4.4.1 极值
在第4.1节中,在给出费马定理之前定义过函数的极值,并且通过费马定理知道了函数极值的必要条件.
定理4.4.1(极值的必要条件) 设函数f(x)在点x0处可导并取得极值,则f′(x)=0.
定理4.4.1说明可导函数的极值点一定是它的驻点,但是反过来,函数的驻点却不一定就是它的极值点,除此之外,函数在它的不可导点处也可以取得极值,本节主要讨论函数取得极值的两个充分条件.
定理4.4.2(极值的第一充分条件) 设函数f(x)在点x0处连续,在x0的某去心邻域
内可导:
(1)当x∈(x0-δ,x0)时,f′(x)>0;x∈(x0,x0+δ)时,f′(x)<0,则函数f(x)在x0处取得极大值;
(2)当x∈(x0-δ,x0)时,f′(x)<0;x∈(x0,x0+δ)时,f′(x)>0,则函数f(x)在x0处取得极小值;
(3)当x∈U◦(x0,δ)时,f′(x)不改变符号,则函数f(x)在x0处没有极值.
证明 下面只证(1),(2)和(3)可以类似地证明.
根据定理4.3.1函数单调性判别法可知,f(x)在(x0-δ,x0)内单调递增,在(x0,x0+δ)内单调递减.又由于函数f(x)在点x0处连续,所以对于任意x∈U(x0,δ),都有f(x)<f(x0),故函数f(x)在x0处取得极大值,证完.
根据定理4.3.1和定理4.4.2,如果函数f(x)在某个区间内连续,除有限个点外处处可导,可以按以下步骤来求f(x)的极值点和极值.
(1)求出f′(x);
(2)求出f(x)的驻点和不可导点;
(3)考查f′(x)在驻点和不可导点两侧的符号,确定该点是否为极值点;是极值点的确定是极大值点还是极小值点;
(4)求出极值点的函数值,确定极值.
例4.4.1 求函数f(x)=x3-12x的极值.
解 函数的定义域为R,f′(x)=3x2-12=3(x+2)(x-2),令f′(x)=0,得x=±2.当x>2或x<-2时,f′(x)>0,f(x)在(-∞,-2]和[2,+∞)上是增函数;当-2<x<2时,f′(x)<0,f(x)在[-2,2]上是减函数.当x=-2时,函数有极大值f(-2)=16,当x=2时,函数有极小值f(2)=-16.
例4.4.2 求函数
的极值点和极值.
解 (1)函数
在(-∞,+∞)上连续,除x=0外处处可导,并且有
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(2)令f′(x)=0,得到驻点为x=1,同时x=0是f(x)的不可导点;
(3)考查f′(x)在驻点和不可导点两旁的符号,结果如表4.2所示.

(4)从表4.2中可以看出,x=0是f(x)的极大值点,极大值为f(0)=0;x=1是f(x)的极小值点,极小值为f(1)=-3.
定理4.4.3(极值的第二充分条件) 设函数f(x)在点x0处具有二阶导数,且f′(x0)=0,f″(x0)≠0,证明:
(1)当f″(x0)<0时,函数f(x)在x0处取得极大值;
(2)当f″(x0)>0时,函数f(x)在x0处取得极小值.
证明 下面只证(1),(2)可以类似证明.
根据二阶导数的定义,因为f″(x0)<0,故有
;
根据函数极限的局部保号性,∃δ>0,当
,由于f′(x0)=0,所以有
,说明在
时,f′(x)和x-x0符号相反.因此,当x-x0<0时,f′(x)>0;当x-x0>0时,f′(x)<0.根据定理4.4.2知,函数f(x)在x0处取得极大值,证完.
例4.4.3 求函数f(x)=x3+3x2-24x-20的极值.
解 函数f(x)的定义域为R.f′(x)=3x2+6x-24=3(x+4)(x-2),令f′(x)=0,得驻点x1=-4,x2=2.又因为f″(x)=6x+6,f″(-4)=-18<0,f″(2)=18>0,所以函数f(x)有极大值f(-4)=60,有极小值f(2)=-48.
例4.4.4 求函数f(x)=2sinx+cos2x的极值点和极值.
解 因为2sinx+cos2x=-2sin2x+2sinx+1=-2
,因此函数f(x)的周期是2π,故只需在一个周期[0,2π]内讨论极值点和极值.
f′(x)=2cosx(1-2sinx),令f′(x)=0,得驻点
,因为f″(x)=-2(sinx+2cos2x),有
.
根据定理4.4.3可知,
和
是f(x)的极大值点,极大值为
;
和
是f(x)的极小值点,极小值为
.
因此,f(x)的极大值点为
和
,极大值为
;极小值点为
和
,极小值为1和-3.