Задание 17
тема 9 из 19

Исследование функции с корнем

Если в функции есть корень, сначала запишите область: под корнем стоит неотрицательное число. Производная u\sqrt{u} равна u′2u\frac{u'}{2\sqrt{u}}, и её знак — знак u′u'. Поэтому корень наибольший и наименьший там же, где подкоренное выражение. Если корень — слагаемое, знак производной находят сравнением квадратов двух неотрицательных чисел.

Часто в задании17На карте навыков

Корень меняется так же, как подкоренное выражение

Для f(x)=u(x)f(x) = \sqrt{u(x)} производная f′(x)=u′(x)2u(x)f'(x) = \frac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}} там, где u(x)>0u(x) > 0.

  • Запишите область: u(x)≥0u(x) \ge 0, плюс условия задачи.
  • 2u>02\sqrt{u} > 0, поэтому знак f′f' — знак u′u': корень наибольший и наименьший там же, где uu.
  • Если корень — слагаемое, приведите f′f' к одной дроби. Знак числителя A−BA - B при A≥0A \ge 0 и B≥0B \ge 0 — знак разности квадратов A2−B2A^2 - B^2.
  • x\sqrt{x} и xxx\sqrt{x} запишите как степени x12x^{\frac{1}{2}} и x32x^{\frac{3}{2}} (корень как степень).

Корень из функции

Производная корня — по правилу сложной функции (правила дифференцирования): (u)′=12u⋅u′(\sqrt{u})' = \frac{1}{2\sqrt{u}} \cdot u'. Знаменатель 2u2\sqrt{u} положителен там, где u>0u > 0. Поэтому u\sqrt{u} возрастает там, где возрастает uu, и убывает там, где убывает uu: точки максимума и минимума у них общие.

Если uu — квадратный трёхчлен, его экстремум — в вершине параболы. Проверьте, что вершина лежит в области, то есть u>0u > 0 в ней.

Пример

Найдите точку максимума функции y=−x2+6x+7y = \sqrt{-x^2 + 6x + 7}.

  1. 1.Область: −x2+6x+7≥0-x^2 + 6x + 7 \ge 0, то есть −(x−7)(x+1)≥0-(x - 7)(x + 1) \ge 0, −1≤x≤7-1 \le x \le 7.
  2. 2.y′=−2x+62−x2+6x+7=3−x−x2+6x+7y' = \frac{-2x + 6}{2\sqrt{-x^2 + 6x + 7}} = \frac{3 - x}{\sqrt{-x^2 + 6x + 7}} на (−1;7)(-1; 7).
  3. 3.Знак y′y' — знак 3−x3 - x: y′>0y' > 0 на (−1;3)(-1; 3) и y′<0y' < 0 на (3;7)(3; 7).
  4. 4.Производная меняет знак с плюса на минус, поэтому x=3x = 3 — точка максимума.

Ответ: 33

Наименьшее расстояние

Расстояние между точками (x1;y1)(x_1; y_1) и (x2;y2)(x_2; y_2) — корень из суммы квадратов: ρ=(x2−x1)2+(y2−y1)2\rho = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}. Корень возрастает, поэтому расстояние наименьшее там же, где наименьший его квадрат ρ2\rho^2. Исследуйте подкоренное выражение без корня: его производная проще. Для двух точек, которые движутся равномерно, ρ2\rho^2 — квадратичная функция времени (квадрат расстояния).

Дорога и прямой путь

f(x)=4(10−x)+5x2+9f(x) = 4(10 - x) + 5\sqrt{x^2 + 9}
ACB3xM12345678910464850525456xfmin
AM=9, MB=10≈3,16, f(1)≈51,81AM = 9,\ MB = \sqrt{10} \approx 3{,}16,\ f(1) \approx 51{,}81
f′(1)≈−2,42<0f'(1) \approx -2{,}42 < 0: стоимость падает, если увеличивать xx.
x0=4⋅352−42=4,f(4)=49x_0 = \frac{4 \cdot 3}{\sqrt{5^2 - 4^2}} = 4,\quad f(4) = 49
Груз идёт по дороге от AA до MM, потом напрямую до BB; x=MCx = MC. Километр дороги стоит 4, километр прямого пути — 5. Двигайте точку MM и следите за точкой на графике стоимости.

Корень — слагаемое: сравните квадраты

Стоимость пути из двух частей — f(x)=p(L−x)+qx2+h2f(x) = p(L - x) + q\sqrt{x^2 + h^2}, 0≤x≤L0 \le x \le L (путь из двух частей). Её производная f′(x)=−p+qxx2+h2=qx−px2+h2x2+h2f'(x) = -p + \frac{qx}{\sqrt{x^2 + h^2}} = \frac{qx - p\sqrt{x^2 + h^2}}{\sqrt{x^2 + h^2}}. Знаменатель положителен, поэтому знак f′f' — знак числителя.

Оба числа qxqx и px2+h2p\sqrt{x^2 + h^2} неотрицательны, а из двух неотрицательных чисел больше то, у которого больше квадрат. Поэтому знак числителя — знак q2x2−p2(x2+h2)=(q2−p2)x2−p2h2q^2x^2 - p^2(x^2 + h^2) = (q^2 - p^2)x^2 - p^2h^2. При q>pq > p он отрицателен левее x0=phq2−p2x_0 = \frac{ph}{\sqrt{q^2 - p^2}} и положителен правее: x0x_0 — точка минимума. Если x0>Lx_0 > L, функция убывает на всём отрезке, и наименьшее значение — при x=Lx = L.

Пример

Найдите наименьшее значение функции y=13x2+25−12xy = 13\sqrt{x^2 + 25} - 12x на отрезке [0;20][0; 20].

  1. 1.y′=13xx2+25−12=13x−12x2+25x2+25y' = \frac{13x}{\sqrt{x^2 + 25}} - 12 = \frac{13x - 12\sqrt{x^2 + 25}}{\sqrt{x^2 + 25}}. Знаменатель положителен, поэтому знак y′y' — знак числителя.
  2. 2.На отрезке 13x≥013x \ge 0 и 12x2+25>012\sqrt{x^2 + 25} > 0, поэтому знак числителя — знак разности квадратов: 169x2−144(x2+25)=25x2−3600=25(x−12)(x+12)169x^2 - 144(x^2 + 25) = 25x^2 - 3600 = 25(x - 12)(x + 12).
  3. 3.При x≥0x \ge 0 знак — знак x−12x - 12: y′<0y' < 0 на [0;12)[0; 12) и y′>0y' > 0 на (12;20](12; 20].
  4. 4.Функция убывает на [0;12][0; 12] и возрастает на [12;20][12; 20], поэтому наименьшее значение — y(12)=13⋅13−144=25y(12) = 13 \cdot 13 - 144 = 25.

Ответ: 2525

Корень в знаменателе: ищите наименьшее подкоренное

Дробь с постоянным положительным числителем наибольшая там, где наименьший знаменатель. Если знаменатель — корень, он наименьший там же, где наименьшее подкоренное выражение. Чтобы под корнем остался многочлен от одной буквы, разделите числитель и знаменатель на подходящую степень переменной и введите новую переменную.

Пример задания

Открытый банк ФИПИ

Амплитуда вынужденных колебаний корабля при качке на волнении выражается формулой A=kθ0⋅τ2(T2−τ2)2+nτ2T2,A = k\theta_0 \cdot \frac{\tau^2}{\sqrt{\left(T^2 - \tau^2\right)^2 + n\tau^2 T^2}}, где k=0,91k = 0{,}91 — коэффициент, зависящий от отношения ширины корабля к длине волны, θ0=9∘\theta_0 = 9^{\circ} — угол наибольшего волнового склона, τ\tau — период волны (в секундах), T=14,7T = 14{,}7 с — период свободных качаний корабля на тихой воде, n=0,0792n = 0{,}0792 — коэффициент, зависящий от величины сопротивления воды. При каком периоде волны амплитуда вынужденных колебаний корабля будет наибольшей? Ответ дайте в секундах.

Корень из x и x√x

Запишите x=x12\sqrt{x} = x^{\frac{1}{2}} и xx=x32x\sqrt{x} = x^{\frac{3}{2}}. Тогда (x)′=12x(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}} и (xx)′=32x(x\sqrt{x})' = \frac{3}{2}\sqrt{x}. Функция определена при x≥0x \ge 0. Уравнение f′(x)=0f'(x) = 0 решите относительно x\sqrt{x}, а потом возведите в квадрат: из x=2\sqrt{x} = 2 следует x=4x = 4.

Пример

Найдите наименьшее значение функции y=xx−3x+1y = x\sqrt{x} - 3x + 1 на отрезке [1;9][1; 9].

  1. 1.y=x32−3x+1y = x^{\frac{3}{2}} - 3x + 1, y′=32x−3=32(x−2)y' = \frac{3}{2}\sqrt{x} - 3 = \frac{3}{2}(\sqrt{x} - 2).
  2. 2.y′=0y' = 0 при x=2\sqrt{x} = 2, то есть x=4x = 4. На [1;4)[1; 4) x<2\sqrt{x} < 2 и y′<0y' < 0, на (4;9](4; 9] y′>0y' > 0.
  3. 3.Функция убывает на [1;4][1; 4] и возрастает на [4;9][4; 9], поэтому наименьшее значение — y(4)=4⋅2−12+1=−3y(4) = 4 \cdot 2 - 12 + 1 = -3 (одна критическая точка).

Ответ: −3-3

Проверьте себя

00

Потренируйте навык

Все задания на этот навык

Решать