кРепетито · методичка · 10–11 класс · ЕГЭ
Производная и исследование функции
Таблица производных, правила дифференцирования, геометрический смысл, экстремумы и наибольшее значение на отрезке.
Производная показывает скорость изменения функции. С её помощью находят, где функция растёт и убывает, где у неё максимумы и минимумы, и какое значение она принимает в лучшей точке. В ЕГЭ профиль это задания №8 (смысл производной по графику) и №12 (наибольшее и наименьшее значение).
Таблица производных
Производные основных функций
| $f(x)$ | $f'(x)$ | $f(x)$ | $f'(x)$ |
|---|---|---|---|
| $C$ | $0$ | $\sin x$ | $\cos x$ |
| $x^n$ | $nx^{n-1}$ | $\cos x$ | $-\sin x$ |
| $\sqrt{x}$ | $\dfrac{1}{2\sqrt{x}}$ | $\operatorname{tg} x$ | $\dfrac{1}{\cos^2 x}$ |
| $\dfrac{1}{x}$ | $-\dfrac{1}{x^2}$ | $e^x$ | $e^x$ |
| $\ln x$ | $\dfrac{1}{x}$ | $a^x$ | $a^x \ln a$ |
Правила дифференцирования
- $(u \pm v)' = u' \pm v'$, $\quad (Cu)' = Cu'$;
- $(uv)' = u'v + uv'$;
- $\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2}$;
- сложная функция: $(f(g(x)))' = f'(g(x)) \cdot g'(x)$, например $\left((3x - 1)^5\right)' = 5(3x - 1)^4 \cdot 3$.
Геометрический и физический смысл
$f'(x_0)$ равна угловому коэффициенту касательной к графику в точке $x_0$, то есть тангенсу угла её наклона к оси $Ox$. Уравнение касательной: $y = f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0)$.
Если $s(t)$ — координата точки, то $v(t) = s'(t)$ — скорость, $a(t) = v'(t)$ — ускорение.
Пример 1.
Найдите угловой коэффициент касательной к графику $f(x) = x^3 - 2x$ в точке $x_0 = 2$.
Решение. $f'(x) = 3x^2 - 2$, $f'(2) = 12 - 2 = 10$.
Ответ: 10.
Пример 2.
Точка движется по закону $s(t) = t^3 - 6t^2 + 15t$ (м, с). В какой момент её скорость равна 6 м/с?
Решение. $v(t) = 3t^2 - 12t + 15 = 6$, $3t^2 - 12t + 9 = 0$, $t^2 - 4t + 3 = 0$, $t = 1$ или $t = 3$.
Ответ: через 1 с и через 3 с.
Монотонность и экстремумы
Как читать знак производной
| Производная | Функция |
|---|---|
| $f'(x) \gt 0$ на промежутке | возрастает |
| $f'(x) \lt 0$ на промежутке | убывает |
| $f'$ меняет знак с «+» на «−» | точка максимума |
| $f'$ меняет знак с «−» на «+» | точка минимума |
| $f'(x_0) = 0$ без смены знака | экстремума нет |
Пример 3.
Найдите точку максимума функции $f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 4$.
Решение. $f'(x) = 3x^2 - 6x - 9 = 3(x - 3)(x + 1)$. Нули: $-1$ и $3$. Знаки: на $(-\infty; -1)$ «+», на $(-1; 3)$ «−», на $(3; +\infty)$ «+». Смена с «+» на «−» в точке $-1$.
Ответ: −1.
Наибольшее и наименьшее значение на отрезке
- Найдите $f'(x)$ и её нули (критические точки).
- Оставьте точки, которые лежат внутри отрезка.
- Вычислите $f$ в этих точках и на концах отрезка.
- Выберите наибольшее (наименьшее) из полученных чисел.
Пример 4.
Найдите наименьшее значение $f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 4$ на отрезке $[0;\ 4]$.
Решение. Критические точки $-1$ и $3$; в отрезок попадает 3. $f(0) = 4$, $f(3) = 27 - 27 - 27 + 4 = -23$, $f(4) = 64 - 48 - 36 + 4 = -16$. Наименьшее −23.
Ответ: −23.
Пример 5.
Найдите наибольшее значение $f(x) = 2\ln x - x^2 + 5$ на отрезке $[0{,}5;\ 2]$.
Решение. $f'(x) = \frac{2}{x} - 2x = \frac{2(1 - x^2)}{x}$, на отрезке ноль в точке $x = 1$. Слева производная положительна, справа отрицательна — это максимум, и он единственный на отрезке, значит, наибольшее значение $f(1) = 0 - 1 + 5 = 4$.
Ответ: 4.
Производная по графику (ЕГЭ №8)
Если дан график функции, производная положительна там, где график идёт вверх, и равна нулю в вершинах «горбов» и «впадин». Если дан график производной, смотрим на знак: выше оси — функция растёт; точки пересечения оси с переходом сверху вниз — максимумы функции.
Ещё разборы
Пример 6 (касательная, параллельная прямой).
Прямая $y = 3x + 1$ параллельна касательной к графику $y = x^2 - 5x + 2$. Найдите абсциссу точки касания.
Решение. У параллельных прямых равные угловые коэффициенты: $y' = 2x - 5 = 3$, $x = 4$.
Ответ: 4.
Пример 7 (производная частного).
Найдите производную $y = \dfrac{x^2}{x - 1}$ и точки, где она равна нулю.
Решение. $y' = \frac{2x(x - 1) - x^2}{(x - 1)^2} = \frac{x^2 - 2x}{(x - 1)^2} = \frac{x(x - 2)}{(x - 1)^2}$. Нули: $x = 0$ и $x = 2$.
Ответ: $0$ и $2$.
Пример 8 (оптимизация).
Из квадратного листа жести со стороной 30 см вырезают по углам квадраты и сгибают открытую коробку. Какой должна быть сторона вырезаемых квадратов, чтобы объём коробки был наибольшим?
Решение. Пусть сторона квадратика $x$, $0 \lt x \lt 15$. $V = x(30 - 2x)^2$. $V' = (30 - 2x)^2 - 4x(30 - 2x) = (30 - 2x)(30 - 6x)$. На интервале ноль при $x = 5$, там знак меняется с «+» на «−» — максимум. $V(5) = 5 \cdot 400 = 2000$ см³.
Ответ: 5 см.
Коротко о главном
- Производная — угловой коэффициент касательной и мгновенная скорость.
- Знак $f'$ — возрастание и убывание; смена знака — экстремум.
- Наибольшее на отрезке — среди значений в критических точках и на концах.
- Для сложной функции не забывайте производную внутренней.
- Путать график функции и график производной в задаче №8.
- Забывать проверить концы отрезка.
- Писать в ответ точку максимума, когда спрашивают значение, и наоборот.
- Не умножать на производную внутренней функции: $(\sin 3x)' = 3\cos 3x$.
Задачи для самопроверки
- Найдите производную $f(x) = 4x^3 - 5x + \frac{2}{x}$.
Ответ
$12x^2 - 5 - \frac{2}{x^2}$.
- Найдите $f'(0)$, если $f(x) = (2x + 1)^3$.
Ответ
$3(2x + 1)^2 \cdot 2$, при $x = 0$ получаем 6.
- Найдите точку минимума $f(x) = x^2 - 8x + 3$.
Ответ
$f' = 2x - 8 = 0$, $x = 4$.
- Найдите наибольшее значение $f(x) = -x^3 + 3x + 2$ на $[0;\ 2]$.
Ответ
$f' = -3x^2 + 3 = 0$, $x = 1$; $f(0) = 2$, $f(1) = 4$, $f(2) = 0$. Ответ 4.
- Запишите уравнение касательной к $y = x^2$ в точке $x_0 = 3$.
Ответ
$y = 9 + 6(x - 3) = 6x - 9$.
- Найдите точки экстремума $f(x) = x^4 - 2x^2$.
Ответ
$f' = 4x(x - 1)(x + 1)$: минимумы в $\pm 1$, максимум в 0.
Задачи по теме на сайте
- Математика 10 класс → №7 · Производная → Производная многочлена — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-7/matematika-10-klass-razdel-7-proizvodnaya-mnogochlena/
- Математика 10 класс → №7 · Производная → Касательная и физический смысл производной — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-7/matematika-10-klass-razdel-7-kasatelnaya-i-fizicheskiy-smysl-proizvodnoy/
- Математика 11 класс → №1 · Исследование функций → Точки экстремума — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-11-klass/matematika-11-klass-razdel-1/matematika-11-klass-razdel-1-tochki-ekstremuma/
- Математика 11 класс → №1 · Исследование функций → Наибольшее и наименьшее значение на отрезке — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-11-klass/matematika-11-klass-razdel-1/matematika-11-klass-razdel-1-naibolshee-i-naimenshee-znachenie-na-otrezke/
- Математика (профиль) → №8 · Производная и первообразная → Геометрический смысл производной — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-8/zadanie-8-geometricheskiy-smysl-proizvodnoy/
- Математика (профиль) → №8 · Производная и первообразная → График производной — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-8/zadanie-8-grafik-proizvodnoy/
- Математика (профиль) → №12 · Наибольшее и наименьшее значение → Точки экстремума — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-12/zadanie-12-tochki-ekstremuma/
- Математика 10 класс → №7 · Производная — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-7/
- Математика 11 класс → №1 · Исследование функций — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-11-klass/matematika-11-klass-razdel-1/
- Математика (профиль) → №8 · Производная и первообразная — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-8/
- Математика (профиль) → №12 · Наибольшее и наименьшее значение — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-12/