Didėjimas, mažėjimas, ekstremumai
Išvestinės ženklas pasako, ar grafikas kyla, ar leidžiasi. Iš to vienu ypu randame visas grafiko viršūnes ir duobes – nebraižant šimto taškų. Tai vienas dažniausių brandos egzamino uždavinių.

0KAM to reikia?
Kad nubraižytum funkcijos grafiką „taškais“, reikėtų suskaičiuoti dešimtis reikšmių – ir vis tiek gali praleisti mažą kalnelį tarp dviejų taškų. Išvestinė leidžia iš anksto žinoti: čia grafikas kyla, čia leidžiasi, štai čia – aukščiausias taškas, o štai čia – žemiausias.
Tai naudinga ne tik braižant: didžiausias pelnas, mažiausios sąnaudos, aukščiausias kamuolio taškas – visa tai yra funkcijos ekstremumai (kitame skyriuje juos taikysime praktiniams uždaviniams).
1Išvestinės ženklas = kyla ar leidžiasi
Prisimink dviratininką iš 5 skyriaus. Įkalnėje liestinė kyla, jos polinkis teigiamas. Nuokalnėje liestinė leidžiasi, polinkis neigiamas. Kadangi polinkis yra išvestinė:
Pažiūrėk į grafiką: funkcija f(x) = x³ − 3x² + 1 nuspalvinta žaliai, kur f′ > 0, ir raudonai, kur f′ < 0. Tempk tašką – juoda liestinė parodo polinkį.
Čia f′(x) = 3x² − 6x = 3x(x − 2). Ji lygi nuliui, kai x = 0 ir x = 2, o tarp šių taškų ženklas nesikeičia. Todėl visą informaciją galima surašyti į vieną lentelę.
2Kritiniai taškai ir ženklų lentelė
Kritiniai (kai kuriuose vadovėliuose – stacionarieji) taškai – tai taškai, kuriuose f′(x) = 0 arba išvestinė neegzistuoja. Tik juose grafikas gali „apsisukti“: iš kilimo pereiti į leidimąsi arba atvirkščiai.
- Jei pereinant tašką f′ ženklas keičiasi iš + į −, tai maksimumo taškas (vėliava ant kalno).
- Jei ženklas keičiasi iš − į +, tai minimumo taškas (palapinė slėnyje).
- Jei ženklas nesikeičia, ekstremumo nėra.
Ženklų lentelė funkcijai f(x) = x³ − 3x² + 1. Ženklą kiekviename intervale randame įstatę bet kurį jo tašką į f′, pvz., f′(−1) = 9 > 0, f′(1) = −3 < 0, f′(3) = 9 > 0.
| x | (−∞; 0) | 0 | (0; 2) | 2 | (2; +∞) |
|---|---|---|---|---|---|
| f′(x) | + | 0 | − | 0 | + |
| f(x) | ↗ | 1 (max) | ↘ | −3 (min) | ↗ |
Atsakymas: f didėja intervaluose (−∞; 0] ir [2; +∞), mažėja intervale [0; 2]. Maksimumo taškas x = 0, fmax = f(0) = 1; minimumo taškas x = 2, fmin = f(2) = −3.
Intervalų galus galima rašyti ir su apvaliais skliaustais, pvz., (0; 2) – tai irgi teisinga. Pasitikrink, kaip įprasta tavo mokykloje.
Spąstai: f′ = 0, bet ekstremumo nėra
Funkcijai f(x) = x³: f′(x) = 3x² = 0, kai x = 0. Bet 3x² ≥ 0 visur – ir kairėje, ir dešinėje nuo 0 išvestinė teigiama. Ženklas nesikeičia, todėl x = 0 nėra nei maksimumas, nei minimumas: grafikas tik trumpam „atsikvepia“ (liestinė horizontali) ir kyla toliau. Todėl neužtenka rasti, kur f′ = 0 – reikia ir ženklų lentelės.
| x | (−∞; 0) | 0 | (0; +∞) |
|---|---|---|---|
| f′(x) = 3x² | + | 0 | + |
| f(x) = x³ | ↗ | 0 (ne ekstremumas) | ↗ |
3f ir f′ kartu: išvestinės nuliai = viršūnės
Viršuje – funkcija f(x) = x³ − 3x, apačioje – jos išvestinė f′(x) = 3x² − 3. Abu grafikai turi tą pačią x ašį. Tempk slankiklį ir stebėk: kai apatinis grafikas yra virš ašies, viršutinis kyla; kai po ašimi – leidžiasi. O kur apatinis kerta ašį (f′ = 0), viršutinis turi viršūnę arba duobę.
Kur f′ kerta ašį – ten f viršūnė arba duobė.
4Funkcijos tyrimo planas
Kai uždavinyje parašyta „ištirkite funkciją ir nubraižykite jos grafiką“, eik šiais žingsniais:
- Apibrėžimo sritis D(f): kur funkcija turi prasmę (vardiklis ≠ 0, po šaknimi ≥ 0, po logaritmu > 0).
- Nuliai: sprendžiame f(x) = 0 – kur grafikas kerta Ox ašį. Taip pat f(0) – kur kerta Oy.
- Išvestinė f′(x) – kuo labiau išskaidyta dauginamaisiais, tuo lengviau rasti ženklą.
- Kritiniai taškai: f′(x) = 0 arba f′ neegzistuoja (bet tik tie, kurie priklauso D(f)).
- Ženklų lentelė: kritiniai taškai ir apibrėžimo srities „skylės“ dalija ašį į intervalus; kiekviename nustatome f′ ženklą.
- Ekstremumai: kur ženklas keičiasi + → −, maksimumas; − → +, minimumas. Apskaičiuojame f reikšmes juose.
- Grafikas: pažymime nulius ir ekstremumų taškus, jungiame pagal rodykles ↗ ↘.
5Išspręsti pavyzdžiai
1. f(x) = x² − 4x + 1
Tai parabolė šakomis aukštyn, o x = 2 – jos viršūnė. Su išvestine viršūnę randame be formulės x = −b/(2a).
2. f(x) = x³ − 3x – visas tyrimas pagal planą
| x | (−∞; −1) | −1 | (−1; 1) | 1 | (1; +∞) |
|---|---|---|---|---|---|
| f′(x) | + | 0 | − | 0 | + |
| f(x) | ↗ | 2 (max) | ↘ | −2 (min) | ↗ |
3. f(x) = x⁴ − 2x² – dvi duobės ir kalnelis
| x | (−∞; −1) | −1 | (−1; 0) | 0 | (0; 1) | 1 | (1; +∞) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f′ | − | 0 | + | 0 | − | 0 | + |
| f | ↘ | −1 (min) | ↗ | 0 (max) | ↘ | −1 (min) | ↗ |
Grafikas primena raidę W: dvi duobės (−1; −1) ir (1; −1), tarp jų kalnelis (0; 0).
4. f(x) = x + 4/x – su „skyle“ apibrėžimo srityje
| x | (−∞; −2) | −2 | (−2; 0) | 0 | (0; 2) | 2 | (2; +∞) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f′ | + | 0 | − | neapibr. | − | 0 | + |
| f | ↗ | −4 (max) | ↘ | neapibr. | ↘ | 4 (min) | ↗ |
Skylę x = 0 būtina įrašyti į lentelę, nors ten f′ ≠ 0 – per ją grafikas „nutrūksta“. Įdomu: maksimumas (−4) čia mažesnis už minimumą (4). Ekstremumas yra vietinė savybė – aukščiausias taškas tik savo apylinkėje.
5. f(x) = x · e−x 12 kl.
Čia prireikė sandaugos ir sudėtinės funkcijos taisyklių iš 4 skyriaus. Gudrybė: teigiamą dauginamąjį (eˣ, x², skaičių) ženklų lentelėje galima ignoruoti.
6Dažniausios klaidos
- f′ > 0 → didėja, f′ < 0 → mažėja.
- Kritiniai taškai: f′(x) = 0 arba f′ neegzistuoja.
- Ženklas + → − : maksimumas; − → + : minimumas; nesikeičia – ekstremumo nėra.
- Ženklų lentelė: kritiniai taškai ir D(f) skylės, ženklas kiekviename intervale, rodyklės ↗ ↘.
- Tyrimo planas: D(f) → nuliai → f′ → kritiniai taškai → lentelė → ekstremumai → grafikas.
✓Pasitikrink
Kritinius taškus įvesk per kabliataškį, pvz., -2; 2. Intervalų atsakymus pasitikrink mygtuku „Rodyti atsakymą“.
Rask funkcijos f(x) = x³ − 12x kritinius taškus.
Užuomina
Spręsk 3x² − 12 = 0.
Sprendimas
Rask funkcijos f(x) = 2x³ − 3x² − 12x + 5 kritinius taškus.
Užuomina
f′(x) = 6x² − 6x − 12; padalyk iš 6.
Sprendimas
Rask funkcijos f(x) = −x² + 4x didėjimo ir mažėjimo intervalus bei ekstremumą.
Užuomina
f′(x) = −2x + 4. Kur ji teigiama?
Sprendimas
Rask funkcijos f(x) = x + 9/x kritinius taškus.
Užuomina
f′(x) = 1 − 9/x². Taškas x = 0 nepriklauso apibrėžimo sričiai.
Sprendimas
Ištirk funkciją f(x) = x³ − 3x²: rask didėjimo ir mažėjimo intervalus, maksimumą ir minimumą.
Užuomina
f′(x) = 3x² − 6x = 3x(x − 2). Sudaryk ženklų lentelę su taškais 0 ir 2.