在限定区间上,函数的最大值和最小值,要么出现在区间内的驻点,要么出现在端点。把每个候选点的函数值算出来再比较。
这一课延伸判断驻点类型,并为解释最优值中的定义域推理做准备。它属于驻点与最优化单元。
为什么边缘也可能胜出?
转折点只说明曲线在那里改变方向,并没有说明之后会怎样。如果区间结束时曲线仍在上升,最高值就在端点。
想象一条路先翻过一个小山丘,之后继续上坡。山丘顶是局部最大值,但整条路最高的地方是远处的尽头。
怎样一步步求最大值和最小值
- 用 dy/dx = 0 求驻点的 x 值。
- 只保留区间内的,其余舍去。
- 计算 y:保留的每个驻点的 x,以及两个端点。
- 列成简短的表格。
- 选出最大和最小的值,并写明它们出现在哪里。
例题
求 y = x³ − 6x² + 9x + 2 在 0 ≤ x ≤ 5 上的最大值和最小值。
**第 1 步,驻点:**dy/dx = 3x² − 12x + 9 = 3(x − 1)(x − 3),所以 x = 1 或 x = 3,两个都在区间内。
第 2 步,计算所有候选点:
| x | y |
|---|---|
| 0(端点) | 2 |
| 1(驻点) | 1 − 6 + 9 + 2 = 6 |
| 3(驻点) | 27 − 54 + 27 + 2 = 2 |
| 5(端点) | 125 − 150 + 45 + 2 = 22 |
**第 3 步,比较:**表中最大的值是 22,最小的是 2。
**答案:**最大值是 22,出现在 x = 5;最小值是 2,出现在 x = 0 和 x = 3。
x = 1 处的局部最大值 6,并不是这个区间上的最大值。
要留意的错误
常见的失误是只比较驻点的值。
**错误答案:**最大值 6,最小值 2,因为这些是驻点的值。
学生从来没有检验 x = 5,而曲线在那里高得多。
纠正的办法是:只要题目给了区间,例如 0 ≤ x ≤ 5,就把端点当作候选点。为所有候选点列一张 x 与 y 的表只需要一分钟,就能避免这个错误。
自我检测
不用计算器做下面的题,再打开答案。
1. 求 y = x² − 4x + 1 在 0 ≤ x ≤ 5 上的最大值和最小值。
显示答案
dy/dx = 2x − 4 = 0,得 x = 2,y = 4 − 8 + 1 = −3。端点:x = 0 时 y = 1;x = 5 时 y = 25 − 20 + 1 = 6。
最大值 6(x = 5),最小值 −3(x = 2)
2. 求 y = x³ − 3x 在 −2 ≤ x ≤ 3 上的最大值和最小值。
显示答案
dy/dx = 3x² − 3 = 0,得 x = 1 或 x = −1,都在区间内。y(1) = −2,y(−1) = 2。端点:y(−2) = −8 + 6 = −2,y(3) = 27 − 9 = 18。
最大值 18(x = 3),最小值 −2(x = 1 和 x = −2)
3. 求 y = 12x − x² 在 0 ≤ x ≤ 4 上的最大值和最小值。
显示答案
dy/dx = 12 − 2x = 0,得 x = 6,在区间之外,所以忽略。端点:y(0) = 0,y(4) = 48 − 16 = 32。
最大值 32(x = 4),最小值 0(x = 0)
接下来学什么
下一步,结合单位和定义域解释最优值,把答案写进情境里。免计算器演算训练器适合用来检查端点的运算。
如果你在时间压力下总忘记边缘情况,一对一附加数学补习可以根据你自己的解题过程,建立一套检查习惯。