Задание 17
тема 8 из 19

Исследование многочлена

Производная многочлена — снова многочлен, на степень меньше. Она существует при всех xx, поэтому критические точки — только корни уравнения f′(x)=0f'(x) = 0. У квадратного трёхчлена такая точка одна, у многочлена третьей степени — не больше двух. Знак f′f' находят по разложению на множители.

Часто в задании17На карте навыков

Как исследовать многочлен

Производная многочлена существует при всех xx.

  • Найдите f′f' почленно: (xn)′=nxn−1(x^n)' = nx^{n-1} (таблица производных).
  • Решите уравнение f′(x)=0f'(x) = 0. Для квадратного трёхчлена оно линейное, для многочлена третьей степени — квадратное.
  • Разложите f′f' на множители и расставьте знаки на области из условия.
  • Сделайте вывод о точке экстремума. Если область — отрезок, сравните значение в ней со значениями в концах.

Квадратичная модель

Если f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c, то f′(x)=2ax+bf'(x) = 2ax + b, и критическая точка одна: x0=−b2ax_0 = -\frac{b}{2a}. При a<0a < 0 знак f′f' меняется в ней с «+» на «−»: это точка максимума. При a>0a > 0 это точка минимума. Это та же вершина параболы, а знак производной сразу даёт обоснование.

Если x0x_0 вне области из условия, функция на этой области монотонна, и ответ — в конце области.

Пример

Автомобиль стоит у светофора. В тот момент, когда с ним поравнялся грузовик, движущийся равномерно и прямолинейно со скоростью v=12v = 12 м/с, автомобиль начинает разгон в том же направлении с постоянным ускорением a=3a = 3 м/с2^2. За tt секунд грузовик проходит путь s1=vts_1 = vt, а автомобиль — путь s2=at22s_2 = \frac{at^2}{2}. Найдите наибольшее расстояние, на которое грузовик оторвётся от автомобиля, и время, через которое это произойдёт. Ответ обоснуйте.

  1. 1.Грузовик впереди на d(t)=s1−s2=12t−1,5t2d(t) = s_1 - s_2 = 12t - 1{,}5t^2 м. Это расстояние неотрицательно при 0≤t≤80 \le t \le 8.
  2. 2.d′(t)=12−3td'(t) = 12 - 3t, d′(t)=0d'(t) = 0 при t=4t = 4.
  3. 3.d′(t)>0d'(t) > 0 при 0≤t<40 \le t < 4 и d′(t)<0d'(t) < 0 при 4<t≤84 < t \le 8. Значит, dd возрастает на [0;4][0; 4] и убывает на [4;8][4; 8]: t=4t = 4 — точка максимума.
  4. 4.Наибольшее расстояние d(4)=48−24=24d(4) = 48 - 24 = 24 м.

Ответ: 24 м через 4 с

Многочлен третьей степени на отрезке

У многочлена третьей степени производная — квадратный трёхчлен: у неё два корня, один или ни одного. Корни вне области из условия отбрасывают. Если область — отрезок, значение в точке экстремума сравнивают со значениями в концах.

Пример

Цех выпускает xx тонн продукции в сутки, причём по техническим причинам 0≤x≤60 \le x \le 6. Всю продукцию оптовик забирает по цене 48 тыс. рублей за тонну. Суммарные суточные издержки цеха при выпуске xx тонн равны x3+20x^3 + 20 тыс. рублей. Найдите наибольшую суточную прибыль цеха и объём выпуска, при котором она достигается. Ответ обоснуйте.

  1. 1.Прибыль — выручка минус издержки: P(x)=48x−x3−20P(x) = 48x - x^3 - 20, 0≤x≤60 \le x \le 6.
  2. 2.P′(x)=48−3x2=3(4−x)(4+x)P'(x) = 48 - 3x^2 = 3(4 - x)(4 + x). Корень −4-4 вне отрезка, на [0;6][0; 6] P′(x)=0P'(x) = 0 только при x=4x = 4.
  3. 3.P′(x)>0P'(x) > 0 при 0≤x<40 \le x < 4 и P′(x)<0P'(x) < 0 при 4<x≤64 < x \le 6. Значит, PP возрастает на [0;4][0; 4] и убывает на [4;6][4; 6]: x=4x = 4 — точка максимума.
  4. 4.P(4)=192−64−20=108P(4) = 192 - 64 - 20 = 108. В концах меньше: P(0)=−20P(0) = -20, P(6)=288−216−20=52P(6) = 288 - 216 - 20 = 52.

Ответ: 108 тыс. рублей при выпуске 4 т

Многочлен в виде произведения: объём коробки

Если многочлен задан произведением, например V(x)=x(a−2x)2V(x) = x(a - 2x)^2, скобки раскрывать не нужно. Возьмите производную по формуле (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv' и вынесите общий множитель: V′V' сразу получится разложенной на множители.

Так считают объём открытой коробки из квадратного листа со стороной aa. Из углов вырезают квадраты со стороной xx и загибают края. Дно — квадрат со стороной a−2xa - 2x, высота — xx, поэтому 0<x<a20 < x < \frac{a}{2}.

Пример

Из квадратного листа жести со стороной 12 см делают открытую коробку: в углах вырезают одинаковые квадраты и загибают края. Какой должна быть сторона вырезанного квадрата, чтобы объём коробки был наибольшим? Найдите этот объём.

  1. 1.Пусть сторона выреза xx см. Дно — квадрат со стороной 12−2x12 - 2x, высота xx: V(x)=x(12−2x)2V(x) = x(12 - 2x)^2, 0<x<60 < x < 6.
  2. 2.V′(x)=(12−2x)2+x⋅2(12−2x)⋅(−2)=(12−2x)(12−2x−4x)=(12−2x)(12−6x)V'(x) = (12 - 2x)^2 + x \cdot 2(12 - 2x) \cdot (-2) = (12 - 2x)(12 - 2x - 4x) = (12 - 2x)(12 - 6x).
  3. 3.На (0;6)(0; 6) множитель 12−2x>012 - 2x > 0, поэтому знак V′V' — знак 12−6x12 - 6x: «+» при x<2x < 2, «−» при x>2x > 2.
  4. 4.VV возрастает на (0;2](0; 2] и убывает на [2;6)[2; 6): x=2x = 2 — единственная точка экстремума, это точка максимума. V(2)=2⋅82=128V(2) = 2 \cdot 8^2 = 128.

Ответ: 2 см, объём 128 см3^3

Вырез — шестая часть стороны

Для листа со стороной aa то же вычисление даёт V′(x)=(a−2x)(a−6x)V'(x) = (a - 2x)(a - 6x) и точку максимума x=a6x = \frac{a}{6}. Наибольший объём V(a6)=a6⋅(2a3)2=2a327V\left(\frac{a}{6}\right) = \frac{a}{6} \cdot \left(\frac{2a}{3}\right)^2 = \frac{2a^3}{27}.

Открытая коробка из листа

V(x)=x(12−2x)2,0<x<6V(x) = x(12 - 2x)^2,\quad 0 < x < 6
x3 × 31250100246xV
V(4,5)=4,5⋅32=40,5V(4{,}5) = 4{,}5 \cdot 3^2 = 40{,}5
V′(4,5)=3⋅(12−27)=−45V'(4{,}5) = 3 \cdot (12 - 27) = -45
V′<0V' < 0: при x>2x > 2 объём убывает, вырез слишком большой.
Двигайте угол выреза на листе или точку на графике объёма. Под графиком — объём и знак производной при текущем xx.

Проверьте себя

00

Потренируйте навык

Все задания на этот навык

Решать