Введение
Метод поиска экстремумов функции
В математическом анализе, тест с использованием производной (или метод производной) использует производные функции для нахождения критических точек функции и определения, является ли каждая точка локальным максимумом, локальным минимумом или седловой точкой. Тесты с использованием производной также могут давать информацию о выпуклости функции. Математическая полезность производных для нахождения экстремумов доказана теоремой Ферма о стационарных точках.
In calculus, a derivative test uses the derivatives of a function to locate the critical points of a function and determine whether each point is a local maximum, a local minimum, or a saddle point. Derivative tests can also give information about the concavity of a function. The usefulness of derivatives to find extrema is proved mathematically by Fermat's theorem of stationary points.
Испытание первой производной
Первый тест производной исследует монотонные свойства функции (где функция возрастает или убывает), фокусируясь на конкретной точке в её области определения. Если функция "переходит" от возрастания к убыванию в этой точке, то в ней достигается наибольшее значение. Аналогично, если функция "переходит" от убывания к возрастанию в этой точке, то в ней достигается наименьшее значение. Если функция не "переходит" и остаётся возрастающей или убывающей, то наибольшего или наименьшего значения не достигается. Монотонность функции можно исследовать и без использования математического анализа. Однако, математический анализ обычно полезен, поскольку существуют достаточные условия, гарантирующие вышеописанные свойства монотонности, и эти условия применимы к подавляющему большинству функций, с которыми приходится сталкиваться.
Точное определение свойств монотонности
Если говорить точнее, предположим, что f – функция, принимающая действительные значения, определенная на некотором открытом интервале, содержащем точку x, и предположим далее, что f непрерывна в точке x. Если существует положительное число r > 0, такое что f не убывает на и не возрастает на , то f имеет локальный максимум в x. Если существует положительное число r > 0, такое что f строго возрастает на и строго возрастает на , то f строго возрастает на и не имеет локального максимума или минимума в x. Обратите внимание, что в первом случае f не требуется быть строго возрастающей или убывающей слева или справа от x, а во втором случае – требуется. Это связано с тем, что в определении локального максимума и минимума неравенство не обязано быть строгим: например, каждое значение постоянной функции считается одновременно и локальным максимумом, и локальным минимумом.
Точные выводы по первой производной
Первый тест на производную зависит от "теста возрастания-убывания", который сам по себе является следствием теоремы о среднем значении. Это прямое следствие определения производной и её связи с локальным уменьшением и увеличением функции, в сочетании с предыдущим разделом. Предположим, что f – функция, принимающая действительные значения от действительной переменной, определённая на некотором интервале, содержащем критическую точку a. Далее предположим, что f непрерывна в точке a и дифференцируема на некотором открытом интервале, содержащем a, за исключением, возможно, самой точки a. Если существует положительное число r > 0, такое что для каждого x из интервала (a − r, a) выполняется условие , а для каждого x из интервала (a, a + r) выполняется условие , то f имеет локальный максимум в точке a. Если существует положительное число r > 0, такое что для каждого x из интервала (a − r, a) выполняется условие , а для каждого x из интервала (a, a + r) выполняется условие , то f имеет локальный минимум в точке a. Если существует положительное число r > 0, такое что для каждого x из объединения интервалов (a − r, a) ∪ (a, a + r) выполняется условие , то f строго возрастает в точке a и не имеет ни локального максимума, ни локального минимума в этой точке. Если ни одно из вышеперечисленных условий не выполняется, то тест не даёт результата. (Такое условие не является тривиальным; существуют функции, которые не удовлетворяют ни одному из первых трёх условий, например, f(x) = x² sin(1/x)). Вновь, в соответствии с замечаниями в разделе о свойствах монотонности, следует отметить, что в первых двух случаях неравенство не обязательно должно быть строгим, а в третьем случае строгое неравенство обязательно.
Приложения
Первый признак производной полезен при решении задач оптимизации в физике, экономике и инженерии. В сочетании с теоремой о наибольшем и наименьшем значениях, он может быть использован для нахождения абсолютного максимума и минимума функции, заданной на замкнутом и ограниченном интервале. В сочетании с дополнительной информацией, такой как выпуклость, точки перегиба и асимптоты, он может быть использован для построения графика функции.
Тест на вторую производную (одна переменная)
После установления критических точек функции, второй критерий (или тест второй производной) использует значение второй производной в этих точках, чтобы определить, является ли такая точка точкой локального максимума или точкой локального минимума. Если функция f дважды дифференцируема в критической точке x (то есть в точке, где f'(x) = 0), то:
Если f''(x) < 0, то f имеет локальный максимум в точке x.
Если f''(x) > 0, то f имеет локальный минимум в точке x.
Если f''(x) = 0, то тест не даёт окончательного ответа. В последнем случае теорема Тейлора иногда может быть использована для определения поведения функции f в окрестности точки x с использованием производных более высоких порядков.
If , then has a local maximum at If , then has a local minimum at If , the test is inconclusive. In the last case, Taylor's Theorem may sometimes be used to determine the behavior of f near x using higher derivatives.
Испытание на комотность
Связанное, но отличное применение второй производной — определение того, является ли функция в точке выпуклой вверх или выпуклой вниз. Однако это не дает информации о точках перегиба. В частности, дважды дифференцируемая функция f является выпуклой вверх, если , а выпуклой вниз, если . Следует отметить, что если , то имеет нулевую вторую производную, но не является точкой перегиба, поэтому одной второй производной недостаточно для определения, является ли данная точка точкой перегиба.
Многомерный случай
Для функции более чем одной переменной, второй критерий производной обобщается до критерия, основанного на собственных значениях гессиана функции в критической точке. В частности, если все частные производные второго порядка функции f непрерывны в окрестности критической точки x, то, если все собственные значения гессиана в точке x положительны, то x является точкой локального минимума. Если все собственные значения отрицательны, то x является точкой локального максимума, а если некоторые собственные значения положительны, а некоторые отрицательны, то точка является седловой точкой. Если гессиан сингулярен, то второй критерий производной не даёт однозначного ответа.