Bài 2. Cực trị của hàm số (OTĐH)
I. Khái niệm cực trị
1. Định nghĩa : Cho hàm số y = f(x) xác định trên miền D,
+ gọi là điểm cực đại của f(x) nếu tồn tại khoảng sao cho : . Khi đó được gọi là giá trị cực đại của hàm số và điểm gọi là điểm cực đại của đồ thị hàm số y = f(x).
+ gọi là điểm cực tiểu của f(x) nếu tồn tại khoảng sao cho : . Khi đó được gọi là giá trị cực tiểu của hàm số và điểm gọi là điểm cực tiểu của đồ thị hàm số y = f(x).
+ Các điểm cực đại và cực tiểu được gọi chung là các điểm cực trị.
2. Điều kiện cần, điều kiện đủ cho cực trị.
a) Định lý 1 (điều kiện cần): Nếu hàm số y = f(x) có đạt cực trị tại và có đạo hàm tại thì
b) Định lý 2 (điều kiện đủ) : Cho hàm số y = f(x) liên tục trên (a; b) và có đạo hàm trên các khoảng . Khi dó
+ Nếu f'(x) đổi dấu từ dương sang âm khi x qua thì hàm số đạt cực đại tại
+ Nếu f'(x) đổi dấu từ âm sang dương khi x qua thì hàm số đạt cực tiểu tại
c) Định lý 3 (Điều kiện đủ) : Cho hàm số y = f(x) khả vi trên (a; b), và có thì.
+ Nếu thì hàm số đạt cực tiểu tại
+ Nếu thì hàm số đạt cực đại tại
* Nhận xét :
(1) Định lý 2 cho thấy không nhất thiết f(x) phải có đạo hàm tại , chỉ cần đạo hàm qua đó đổi dấu là được ( phải thuộc tập xác định của hàm số.
(2) Định lý 3 chỉ dùng được với các hàm khả vi trên toàn khoảng (a; b), kể cả tại điểm ta cần xét; thường định lý này chỉ dùng cho các hàm số mà việc xét dấu của đạo hàm cấp 1 phức tạp (như các hàm lượng giác chẳng hạn)
(3) Trong định lý 3, nếu thì chưa thể nói gì về điểm , nó có thể là cực đại hoặc cực tiểu, cũng có thể không là điểm cực trị, có thể thấy điều đó qua các ví dụ : với điểm cần xét là . (Các bạn tự kiểm chứng điều này)
II. Vận dụng các định lý giải các bài toán cực trị
Dựa vào 3 định lý trên ta có 2 quy tắc tìm cực trị cho hàm số y = f(x) trên (a; b) như sau :
1. Quy tắc 1.
+ Tính đạo hàm f'(x), giải phương trình f'(x) = 0 tìm các nghiệm và tìm các giá trị của x mà f'(x) không xác định.
+ Lập bảng xét dấu cho đạo hàm (bảng biến thiên), từ đó suy ra cực trị theo định lý 2.
2. Quy tắc 2.
+ Tính các đạo hàm f'(x), f”(x), giải phương trình f'(x) = 0 để tìm nghiệm .
+ Xét dấu của và kết luận theo định lý 2. Trường hợp ta phải trở lại dùng quy tắc 1 để xét.
3. Các ví dụ vận dụng
Ví dụ 1. Tìm cực trị của các hàm số sau
a.
b.
c.
d.
Lời giải
a.Tập xác định : R
+
+ lập bảng biến thiên suy ra điểm cực đại x = 2, y(2) = ? và điểm cực tiểu x = -2, y(-2) =?
b. Tập xác định :
+ Ta có : ; . Giải được các nghiệm x = -1, x = 5.
+ Lập bảng biến thiên:
Suy ra điểm cực đại x = -1, y(-1) = -7 và điểm cực tiểu x=5, y(5) = 5.
c. Tập xác định :
+ Ta có :
+ Đạo hàm không đổi dấu trên tập xác định nên hàm số không có cực trị.
d. Tập xác định : R
+ Ta có ;
+
+ Xét lần lượt các giá trị ta có :
,
nên là điểm cực tiểu của hàm số.
nên là điểm cực đại của hàm số.
Ví dụ 2. Tìm m để hàm số đạt cực đại tại x = 2
Lời giải
* Điều kiện cần : x = 2 là điểm cực trị nên :
* Điều kiện đủ : Thay vào hàm số và kiểm tra lại thấy x = 2 là một điểm cực đại của hàm số.
Kết luận : là điều kiện cần tìm.
* Chú ý : Nếu thỏa mãn điều kiện thì là một điểm cực đại của hàm số,
nhưng điều ngược lại có thể không đúng, chẳng hạn x = 0 là điểm cực đại của hàm số , nhưng lại không thỏa hệ trên. Do vậy điều kiện là điểm cực đại và điều kiện hệ là không tương đương nhau. Tương tự với điều kiện cực tiểu. Do vậy cách làm theo điều kiện cần và đủ sẽ chính xác hơn!!!
Ví dụ 3. Tìm m để hàm số đạt cực đại tại x = 2.
Lời giải
+ Tập xác định :
+ x = 2 là cực trị nên nó phải thuộc tập xác định, tức là
+ Ta có
* Điều kiện cần :
* Điều kiện đủ : Kiểm tra lại 2 giá trị trên thì m = -1 bị loại, còn lại m = -3 thỏa mãn điều kiện x = 2 là điểm cực đại của hàm số.
Kết luận : Vậy m = -3 là điều kiện cần tìm.
Ví dụ 4. Tìm m để hàm số có cực đại và cực tiểu
Lời giải
+ Tập xác định : R
+ Ta có :
+ hàm số có cực đại và cực tiểu khi và chỉ khi y’ = 0 có hai nghiệm phân biệt, tức là ta phải có
* Nhận xét : Đạo hàm y’ là một tam thức bậc hai, để có cực trị thì y’= 0 phải có nghiệm và qua nghiệm đó phải đổi dấu, trường hợp thì y’ không đổi dấu (luôn cùng dấu với hệ số a, cùng lắm là bằng 0 tại điểm ). Do vậy phải có , khi đó y’ = 0 có 2 nghiệm phân biệt và rõ ràng nó đổi dấu khi đi qua 2 nghiệm nên ta có đồng thời cực đại và cực tiểu. Qua đây cũng có thể thấy hàm số bậc 3 luôn có cùng 1 lúc cả hai cực trị (cực đại và cực tiểu) hoặc không cực trị. Và cũng thấy điều kiện cần và đủ để hàm số bậc 3 có cực trị là :
Bài tập vận dụng :
Bài 1. Tìm cực trị của các hàm số sau :
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
Bài 2. Tìm m để hàm số có cực trị tại x = 1. Khi đó x = 1 là cực đại hay cực tiểu?
Bài 3. Tìm a, b sao cho đạt cực đại tại x = -2 và f(-2) = -2
Bài 4. Tìm m để hàm số có cực trị
Bài 5. Tìm m để hàm số có cực đại, cực tiểu.
Bài 1. Tính đơn điệu của hàm số (OTĐH)
I. Hàm số đơn điệu :
1. Định nghĩa : Cho hàm số y = f(x) xác định trên tập \ (D là khoảng, đoạn, nửa khoảng trong R)
+ f(x) gọi là đồng biến trên D nếu : thì
+ f(x) gọi là nghịch biến trên D nếu : thì
+ Hàm số f(x) đồng biến hay nghịch biến trên D gọi chung là ĐƠN ĐIỆU trên D.
2. Điều kiện cho hàm số đơn điệu
a. Điều kiện cần : Cho y = f(x) có đạo hàm trên miền D.
+ Nếu f(x) đồng biến trên D thì :
+ Nếu f(x) nghịch biến trên D thì :
b. Điều kiện đủ : Cho y = f(x) khả vi (có đạo hàm) trên miền D.
+ Nếu và f'(x) = 0 tại hữu hạn điểm trên D thì f(x) đồng biến trên D
+ Nếu và f'(x) = 0 tại hữu hạn điểm trên D thì f(x) nghịch biến trên D
* Nhận xét:
+ Các hàm số đa thức, phân thức và hàm số chứa căn mà ta xét thường chỉ bằng 0 tại hữu hạn điểm nên ta chỉ quan tâm đến dấu của đạo hàm là chủ yếu.
+ Các hàm số lượng giác tuần hoàn nên chỉ cần xét dấu đạo hàm trên một chu kì.
II. Vận dụng hai định lý trên xét tính đơn điệu của hàm số
1. Dạng 1. Xét tính đơn điệu
Các bước thực hiện :
+ Tìm tập xác định của hàm số
+ Tính đạo hàm f'(x), giải phương trình f'(x) = 0 và tìm các giá trị của x mà f'(x) không xác định
+ Lập bảng biến thiên (xét dấu đạo hàm) rồi kết luận
Ví dụ 1. Xét sự biến thiên của các hàm số sau :
a.
b.
c.
Lời giải
a. Tập xác định R
+
+ bảng biến thiên :
Suy ra Hàm số đồng biến trên các khoảng (-1; 0) và ; nghịch biến trên các khoảng và (0; 1).
b. Tập xác định
+
+ Bảng biến thiên :
Suy ra Hàm số đồng biến trên D.
c. Tập xác định R; hàm số tuần hoàn với chu kỳ , chỉ cần xét trên đoạn có độ dài bằng , chẳng hạn
+ ;
+ Bảng biến thiên :
Suy ra hàm số nghịch biến trên các khoảng và ; đồng biến trên các khoảng và
Bài tập áp dụng :
Bài 1. Xét sự biến thiên của các hàm số sau :
a.
c.
d.
Bài 2. Xét sự biến thiên của các hàm số sau :
a.
b.
c.
2. Dạng 2. Các bài toán chứa tham số
* Lưu ý : Với các bài toán tìm tham số, thường đòi hỏi tìm điều kiện của tham số để hàm số đồng biến hay nghịch biến trên một khoảng nào đó. Thông thường có thể vận dụng điều kiện tam thức bậc hai để giải quyết. Tuy nhiên, hiện nay định lý đảo về dấu của tam thức bậc 2 không còn được trình bày trong chương trình phổ thông, do vậy, để xử lý trường hợp trên ta có thể vận dụng các hướng sau :
Hướng 1. Đạo hàm thu được chứa tham số chỉ có một bậc, ta có thể cô lập tham số về một vế trong bất phương trình : hoặc , để đưa được về dạng : hoặc . Tiếp đó lập bảng biến thiên của g(x) và tìm điều kiện tương ứng.
Hướng 2. Thông thường các bất phương trình : hoặc là bậc 2, ta có thể sử dụng tính chất min, max của hàm số bậc 2 như sau : Cho hàm số , trên . Khi đó ta có :
+ Nếu thì
+ Nếu thì
Ví dụ 1. Tìm m để hàm số : đồng biến trên R
Lời giải
+ ta có ; hàm số đồng biến trên R khi (1)
+ f'(x) là tam thức bậc 2 với hệ số a = 1 > 0 nên điều kiện (1) tương đương với ; giải điều kiện ta được .
* Nhận xét : Có thể thấy điều kiện (1) tương đương với : , điều này có được do tính chất của hàm số bậc 2 với hệ số a = 1 > 0, trên R thì đạt min tại đỉnh, mà điều kiện (1) cho thấy min của f'(x) phải không âm.
Ví dụ 2. Tìm m để hàm số : đồng biến trên (0; 3)
Lời giải
+ Chú ý rằng f(x) là một hàm số liên tục trên R nên ta có thể xét rộng ra trên đoạn [0; 3]. Khi đó điều kiện bài toán tương đương với :
Hướng 1. Ta cô lập m như sau :
, và chú ý rằng với thì 2x + 1 > 0, nên ta có thể viết lại . Có thể thấy điều kiện (2) tương đương với : . Bằng cách lập bảng biến thiên của g(x) trên đoạn [0; 3] ta thấy . Do vậy ta được điều kiện của m là .
Hướng 2. Ta thấy điều kiện (1) tương đương với . Mặt khác, f'(x) là hàm số bậc 2 với a = -1 < 0 nên nó đạt min trên [0; 3] tại f'(0) hoặc f'(3) (bạn hãy vẽ một Parabol với bề lõm quay xuống trên đoạn [0; 3] để thấy được điều này!). Lại có f'(0) = m + 3, f'(3) = 7m – 12. Như vậy để có ta chỉ cần , hay tương đương với
Bài tập áp dụng :
Bài 1. Tìm m để hàm số : đồng biến trên
Bài 2. Tìm m để hàm số : đồng biến trên
3. Dạng 3. Chứng minh bất đẳng thức
Ví dụ 1. Chứng minh bất đẳng thức sau :
Lời giải
+ Biến đổi :
+ Xét hàm số : , ta có : , .
Suy ra f'(x) là hàm số đồng biến trên R, do đó f'(x) = 0 có không quá 1 nghiệm. Mặt khác f'(0) = 0 nên x = 0 là nghiệm duy nhất của f'(x) = 0.
+ Lập bảng biến thiên ta được , do đó thì nên (2) được chứng minh, vậy (1) được chứng minh.
Ví dụ 2. Chứng minh rằng :
Lời giải
+ biến đổi (1) tương đương về :
+ Xét coi là tam thức bậc 2 của x với do đó f(x) đạt giá trị nhỏ nhất tại ,
+ Có và như vậy . Bất đẳng thức (1) được chứng minh.
===> Chú ý : Hoàn toàn có thể xét đạo hàm để giải, việc lập bảng biến thiên cho ta kết quả không thay đổi là giá trị nhỏ nhất của f(x) sẽ đạt tại
Bài tập áp dụng :
Bài 1. Chứng minh rằng :
Bài 2. Chứng minh rằng :
a. . Chứng minh :
b.
4. Dạng 4. Giải biện luận phương trình – bất phương trình
(sẽ trình bày sau)
+
+ bảng biến thiên :
Suy ra Hàm số đồng biến trên các khoảng (-1; 0) và ;
nghịch biến trên các khoảng và (0; 1).
b. Tập xác định
+
+ Bảng biến thiên :
Suy ra Hàm số đồng biến trên khoảng và
nghịch biến trên các khoảng và (\sqrt{5};
\sqrt{10})$.
c. Tập xác định R; hàm số tuần hoàn với chu kỳ , chỉ cần xét
trên đoạn có độ dài bằng , chẳng hạn
+ ;
+ Bảng biến thiên :
Suy ra hàm số nghịch biến trên các khoảng và
; đồng biến trên các khoảng và