Logga in
Denna lektion förklarar konceptet med globala extremvärden i matematik. Extremvärden är de punkter där en funktion når sitt största (maximum) eller minsta (minimum) värde. Dessa värden kan hittas genom att studera funktionens derivata. När derivatan är noll, har vi en potentiell extrempunkt. Genom att jämföra dessa punkter och funktionens värden vid dess ändpunkter kan vi bestämma de globala extremvärdena. Detta är viktigt inom många områden, inklusive optimering.
| | 6 sidor teori |
| | 14 Uppgifter - Nivå 1 - 3 |
| | Varje lektion är menad motsvara 1-2 lektioner i klassrummet. |
För att bestämma en funktions globala extremvärden, dvs. funktionens största och minsta värden, måste man känna till dess extrempunkter. Vissa av dem kan hittas genom att derivatan sätts lika med 0, men om funktionen är definierad på ett intervall måste man även ta hänsyn till dess ingående ändpunkter. Dessa är också extrempunkter men eftersom derivatan inte är 0 där undersöks de separat.
I den här lektionen går vi igenom följande begrepp:
Funktioner är ibland definierade på intervall, dvs. endast för vissa x-värden. Det kan t.ex. bero på att
Det sistnämnda är exempelvis fallet om man låter funktionen A=π r^2 beskriva arean A m^2 av en matta med radien r meter på en rund scen som har radien 10 m. De möjliga värdena på mattans radie är då 0 < r ≤ 10, eftersom radien måste ha en positiv längd och inte heller får överstiga scenens.
På motsvarande sätt är den vänstra ändpunkten ett lokalt minimum. I det här fallet är den även ett globalt minimum eftersom punkten är lägre än alla andra punkter på grafen.
Bestäm ändpunkternas koordinater för tredjegradsfunktionen f(x)=8x - x^3 på intervallet - 1≤ x≤ 3.
x= -1
Beräkna potens & produkt
a-(- b)=a+b
Addera termerna
Den vänstra ändpunkten är alltså (-1,-7). Nu sätter vi även in x=3 i funktionen.
x= 3
Beräkna potens & produkt
Subtrahera term
De två ändpunkterna är (-1,-7) och (3,-3).
Med största och minsta värde för en funktion menar man y-värdena i funktionens globala extrempunkter (om det finns några), vilka även kallas för funktionens globala extremvärden. För en funktion med sammanhängande graf på ett slutet intervall antas största och minsta värde antingen i
så länge de inte är terrasspunkter. Genom att välja ut det största och minsta y-värdet från dessa punkter får man fram funktionens globala extremvärden. Man kan t.ex. göra detta för funktionen f(x)=2x^3+3x^2-12x på intervallet -3 ≤ x ≤ 3.
x= - 3
Beräkna potens
Multiplicera faktorer
Addera termerna
Den vänstra ändpunkten har y-värdet 9.
x= 3
Beräkna potens
Multiplicera faktorer
Addera och subtrahera termerna
Den högra ändpunkten har y-värdet 45.
f(-2)=20 och f(1)=-7, dvs. y-värdena är 20 och -7.
Jämför man punkternas funktionsvärden hittar man de globala extremvärdena. Minsta värde:& -7 Största värde:& 45 Om man har en grafritare är det alltid bra att kontrollera att det verkar rimligt genom att rita upp funktionen.
Översiktligt kan arbetsgången för att hitta en funktions största och minsta värde, dvs. funktionens globala extremvärden, beskrivas av följande flödesschema.
Bestäm koordinaterna för de globala extrempunkterna till f(x)=x^4/4+x^3+9 på intervallet -5 ≤ x ≤ 2.
Ändpunkterna har x-koordinaterna 2 och -5. Vi sätter in dem i funktionsuttrycket f(x)= x^44+x^3+9, en i taget.
x= 2
Beräkna potens
Beräkna kvot
Addera termerna
Den högra ändpunkten har alltså koordinaterna (2,21). Nu sätter vi in x=-5.
De två ändpunkternas koordinater är (2,21) och (-5;40,25).
Vi börjar med att derivera funktionen.
Derivera funktion
D(x^n/a) = nx^(n-1)/a
D(x^n) = nx^(n-1)
D(a) = 0
Förenkla kvot
Derivatan är alltså f'(x)=x^3+3x^2. Nu sätter vi den till 0 för att hitta derivatans nollställen. Vi får då en ekvation som vi löser med nollproduktmetoden.
f'(x)= 0
Omarrangera ekvation
Dela upp i faktorer
Bryt ut x^2
Använd nollproduktmetoden
(I): sqrt(VL)=sqrt(HL)
(I): Förenkla rot & termer
(II): VL-3=HL-3
Vi har alltså stationära punkter i x=-3 och x=0, vilka båda ligger på det givna intervallet -5 ≤ x ≤ 2. Vi beräknar y-värdena för x=0 och x=-3. f( -3)&=( -3)^4/4+( -3)^3+9=2,25 [0.75em] f( 0)&=0^4/4+ 0^3+9=9 Funktionen f(x) har alltså stationära punkter i (-3; 2,25) och (0, 9).
Nu har vi undersökt alla lokala extrempunkter och hittat
Den globala minimipunkten för funktionen på det givna intervallet är (-3; 2,25) eftersom 2,25 är det minsta y-värdet. Den globala maximipunkten är (-5;40,25). Vi kan kontrollera detta genom att rita upp funktionen.
Lokala extrempunkter är punkter på grafen som är antingen maximi- eller minimipunkter. Detta gäller för alla punkter utom F, som är en terrasspunkt.
Globala extrempunkter är maximi- eller minimipunkter som markerar antingen det största eller minsta värdet för hela intervallet. Eftersom B ligger högre än alla andra punkter och H ligger lägre än alla andra är dessa två globala extrempunkter.
Ange koordinaterna för följande.
Ändpunkterna sitter i början och slutet av grafen.
Genom att läsa av punkternas x- och y-värden kommer vi fram till att ändpunkterna har koordinaterna (-4,3) och (4,-2).
Funktionens globala maximum är den punkt som ligger högre än alla andra punkter på grafen. I det här fallet är det (3,4).
På motsvarande sätt är funktionens globala minimum den punkt som ligger lägre än alla andra punkter på grafen. Den här funktionen antar samma minsta värden i två olika punkter, så då räknas båda som globala minima.
Funktionens globala minima är därför (-2,5;-2) och (4,-2).
Bestäm, med hjälp av räknare, största och minsta värde för funktionen y=0,01 x^5 - 0,58 x^3 + 4,3 x +1,5 på intervallet -8 ≤ x ≤ 7.
Vi börjar med att trycka på Y= och skriva in funktionsuttrycket, sedan trycker vi på GRAPH för att rita upp grafen. Man kan behöva testa sig fram tills man hittar bra inställningar för koordinatsystemet. Det kan vara bra att ställa in x-axeln så att man ser lite utanför det givna intervallet, t.ex. från -10 till 10. Man kan t.ex. välja att ställa in y-axeln från -80 till 50.
Nu ska vi hitta det största och minsta värdet. Vi kan börja med att bestämma y-värdena för ändpunkterna. För att hitta funktionens y-värden för dessa xvärden, x=-8 och x=7, kan man trycka på TRACE och sedan t.ex. -8 följt av ENTER.
I den vänstra ändpunkten är y-värdet alltså -63,62. Vi gör samma sak för den högra ändpunkten.
Än så länge vet vi alltså att ändpunkternas y-värden är y=-63,62 och y=0,73. Vi skissar upp kurvan och skriver in det vi vet. Vi ser då att funktionens minsta värde måste antas i den vänstra ändpunkten, eftersom den ligger lägre än alla andra punkter på grafen på intervallet. Det största värdet måste antas i den första maximipunkten eftersom vi ser att den ligger högre än alla andra punkter.
Slutligen bestämmer vi alltså maximipunktens koordinater med räknarens verktyg för detta.
Vi skriver in denna information i skissen.
Funktionens minsta värde är alltså ca -64 och det största ca 24.
Derivatan f'(x) till funktionen f(x)=3x^4-28x^3-60x^2+192x+13 har nollställena x=-2, x=1 och x=8. Bestäm funktionens största och minsta värde på intervallet -3≤ x≤ 2.
En funktion på ett slutet intervall kommer att ha sitt största och minsta värde i en av ändpunkterna eller i en stationär punkt mellan dem. Den ena stationära punkten (x=8) ligger utanför intervallet så den behöver vi inte bry oss om. Istället beräknar vi funktionsvärdena i ändpunkterna, x=-3 och x=2, och de andra stationära punkterna.
Nu sätter vi in x-värdet för den andra ändpunkten.
De två ändpunkterna är alltså (-3,-104) och (2,-19). Nu beräknar vi y-värdena för de stationära punkterna på intervallet, dvs. för de i x=-2 och x=1.
Den ena stationära punkten är alltså (-2,-339). Vi beräknar den andra genom att sätta in x=1.
Till sist jämför vi alla extrempunkter. Ändpunkter:&(-4,-104) och (2,-19) Stationära punkter:&(-2,-339) och (1,120) Nu ser vi att det största värdet är 120 och det minsta är -339.
Funktionens största och minsta värde kommer att finnas i någon av extrempunkterna, dvs. i intervallets ändpunkter eller eventuella stationära punkter. Vi börjar med att bestämma ändpunkternas y-värden.
Den ena ändpunkten är alltså ( 13,4). Nu beräknar vi den andra.
Den andra ändpunkten är (3, 283). Eftersom extrempunkter finns även i stationära punkter dvs. där derivatan är 0, så deriverar vi funktionen och löser f'(x)=0. Innan vi deriverar skriver vi om bråket som en potens med exponenten -1, eftersom det underlättar deriveringen.
Det finns alltså två stationära punkter, en i x=- 1sqrt(3) och en i x= 1sqrt(3). Vi ser direkt att det negativa x-värdet inte ingår i det givna intervallet 1/3≤ x≤ 3. Vi behöver därför inte undersöka den. Ingår roten x= 1sqrt(3)? Slår vi in det på räknaren ser vi att detta x-värde motsvarar ca 0,577, så ja, roten ingår i intervallet. Funktionen har alltså en stationär punkt i x= 1sqrt(3). Vi beräknar dess y-värde.
Den stationära punkten har alltså koordinaterna ( 1sqrt(3),2sqrt(3)). Nu har vi bestämt alla extrempunkter och för att hitta det största och minsta värdet jämför vi y-värdena. Eftersom intervallet är slutet behöver vi inte bestämma karaktären på de stationära punkterna, utan kan vara säkra på att vi hittar största och minsta värdet bara genom att jämföra extrempunkternas y-värden.
| Punkt | Exakt y-värde | Decimalform |
|---|---|---|
| Ändpunkt | 4 | 4 |
| Stationär punkt | 2sqrt(3) | ~ 3,46 |
| Ändpunkt | 28/3 | ~ 9,33 |
Vi ser att det största värdet är 283 och det minsta är 2sqrt(3). Nu är vi klara, men om man har tillgång till en grafräknare kan man rita upp grafen till funktionen för att se att ens slutsats verkar rimlig.
Vi gör på samma sätt och börjar med att bestämma koordinaterna för ändpunkterna.
Nu beräknar vi den andra.
Vi bestämmer nu i vilka x-värden det finns stationära punkter genom att lösa g'(x)=0. Först skriver vi om sqrt(x) som x^(1/2) och deriverar funktionen.
Nu tar vi reda på var derivatan är 0. För att förstå hur vi ska lösa g'(x)=0 skriver vi om x^(-1/2) som 1sqrt(x).
Derivatans nollställe är alltså x= 169. Detta x motsvarar ungefär 1,8, så punkten ingår i intervallet 1≤ x≤9. Nu beräknar vi y-koordinaten för detta x-värde.
Vi kan nu jämföra punkternas y-värden. På samma sätt som tidigare behöver vi inte bestämma karaktären på de stationära punkterna eftersom intervallet är slutet.
| Punkt | Exakt y-värde | Decimalform |
|---|---|---|
| Ändpunkt | -3 | -3 |
| Ändpunkt | 5 | 5 |
| Stationär punkt | 16/3 | ~ 5,33 |
Vi ser nu att det minsta värdet är -3 och att det största är 163.
Bestäm de globala extremvärdena för funktionen p(x)=x^3-3x+6 på intervallet -2≤ x≤ 3.
Att hitta de globala extremvärdena till funktionen innebär att man hittar funktionens största och minsta värde, dvs. jämför y-värdena i ändpunkterna och de stationära punkter som ingår i intervallet. Vi börjar med att bestämma y-värdena i ändpunkterna genom att sätta in deras x-värden i p(x). Vi startar med x=-2.
Nu beräknar vi den andra.
Största och minsta värdet kan också finnas i en stationär punkt, dvs. där derivatan är 0, så vi deriverar funktionen.
Nu sätter vi derivatan lika med 0 och löser ekvationen.
Funktionen har alltså stationära punkter i x=-1 och x=1. Vi beräknar motsvarande y-värden.
Den ena stationära punkten är (-1,8). Nu sätter vi in x=1.
Den andra stationära punkten är (1,4). Nu jämför vi y-värdena i de punkter vi tagit fram. Ändpunkter:& (-2,4) och (3,24) Stationära punkter:& (-1,8) och (1,4) Vi kan läsa av att det minsta värdet är 4 och att det största är 24.
Klara ska hjälpa sitt barnbarn Molly med matteläxan över telefon. Molly försöker beskriva en graf som finns i hennes mattebok:
Jo, du förstår, grafen börjar i -6 och slutar i 4. Största värdet som funktionen antar är 10 och det minsta är -4 och inget av dem ligger i någon ändpunkt.
Klara skissar en graf som stämmer med det som Molly beskriver. Hur skulle hennes skiss kunna se ut?
Vi försöker tolka Klaras beskrivning. Att grafen börjar i -6 och slutar i 4
borde innebära att den är definierad på intervallet -6 ≤ x ≤ 4. Vi vet också att grafen ska röra sig mellan y-värdena -4 och 10. Vi ritar ett koordinatsystem som passar för ändamålet och placerar in ändpunkterna någonstans längs x=-6 och x=4.
Då ritar vi in en kurva mellan punkterna. Grafen måste anta värdena -4 och 10 vid minst ett tillfälle. Från beskrivningen finns det oändligt många giltiga grafer som Klara skulle kunna skissa, men den skulle t.ex. kunna se ut så här.