Теорема Ферма о необходимом условии экстремума функции
Теорема о необходимом условии экстремума (Ферма)
Если точка x = x0 является точкой строгого или нестрогого локального экстремума функции f (x),и она дифференцируема в этой точке,
то ее производная в x0 равна нулю:
f  ′(x0) = 0.
Для доказательства применим определение локального экстремума и лемму об односторонних производных
Пусть точка x0 является точкой локального минимума. Тогда существует такая проколотая окрестность ○U(x0) этой точки, на которой f (x) определена, и
f (x) – f (x0) ≥ 0.
Оценим левую производную в x0. Слева от x0, x – x0 < 0. Поэтому
f (x) – f (x0)x – x0 ≤ 0 при x ∈ ○ U(x0) и x – x0 < 0.
По свойству пределов функций, связанных неравенством,
limx → x – 0 f (x) – f (x0)x – x0 ≤ 0.
Но этот предел является левой производной. Отсюда получаем, что левая производная не может быть положительной:
(1) f  ′–(x0) ≤ 0.
Аналогичным образом, справа от x0, x – x0 > 0;
f (x) – f (x0)x – x0 ≥ 0 при x ∈ ○ U(x0) и x – x0 > 0.
limx → x – 0 f (x) – f (x0)x – x0 ≥ 0.
Отсюда получаем, что правая производная не может быть отрицательной:
(2) f  ′+(x0) ≥ 0.
Согласно лемме об односторонних производных, у дифференцируемой функции левая производная равна правой и равна производной:
(3) f  ′–(x0) = f  ′+(x0) = f  ′(x0).
Тогда из (1), (2) и (3) следует, что производная не может быть положительной, и не может быть отрицательной. То есть она может только быть равной нулю:
f  ′(x0) = 0.
Аналогично, если x0 является точкой локального максимума, то существует такая проколотая окрестность ○U(x0), на которой f (x) определена, и
f (x) – f (x0) ≤ 0.
Слева от x0, x – x0 < 0;
f (x) – f (x0)x – x0 ≥ 0 при x ∈ ○ U(x0) и x – x0 < 0;
limx → x – 0 f (x) – f (x0)x – x0 ≥ 0;
f  ′–(x0) ≥ 0.
Справа от x0, x – x0 > 0;
f (x) – f (x0)x – x0 ≤ 0 при x ∈ ○ U(x0) и x – x0 > 0;
limx → x – 0 f (x) – f (x0)x – x0 ≤ 0;
f  ′+(x0) ≤ 0.
Отсюда
f  ′(x0) = f  ′–(x0) = f  ′+(x0) = 0.
Теорема доказана.
Замечания
Условие f  ′(x0) = 0 является необходимым условием экстремума, но не достаточным. Например, для функции f (x) = x 3, f  ′(0) = 0, но точка x0 = 0 не является локальным экстремумом.
Однако, для нахождения локальных минимумов или максимумов, часто находят корни уравнения f  ′(x) = 0. После чего исследуют каждый корень, применяя достаточное условие экстремума. Например условие, чтобы производная меняла знак при переходе через точку xn, в которой f  ′(xn) = 0.
Если точка x0 находится на границе области определения функции f (x), то в ней может существовать только односторонняя производная. В этом случае f (x) не является дифференцируемой в x0. Поэтому она может иметь в x0 локальный экстремум несмотря на то, что односторонняя производная не равна нулю.
Геометрический смысл
Условие f (x0) = 0 означает, что касательная к графику функции y = f (x), проведенная в точке локального экстремума, параллельна оси абсцисс.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: