8
Экстремы многочлена третий степени
Эта статья является четвертой в цикле статей, посвященных кубическим функциям и уравнениям *) В ней речь пойдет о нахождения точек максимума и минимума функций
Для начала обратимся к функции (1)
. Пусть — корень функции (1). Как выглядит график этой функции в достаточно малой окрестности точки ?
Здесь возможны четыре случая — они представлены на рисунках 1—4. В первом и втором случах говорят, что функция monomonна в точке (в первом случae она возрастает, во втором — убивает). В третьем и четвертом случах говорят, что функция имеет экстремум в точке
*) См. статьи: В. Г. Янкелевич, 《Неприводимый》 случай, 《Квант》, 1971, № 11; О. А. Жаутыков, График кубического четырехслучения, 《Квант》, 1972, № 6; О. А. Жаутыков, О границах корней кубического уравнения, 《Квант》, 1973, № 12.
(в третьем случae — минимум, в четвертом — максимум)*.
В чем принципиальное отличие первого и второго случаев от третього и четвертого? В том, что в первых двух случах функция меняет знак при перехождение точку (например, в первом случae при и при ;
*) Иногода говорят, что функция имеет локальный экстремум (максимум, минимум). 《Локальный》означает «местный»: в некоторых окрестностях точки значения функции не превыходит , хотя «далеко» от точки значения могут превышать . В приняной нами терминологии (см. также Б. Е. Вейц, И. Т. Демидов, Алгебра и начала анализа, 9 класс, профный учебник под редакцией академика А. Н. Колмогорова, § 69) функция может иметь много максимов и миниммов, которые определяются как локальные понятия.
Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3. Рис. 4.
9
здесь значения выбираются достаточно близко от точки ), а в последних двух случаях функции не меняет знака при перехождение точки .
Попробуем найти необходимое и достаточно условие для того, чтобы точка корень многочлена была точкой экстремума. Преобразуем функцию (1) к виду
( и — корни квадратного треугольника; попробуйте доказать, что если — корень функции (1), то ее можно представить в таком виде, где — действительное число).
Если , то в достаточно малой окрестности точки (при ) выражение сохраняет постоянный знак, а значит, функция меняет знак при перехождение через точку . В этом случае экстремума нет. Если же , то получаем ; эта функция не меняет знака при перехождение точку .
Итак, корень квадратного треугольника является его точкой экстремума модели и molько модели, когда этом корень — двухкратный.
Обобщением полученного результата является следующая:
Теорема 1. Для того чтобы точка была точкой экстремума функции , необходимо и достаточно, чтобы существовал макое число , при котором многочлен имеет двухкратный корень .
Для доказательства этой теоремы достаточно знать точку тогда и только тогда, когда в этой точке имеет экстремум функция , где .
Этот результат использует на практике.
Пример 1. Найти точки экстремума функции
Подберем числа так, чтобы выполнялось тожество
Имеем
Но два многочлена тожестевно равны тогда и только тогда, когда равны их коэффициенты при одинаковых степенях; поэтому мы получаем систему уравнений
из которой находится
Итак, — точка экстремума функции (причем точка локального максимума, если , и локального минимума, если ).
Теперь обратимся к функции
Ниже мы уbidим, что для нее можно сформировать и доказать теорему, аналогичную теореме 1. Но сначала мы докажем неокоторая вспомогательные результаты.
Лемma. Пусть дан многочлен степеней (), и пусть — его действительный корень. Тогда
еще и — некоморые действительные числа.
Доказательство. По условиям .
Тогда
где
10
Попробуем теперь найти необходимые и достаточно условные условия для того, чтобы точка корень многочлена (2) является точкой экстремума функции .
Воспользуемся формулой (3). Если не является корнем квадратного трехчлена , то в достаточно малой окрестности точки этот трехчлен сохраняет постоянный знак, а потому функция меняет знак при перехождения точку . То же самое будет в случае, когда — двукратный корень трехчлена, то есть и, следовательно, . В рассмотренных случаях экстремума нет. И лишь в одном случае функция не меняет знак при перехождения точку — когда — однократный корень квадратного трехчлена, то есть , или, что то же самое, — двукратный корень многочлена (2), то есть
где .
Итак, корень многочлена имеет степеня является его точкой экстремума моеда и molько моеда, когда этом корень двукратный.
Обобщением полученного результат является следующая:
Теорема 2. Для того чтобы точка была точкой экстремума функции , необходимо и достаточно, чтобы существовал макое число , при котором многочлен имеет двукратный корень , то есть
(4)
еде .
Теорема 3 (достаточные условия максимума и минимума). Пусть функция имеет экстремум в точке и — значение функции в точке . Представим многочлен в виде (4). Тогда, если , то — точка максимума; если , то — точка минимума.
Доказательство. Если и , то в окрестности точки , не содержащей внутри себя точку (рис. 5), имеем , то есть . Значит, — точка максимума. Если и , то также получается точка максимума. Объединяя эти два случая, получаем, что если , то в точке функция имеет максимум. Вторая часть теоремы доказывается аналогично.
Пример 2. Исследовать на экстремум функцию
(5)
и построить ее график.
Попробуем подобрать числа , , так, чтобы выполнялось тожество (причем ). Отсюда . Для отыскания значений , , мы получили систему уравнений:
Рис. 5.