三、最值
根据闭区间上连续函数的性质,若函数f(x)在[a,b]上连续,则f(x)在[a,b]上一定存在最大值与最小值.而函数在开区间(a,b)内的最值点必为极值点,从而通过比较(a,b)内的不可导点、驻点及区间端点a,b的函数值,从中找到f(x)在[a,b]上的最大最小值.下面举例说明最值的求解过程.
例5 求f(x)=|2x3-9x2+12x|在上的最大值与最小值.
解 因为
所以
由f′+(0)及f′-(0)的定义可求得f′+(0)=12,f′-(0)=-12,因此函数在x=0不可导.
在(0,)内有驻点x=1,x=2.比较它们与端点-
和
的函数值:
故f(x)在x=1和x=处取得最大值5,在x=0处取得最小值0.
不难理解,若f(x)在区间I上连续,且存在唯一的极值点x0,则x0必为最值点,即若x0为极大(小)值点,则x0必为I上的最大(小)值点.有兴趣的读者可自行证明.
在实际问题中,若f(x)在某区间上存在最值,且在区间内部求得唯一一个可能的极值点,则不需要作任何判断便可肯定此点为所求最值点.
例6 要建造一个体积为50m3的有盖圆柱形水池,问水池的高和底面半径取多大时用料最省?
解 用料是指水池的表面积.
设水池底面半径为r.高为h,则它的表面积为
S=2πr2+2πrh.
由于体积V=50=πr2 h,即h=,代入上式得到S为r的函数,即
下面讨论函数S(r)在r取何值时有最小值.
因为
求得唯一驻点
而且这个实际问题确实存在最小表面积,所以当r=时,S最小.此时高为
将V=50代入上式得h=2≈4m.
这说明当底面直径与水池的高相等时用料最省.
例7 一艘轮船在航行中的燃料费和它的速度的立方成正比.已知当速度为10km/h时,燃料费为每小时6元,而其他与速度无关的费用为每小时96元.问轮船的速度为多少时,每航行1km所耗的费用最小?
解 设船速为xkm/h,则所耗的燃料费为y=kx3.
由已知当x=10时,y=6,从而求得比例系数k=0.006.根据题意,轮船每航行1km所耗的费用为
下面,问题转化为求f(x)的最小值.
由于
求得驻点x=20.
当x<20时,f′(x)<0;x>20时f′(x)>0.根据极值的第一充分条件,x=20为f(x)的唯一极小值点,因而必为最小值点,且最小值为0.006×202+=7.2元.
因此,当船速为20km/h时,每航行1km的耗费最小,且耗费为7.2元.