函数的极值

极大值

极大值的定义

设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某个邻域内有定义,如果存在 δ>0\delta > 0,使得对于该邻域内的任意 xx,都有: f(x)≤f(x0)f(x) \leq f(x_0)

则称 f(x0)f(x_0) 为函数 f(x)f(x) 的极大值,x0x_0 称为极大值点。

几何解释

函数图像在该点达到局部最高点。

符号说明
符号类型读音/说明在本文中的含义
δ\delta希腊字母Delta(德尔塔)表示足够小的正数

极小值

极小值的定义

设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某个邻域内有定义,如果存在 δ>0\delta > 0,使得对于该邻域内的任意 xx,都有: f(x)≥f(x0)f(x) \geq f(x_0)

则称 f(x0)f(x_0) 为函数 f(x)f(x) 的极小值,x0x_0 称为极小值点。

几何解释

函数图像在该点达到局部最低点。

例题分析

例题 1

求函数 f(x)=x2−4x+3f(x) = x^2 - 4x + 3 的极值。

参考答案 (3 个标签)
极值 二次函数 图像分析

解题思路: 通过图像分析和数值比较来判断极值。

详细步骤:

  1. 绘制函数图像: 这是一个二次函数,图像为抛物线,开口向上。

  2. 识别极值点: 由于抛物线开口向上,函数有最小值点(极小值点),没有最大值点。

  3. 求极小值点: 对于二次函数 f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c,其对称轴为 x=−b2ax = -\frac{b}{2a} x=−−42×1=2x = -\frac{-4}{2 \times 1} = 2

  4. 计算极值: f(2)=22−4×2+3=4−8+3=−1f(2) = 2^2 - 4 \times 2 + 3 = 4 - 8 + 3 = -1

  5. 验证: 取 x=1x = 1,f(1)=1−4+3=0>−1f(1) = 1 - 4 + 3 = 0 > -1 取 x=3x = 3,f(3)=9−12+3=0>−1f(3) = 9 - 12 + 3 = 0 > -1 确认 x=2x = 2 为极小值点。

答案: 函数在 x=2x = 2 处取得极小值 −1-1。

例题 2

求函数 f(x)=−x2+2x+1f(x) = -x^2 + 2x + 1 的极值。

参考答案 (3 个标签)
极值 二次函数 极大值

解题思路: 通过图像分析和数值比较来判断极值。

详细步骤:

  1. 绘制函数图像: 这是一个二次函数,图像为抛物线,开口向下。

  2. 识别极值点: 由于抛物线开口向下,函数有最大值点(极大值点),没有最小值点。

  3. 求极大值点: 对于二次函数 f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c,其对称轴为 x=−b2ax = -\frac{b}{2a} x=−22×(−1)=1x = -\frac{2}{2 \times (-1)} = 1

  4. 计算极值: f(1)=−12+2×1+1=−1+2+1=2f(1) = -1^2 + 2 \times 1 + 1 = -1 + 2 + 1 = 2

  5. 验证: 取 x=0x = 0,f(0)=0+0+1=1<2f(0) = 0 + 0 + 1 = 1 < 2 取 x=2x = 2,f(2)=−4+4+1=1<2f(2) = -4 + 4 + 1 = 1 < 2 确认 x=1x = 1 为极大值点。

答案: 函数在 x=1x = 1 处取得极大值 22。

例题 4

一个长方形的周长固定为 2020 厘米,求其面积的最大值。

参考答案 (3 个标签)
极值 应用题 面积最大化

解题思路: 建立函数关系,通过图像分析求极值。

详细步骤:

  1. 建立函数关系: 设长方形的长为 xx,宽为 yy 周长:2(x+y)=202(x + y) = 20,所以 y=10−xy = 10 - x 面积:S=xy=x(10−x)=10x−x2S = xy = x(10 - x) = 10x - x^2

  2. 分析函数: 这是一个二次函数 S(x)=−x2+10xS(x) = -x^2 + 10x,开口向下,有最大值。

  3. 求最大值点: 对称轴:x=−102×(−1)=5x = -\frac{10}{2 \times (-1)} = 5

  4. 计算最大值: S(5)=10×5−52=50−25=25S(5) = 10 \times 5 - 5^2 = 50 - 25 = 25

  5. 验证: 当 x=4x = 4 时,S(4)=40−16=24<25S(4) = 40 - 16 = 24 < 25 当 x=6x = 6 时,S(6)=60−36=24<25S(6) = 60 - 36 = 24 < 25

答案: 当长方形的长为 55 厘米,宽为 55 厘米时,面积取得最大值 2525 平方厘米。


练习题

练习 1

求函数 f(x)=x2+2x+1f(x) = x^2 + 2x + 1 的极值。

参考答案 (3 个标签)
极值 二次函数 极小值

解题思路: 通过图像分析和数值比较来判断极值。

详细步骤:

  1. 绘制函数图像: 这是一个二次函数,图像为抛物线,开口向上。

  2. 识别极值点: 由于抛物线开口向上,函数有最小值点(极小值点),没有最大值点。

  3. 求极小值点: 对于二次函数 f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c,其对称轴为 x=−b2ax = -\frac{b}{2a} x=−22×1=−1x = -\frac{2}{2 \times 1} = -1

  4. 计算极值: f(−1)=(−1)2+2×(−1)+1=1−2+1=0f(-1) = (-1)^2 + 2 \times (-1) + 1 = 1 - 2 + 1 = 0

  5. 验证: 取 x=−2x = -2,f(−2)=4−4+1=1>0f(-2) = 4 - 4 + 1 = 1 > 0 取 x=0x = 0,f(0)=0+0+1=1>0f(0) = 0 + 0 + 1 = 1 > 0 确认 x=−1x = -1 为极小值点。

答案: 函数在 x=−1x = -1 处取得极小值 00。

练习 2

求函数 f(x)=−x2+6x−5f(x) = -x^2 + 6x - 5 的极值。

参考答案 (3 个标签)
极值 二次函数 极大值

解题思路: 通过图像分析和数值比较来判断极值。

详细步骤:

  1. 绘制函数图像: 这是一个二次函数,图像为抛物线,开口向下。

  2. 识别极值点: 由于抛物线开口向下,函数有最大值点(极大值点),没有最小值点。

  3. 求极大值点: 对于二次函数 f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c,其对称轴为 x=−b2ax = -\frac{b}{2a} x=−62×(−1)=3x = -\frac{6}{2 \times (-1)} = 3

  4. 计算极值: f(3)=−32+6×3−5=−9+18−5=4f(3) = -3^2 + 6 \times 3 - 5 = -9 + 18 - 5 = 4

  5. 验证: 取 x=2x = 2,f(2)=−4+12−5=3<4f(2) = -4 + 12 - 5 = 3 < 4 取 x=4x = 4,f(4)=−16+24−5=3<4f(4) = -16 + 24 - 5 = 3 < 4 确认 x=3x = 3 为极大值点。

答案: 函数在 x=3x = 3 处取得极大值 44。

练习 3

改编自 2025 年考研数学一第 1 题

f(x)=∫0xet2sin⁡t dtf(x) = \int_0^x e^{t^2} \sin t\,dt,x=0x=0 是 f(x)f(x) 的极值点吗?如果是,求极值。

参考答案 (3 个标签)
导数 高阶导数 极值

解题思路: 本题考查积分上限函数的极值判定。首先需要对 f(x)f(x) 求导,判断 x=0x=0 是否为极值点,并计算极值。

详细步骤:

  1. 由 f(x)=∫0xet2sin⁡t dtf(x) = \int_0^x e^{t^2} \sin t\,dt,根据微积分基本定理,f′(x)=ex2sin⁡xf'(x) = e^{x^2} \sin x。
  2. 计算 f′(0)f'(0):f′(0)=e0sin⁡0=1×0=0f'(0) = e^{0} \sin 0 = 1 \times 0 = 0,说明 x=0x=0 处导数为零,有可能为极值点。
  3. 计算 f′′(x)f''(x): f′′(x)=ddx[ex2sin⁡x]=2xex2sin⁡x+ex2cos⁡xf''(x) = \frac{d}{dx}[e^{x^2} \sin x] = 2x e^{x^2} \sin x + e^{x^2} \cos x
  4. 计算 f′′(0)f''(0): f′′(0)=2×0×1×0+1×1=0+1=1>0f''(0) = 2 \times 0 \times 1 \times 0 + 1 \times 1 = 0 + 1 = 1 > 0 说明 x=0x=0 处为极小值点。
  5. 计算极小值: f(0)=∫00et2sin⁡t dt=0f(0) = \int_0^0 e^{t^2} \sin t\,dt = 0

答案: x=0x=0 是 f(x)f(x) 的极小值点,对应极小值为 00。


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
f(x)f(x)数学符号f of x函数记号,表示以 xx 为自变量的函数
x0x_0数学符号x zero表示函数取得极值的点
δ\delta希腊字母Delta(德尔塔)表示足够小的正数,用于定义邻域
f(x0)f(x_0)数学符号f of x zero函数在点 x0x_0 处的函数值

中英对照

中文术语英文术语音标说明
极值extremum/ɪkˈstriːməm/函数在某个点处的局部最大值或最小值
极大值maximum/ˈmæksɪməm/函数在某个点处的局部最大值
极小值minimum/ˈmɪnɪməm/函数在某个点处的局部最小值
极大值点maximum point/ˈmæksɪməm pɔɪnt/函数取得极大值的点
极小值点minimum point/ˈmɪnɪməm pɔɪnt/函数取得极小值的点
极值点extremum point/ɪkˈstriːməm pɔɪnt/函数取得极值的点
邻域neighborhood/ˈneɪbəhʊd/包含某个点的开区间
局部local/ˈləʊkəl/在某个点的邻域内
抛物线parabola/pəˈræbələ/二次函数的图像
对称轴axis of symmetry/ˈæksɪs əv ˈsɪmɪtri/抛物线的对称直线

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