрого выпукла вверх (вниз) при x < x0 ,  x ∈ ○ U (x0 )  , 
функция нестрого выпукла вниз (вверх) при x > x0 ,  x ∈ ○ U (x0 )  . 
Критерий точки перегиба
Пусть функция  f  непрерывна в некоторой окрестности U (x0 )  точки x0  , 
и дважды дифференцируема в проколотой окрестности ○ U (x0 )  . 
Пусть существует конечная или бесконечная производная  f  ′(x0 )  . 
Точка x0  является точкой перегиба тогда и только тогда, когда вторая производная меняет знак в этой точке. То есть
 f  ′′(x )  ≥ 0 при x < x0 ,  x ∈ U (x0 )  и
 f  ′′(x )  ≤ 0 при x > x0 ,  x ∈ U (x0 )  . 
Либо
 f  ′′(x )  ≤ 0 при x < x0 ,  x ∈ U (x0 )  и
 f  ′′(x )  ≥ 0 при x > x0 ,  x ∈ U (x0 )  . 
Необходимое условие наличия точки перегиба
Если x0  – точка перегиба функции  f  , 
и если функция  f (x )  имеет в некоторой окрестности точки x0  вторую производную, непрерывную в точке x0  ,  то
 f  ′′(x0 )  = 0 . 
Точка распрямления графика
– это точка x0  ,  в которой
 f  ′′(x0 )  = 0 . 

Асимптоты

Асимптота наклонная, горизонтальная
Прямая y = kx + b называется асимптотой графика функции  f (x )  при x →  ± ∞ ,  если
limx →  ± ∞ ( f (x )  – kx – b  )  = 0 . 
Если k ≠ 0 ,  асимптота называется наклонной. Если k = 0 – горизонтальной.
Под выражением x →  ± ∞ подразумевается либо x →  + ∞ ,  либо x →  – ∞ . 
Асимптота вертикальная
Прямая x = x0  называется вертикальной асимптотой графика функции  f (x )  ,  если выполняется хотя бы одно из условий:
limx → x0  – 0  f (x )  = ± ∞ , 
limx → x0  + 0  f (x )  = ± ∞ . 
Теорема о наклонных асимптотах
Для того чтобы прямая y = kx + b была асимптотой графика функции y =  f (x )  при x →  + ∞ ,  необходимо и достаточно,
чтобы существовали конечные пределы
limx →  + ∞  f (x ) x = k , 
limx →  + ∞ ( f (x )  – kx  )  = b . 

Для асимптоты при x →  – ∞ ,  условия теоремы аналогичны.

План построения графиков функций

  1. Найти область определения функции. Выяснить, является функция четной, нечетной, периодической.
  2. Найти точки пересечения графика функции с осями координат и промежутки, на которых  f (x )  > 0 и  f (x )  < 0 . 
  3. Найти асимптоты графика.
  4. Вычислить первую производную  f  ′(x )  .  Найти критические точки из уравнения  f  ′(x )  = 0 и добавляя точки, в которых производная не существует. Найти промежутки возрастания ( f  ′(x )  > 0), убывания ( f  ′(x )  < 0) и экстремумы.
  5. Вычислить вторую производную  f  ′′(x )  и, приравнивая ее к нулю, найти корни уравнения  f  ′′(x )  = 0 и точки, в которых  f  ′′(x )  не существует. Найти промежутки выпуклости вниз ( f  ′′(x )  > 0), вверх ( f  ′′(x )  < 0) и точки перегиба.
  6. Если возможно, найти значения функции в экстремумах и точках перегиба.
  7. Построить график.

Использованная литература:
Я.М. Дымарский. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Функции одной переменной. Москва, МФТИ, 2020.
Г.Е. Иванов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. ©Иванов Г.Е., 2018.
А.Ю. Петрович. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Введение в математический анализ. Москва, МФТИ, 2017.
А.М. Тер-Крикоров, М.И. Шабунин. Курс математического анализа. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2001.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню