极大函数
函数极值的判定法则

函数极值的判定法则一、极值的概念设函数f (x )在点x 0的某个邻域内有定义,如果对于该邻域内去掉x 0点的任意一点x ,都有f (x )<f (x 0)或f (x )>f (x 0)成立,则称函数f (x )在点x 0处取得极大值或极小值,简称f (x 0)是函数f (x )的一个极值,点x 0称为函数f (x )的一个极值点。
如果函数f (x )在点x 0处取得极大值,则称f (x 0)是函数f (x )的一个局部最大值,点x 0称为函数f (x )的一个局部最大点。
如果函数f (x )在点x 0处取得极小值,则称f (x 0)是函数f (x )的一个局部最小值,点x 0称为函数f (x )的一个局部最小点。
二、极值的判定条件1. 导数判定法如果函数f (x )在点x 0处可导,且f ′(x 0)=0,则点x 0是函数f (x )的一个驻点。
驻点是函数f (x )的极值点的必要条件,但不是充分条件。
为了判断驻点是否为极值点,还需要考察函数f (x )在驻点两侧的变化情况,有以下两种方法:2. 极值第一充分条件如果函数f (x )在点x 0处连续,且在x 0的某个去心邻域内满足f (x )−f (x 0){或f (x )−f (x 0){则f (x 0)是函数f (x )的一个极值,x 0是函数f (x )的一个极值点。
3. 极值第二充分条件如果函数f (x )在点x 0处n 阶可导,且f ′(x 0)=f ′′(x 0)=⋯=f (n −1)(x 0)=0,f (n )(x 0)≠0,则有一阶导数法:如果函数f (x )在点x 0的某个去心邻域内可导,且f ′(x 0)=0,则有如果f ′(x )在x 0的左侧为正,右侧为负,则f (x 0)是函数f (x )的一个局部最大值,x 0是函数f (x )的一个局部最大点;如果f ′(x )在x 0的左侧为负,右侧为正,则f (x 0)是函数f (x )的一个局部最小值,x 0是函数f (x )的一个局部最小点;如果f ′(x )在x 0的左右两侧同号,则f (x 0)不是函数f (x )的极值,x 0不是函数f (x )的极值点。
高等数学《函数的极值与最大、最小值》课件

3) 若 f ( x)在开区间内定义,这时最值不一定存 在 ,有些实际应用问题根据实际可确定问题一 定有解 .
设 f ( x)在开区间内定义且可导, f ( x)在开区间内 有唯一驻点 x0 ,若 f ( x0 )是 f ( x)的极小值(极大值) , 则 f ( x0 )是 f ( x)的最小值 (最大值) .
f (0) 1为极大值 , 即为最大值 .
x 1时, f ( x) f (0) 1 , 即当 x 1时, 有 e x 1 . 1 x
小结
注意最值与极值的区别. 最值是整体概念而极值是局部概念. 实际问题求最值的步骤. 利用最大、小值证明不等式
思考题
若 f (a) 是 f ( x) 在[a, b] 上的最大值或最 小值,且 f (a)存在,是否一定有 f (a) 0 ?
当x 2时,f ( x) 0;
M
当x 2时,f ( x) 0.
f (2) 1为f ( x)的极大值.
定理2(第二充分条件)
设 f ( x) 在 x0处具有二阶导数,且 f ( x0 ) 0 , f ( x0 ) 0 ,则 (1) 若 f ( x0 ) 0 ,则 f ( x0 )为 f ( x)的极大值 .
f
( xk ),
f
(a),
f
(b)
}.
min
x[ a ,b ]
f (x)
min{
f ( x1) ,,
f ( xk ),
f (a),
f (b) }.
例1 求函数 y 2x3 3x2 12x 14 的在[3,4] 上的最大值与最小值.
解 f ( x) 6( x 2)(x 1)
解方程 f ( x) 0,得 x1 2, x2 1.
极大值、极小值、最大值、最小值之间的数学关系

极大值、极小值、最大值、最小值之间的数学关系极大值、极小值、最大值和最小值是在数学中常常出现的概念,它们之间存在一定的关系。
为了更好地理解它们之间的关系,我们先来了解一下它们的定义和性质。
首先,我们来看一下极大值和极小值的定义。
在函数的定义域上,如果存在一个点,使得这个点的函数值比它邻近的其他点的函数值都大,则称该点为函数的极大值点,这个函数值称为函数的极大值。
同理,如果存在一个点,使得这个点的函数值比它邻近的其他点的函数值都小,则称该点为函数的极小值点,这个函数值称为函数的极小值。
接下来,我们来看一下最大值和最小值的定义。
在函数的定义域上,如果对于任意的点,该点的函数值都不大于此函数值,则称这个函数值为函数的最大值。
同理,如果对于任意的点,该点的函数值都不小于此函数值,则称这个函数值为函数的最小值。
简而言之,极大值和极小值是局部性质,指的是函数在某些点附近的最大值和最小值;而最大值和最小值是全局性质,指的是函数在整个定义域上的最大值和最小值。
接下来,我们来讨论它们之间的关系。
首先,最大值和最小值一定是极大值和极小值,因为最大值和最小值是全局性质,所以它们一定也是局部性质。
也就是说,如果一个函数有最大值或最小值,那么它一定存在极大值或极小值。
反过来,极大值和极小值不一定是最大值和最小值。
这是因为极大值和极小值只是局部性质,它们只在某个点附近成立,并不能保证在整个定义域上都成立。
因此,一个函数具有极大值或极小值,并不能保证它一定具有最大值或最小值。
举个例子来说明这个关系。
考虑函数f(x) = x^3,在定义域上,这个函数没有最大值和最小值。
但是,它具有一个极小值点x=0,即f(0)=0。
这个点附近的函数值比它邻近的其他点的函数值都小,所以它是一个极小值点。
但是,由于在整个定义域上,函数的函数值可以无限接近正无穷大或负无穷大,所以它并没有最小值和最大值。
总结来说,最大值和最小值是全局性质,它们一定是极大值和极小值,但极大值和极小值不一定是最大值和最小值。
导数与函数的极值和最值考点及题型

第三节导数与函数的极值、最值❖基础知识1.函数的极值(1)函数的极小值:函数y=f(x)在点x=a的函数值f(a)比它在点x=a附近其他点的函数值都小,f′(a)=0;而且在点x=a附近的左侧f′(x)<0,右侧f′(x)>0,则点a叫做函数y=f(x)的极小值点,f(a)叫做函数y=f(x)的极小值.(2)函数的极大值:函数y=f(x)在点x=b的函数值f(b)比它在点x=b附近其他点的函数值都大,f′(b)=0;而且在点x=b附近的左侧f′(x)>0,右侧f′(x)<0,则点b叫做函数y=f(x)的极大值点,f(b)叫做函数y=f(x)的极大值.极小值点、极大值点统称为极值点,极大值和极小值统称为极值.①函数f(x)在x0处有极值的必要不充分条件是f′(x0)=0,极值点是f′(x)=0的根,但f′(x)=0的根不都是极值点(例如f(x)=x3,f′(0)=0,但x=0不是极值点).②极值反映了函数在某一点附近的大小情况,刻画的是函数的局部性质.极值点是函数在区间内部的点,不会是端点.2.函数的最值(1)在闭区间[a,b]上连续的函数f(x)在[a,b]上必有最大值与最小值.(2)若函数f(x)在[a,b]上单调递增,则f(a)为函数的最小值,f(b)为函数的最大值;若函数f(x)在[a,b]上单调递减,则f(a)为函数的最大值,f(b)为函数的最小值.❖常用结论(1)若函数f(x)的图象连续不断,则f(x)在[a,b]上一定有最值.(2)若函数f(x)在[a,b]上是单调函数,则f(x)一定在区间端点处取得最值.(3)若函数f(x)在区间(a,b)内只有一个极值点,则相应的极值点一定是函数的最值点.考点一利用导数解决函数的极值问题考法(一)利用导数求函数的极值或极值点[典例](2018·天津高考改编)设函数f(x)=(x-t1)·(x-t2)(x-t3),其中t1,t2,t3∈R,且t1,t2,t3是公差为d的等差数列.(1)若t2=0,d=1,求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;(2)若d =3,求f (x )的极小值点及极大值.[解] (1)由已知,可得f (x )=x (x -1)(x +1)=x 3-x ,故f ′(x )=3x 2-1.因此f (0)=0,f ′(0)=-1.因此曲线y =f (x )在点(0,f (0))处的切线方程为y -f (0)=f ′(0)(x -0),故所求切线方程为x +y =0. (2)由已知可得f (x )=(x -t 2+3)(x -t 2)(x -t 2-3) =(x -t 2)3-9(x -t 2)=x 3-3t 2x 2+(3t 22-9)x -t 32+9t 2.故f ′(x )=3x 2-6t 2x +3t 22-9.令f ′(x )=0,解得x =t 2-3或x =t 2+ 3. 当x 变化时,f ′(x ),f (x )的变化情况如下表:[解题技法] 求函数的极值或极值点的步骤(1)求导数f ′(x ),不要忘记函数f (x )的定义域; (2)求方程f ′(x )=0的根;(3)检查在方程的根的左右两侧f ′(x )的符号,确定极值点或函数的极值. 考法(二) 已知函数极值点或极值求参数的值或范围[典例] (2018·北京高考节选)设函数f (x )=[ax 2-(3a +1)x +3a +2]e x ,若f (x )在x =1处取得极小值,求a 的取值范围.[解] 由f (x )=[ax 2-(3a +1)x +3a +2]e x ,得f ′(x )=[ax 2-(a +1)x +1]e x =(ax -1)(x -1)e x . 若a >1,则当x ∈⎝⎛⎭⎫1a ,1时,f ′(x )<0; 当x ∈(1,+∞)时,f ′(x )>0. 所以f (x )在x =1处取得极小值.若a ≤1,则当x ∈(0,1)时,ax -1≤x -1<0, 所以f ′(x )>0.所以1不是f (x )的极小值点.综上可知,a 的取值范围是(1,+∞).[解题技法]已知函数极值点或极值求参数的2个要领[题组训练]1.设函数f (x )=2x+ln x ,则( )A .x =12为f (x )的极大值点B .x =12为f (x )的极小值点C .x =2为f (x )的极大值点D .x =2为f (x )的极小值点解析:选D ∵f (x )=2x+ln x (x >0),∴f ′(x )=-2x 2+1x ,令f ′(x )=0,则x =2.当0<x <2时,f ′(x )<0;当x >2时,f ′(x )>0. 所以x =2为f (x )的极小值点.2.(2019·广州高中综合测试)已知函数f (x )=x 3+ax 2+bx +a 2在x =1处的极值为10,则数对(a ,b )为( )A .(-3,3)B .(-11,4)C .(4,-11)D .(-3,3)或(4,-11)解析:选Cf ′(x )=3x 2+2ax +b ,依题意可得⎩⎪⎨⎪⎧f ′(1)=0,f (1)=10,即⎩⎪⎨⎪⎧3+2a +b =0,1+a +b +a 2=10,消去b 可得a 2-a -12=0,解得a =-3或a =4,故⎩⎪⎨⎪⎧a =-3,b =3或⎩⎪⎨⎪⎧a =4,b =-11.当⎩⎪⎨⎪⎧a =-3,b =3时,f ′(x )=3x 2-6x +3=3(x-1)2≥0,这时f (x )无极值,不合题意,舍去,故选C.3.设函数f (x )=ax 3-2x 2+x +c (a >0).(1)当a =1,且函数f (x )的图象过点(0,1)时,求函数f (x )的极小值; (2)若f (x )在(-∞,+∞)上无极值点,求a 的取值范围. 解:f ′(x )=3ax 2-4x +1.(1)函数f (x )的图象过点(0,1)时,有f (0)=c =1.当a =1时,f (x )=x 3-2x 2+x +1,f ′(x )=3x 2-4x +1, 由f ′(x )>0,解得x <13或x >1;由f ′(x )<0,解得13<x <1.所以函数f (x )在⎝⎛⎭⎫-∞,13和(1,+∞)上单调递增,在⎝⎛⎭⎫13,1上单调递减, 所以函数f (x )的极小值是f (1)=13-2×12+1+1=1. (2)若f (x )在(-∞,+∞)上无极值点, 则f (x )在(-∞,+∞)上是单调函数,即f ′(x )=3ax 2-4x +1≥0或f ′(x )=3ax 2-4x +1≤0恒成立. 因为a >0,所以f ′(x )=3ax 2-4x +1≥0在(-∞,+∞)上恒成立, 则有Δ=(-4)2-4×3a ×1≤0,即16-12a ≤0,解得a ≥43.故a 的取值范围为⎣⎡⎭⎫43,+∞. 考点二 利用导数解决函数的最值问题[典例] (2017·北京高考)已知函数f (x )=e x cos x -x .(1)求曲线y =f (x )在点(0,f (0))处的切线方程; (2)求函数f (x )在区间⎣⎡⎦⎤0,π2上的最大值和最小值. [解] (1)因为f (x )=e x cos x -x ,所以f ′(x )=e x (cos x -sin x )-1,f ′(0)=0. 又因为f (0)=1,所以曲线y =f (x )在点(0,f (0))处的切线方程为y =1. (2)设h (x )=e x (cos x -sin x )-1,则h ′(x )=e x (cos x -sin x -sin x -cos x )=-2e x sin x . 当x ∈⎝⎛⎭⎫0,π2时,h ′(x )<0, 所以h (x )在区间⎣⎡⎦⎤0,π2上单调递减. 所以对任意x ∈⎝⎛⎦⎤0,π2,有h (x )<h (0)=0, 即f ′(x )<0.所以函数f (x )在区间⎣⎡⎦⎤0,π2上单调递减. 因此f (x )在区间⎣⎡⎦⎤0,π2上的最大值为f (0)=1, 最小值为f ⎝⎛⎭⎫π2=-π2.[解题技法]导数法求给定区间上函数的最值问题的一般步骤(1)求函数f (x )的导数f ′(x );(2)求f (x )在给定区间上的单调性和极值; (3)求f (x )在给定区间上的端点值;(4)将f (x )的各极值与f (x )的端点值进行比较,确定f (x )的最大值与最小值; (5)反思回顾,查看关键点,易错点和解题规范. [题组训练]1.(2018·珠海摸底)如图,将一张16 cm ×10 cm 的长方形纸片剪下四个全等的小正方形,使得剩余部分经过折叠能糊成一个无盖的长方体纸盒,则这个纸盒的最大容积是________ cm 3.解析:设剪下的四个小正方形的边长为x cm ,则经过折叠以后,糊成的长方体纸盒是一个底面是长为(16-2x ) cm ,宽为(10-2x ) cm 的长方形,其面积为(16-2x )(10-2x )cm 2,长方体纸盒的高为x cm ,则体积V =(16-2x )(10-2x )×x =4x 3-52x 2+160x (0<x <5)cm 3,所以V ′=12(x -2)·⎝⎛⎭⎫x -203,由V ′>0,得0<x <2,则函数V =4x 3-52x 2+160x (0<x <5)在(0,2)上单调递增;由V ′<0,得2<x <5,则函数V =4x 3-52x 2+160x (0<x <5)在(2,5)上单调递减,所以当x =2时,V max =144(cm 3). 答案:1442.已知函数f (x )=ln x -a x.(1)若a >0,试判断f (x )在定义域内的单调性; (2)若f (x )在[1,e]上的最小值为32,求实数a 的值.解:(1)由题意得f (x )的定义域是(0,+∞),且f ′(x )=x +ax 2, 因为a >0,所以f ′(x )>0, 故f (x )在(0,+∞)上单调递增. (2)由(1)可得f ′(x )=x +ax 2,因为x ∈[1,e],①若a ≥-1,则x +a ≥0,即f ′(x )≥0在[1,e]上恒成立, 此时f (x )在[1,e]上单调递增, 所以f (x )min =f (1)=-a =32,所以a =-32(舍去).②若a ≤-e ,则x +a ≤0,即f ′(x )≤0在[1,e]上恒成立, 此时f (x )在[1,e]上单调递减, 所以f (x )min =f (e)=1-a e =32,所以a =-e2(舍去).③若-e<a <-1,令f ′(x )=0,得x =-a , 当1<x <-a 时,f ′(x )<0, 所以f (x )在(1,-a )上单调递减; 当-a <x <e 时,f ′(x )>0, 所以f (x )在(-a ,e)上单调递增,所以f (x )min =f (-a )=ln(-a )+1=32,所以a =- e.综上,a =- e.[课时跟踪检测]A 级1.(2019·辽宁鞍山一中模拟)已知函数f (x )=x 3-3x -1,在区间[-3,2]上的最大值为M ,最小值为N ,则M -N =( )A .20B .18C .3D .0解析:选A ∵f ′(x )=3x 2-3=3(x -1)(x +1),∴f (x )在(-∞,-1)和(1,+∞)上单调递增,在(-1,1)上单调递减,又∵f (-3)=-19,f (-1)=1,f (1)=-3,f (2)=1,∴M =1,N =-19,M -N =1-(-19)=20.2.(2018·梅州期末)函数y =f (x )的导函数的图象如图所示,则下列说法错误的是( )A .(-1,3)为函数y =f (x )的单调递增区间B .(3,5)为函数y =f (x )的单调递减区间C .函数y =f (x )在x =0处取得极大值D .函数y =f (x )在x =5处取得极小值解析:选C 由函数y =f (x )的导函数的图象可知,当x <-1或3<x <5时,f ′(x )<0,y =f (x )单调递减;当x >5或-1<x <3时,f ′(x )>0,y =f (x )单调递增.所以函数y =f (x )的单调递减区间为(-∞,-1),(3,5),单调递增区间为(-1,3),(5,+∞).函数y =f (x )在x =-1,5处取得极小值,在x =3处取得极大值,故选项C 错误.3.(2019·湖北襄阳四校联考)函数f (x )=12x 2+x ln x -3x 的极值点一定在区间( )A .(0,1)内B .(1,2)内C .(2,3)内D .(3,4)内解析:选B 函数的极值点即导函数的零点,f ′(x )=x +ln x +1-3=x +ln x -2,则f ′(1)=-1<0,f ′(2)=ln 2>0,由零点存在性定理得f ′(x )的零点在(1,2)内,故选B.4.已知函数f (x )=x 3+3x 2-9x +1,若f (x )在区间[k,2]上的最大值为28,则实数k 的取值范围为( ) A .[-3,+∞) B .(-3,+∞) C .(-∞,-3)D .(-∞,-3]解析:选D 由题意知f ′(x )=3x 2+6x -9,令f ′(x )=0,解得x =1或x =-3,所以f ′(x ),f (x )随x 的变化情况如下表:5.(2019·皖南八校联考)已知函数f (x )=-13x 3+bx 2+cx +bc 在x =1处有极值-43,则b =( )A .-1B .1C .1或-1D .-1或3解析:选A f ′(x )=-x 2+2bx +c ,因为f (x )在x =1处有极值-43,所以⎩⎪⎨⎪⎧f ′(1)=-1+2b +c =0,f (1)=-13+b +c +bc =-43,Δ=4b 2+4c >0,解得⎩⎪⎨⎪⎧b =-1,c =3,故选A.6.设直线x =t 与函数h (x )=x 2,g (x )=ln x 的图象分别交于点M ,N ,则当|MN |最小时t 的值为( )A .1 B.12C.52D.22解析:选D 由已知条件可得|MN |=t 2-ln t ,设f (t )=t 2-ln t (t >0),则f ′(t )=2t -1t ,令f ′(t )=0,得t =22, 当0<t <22时,f ′(t )<0;当t >22时,f ′(t )>0. ∴当t =22时,f (t )取得最小值,即|MN |取得最小值时t =22. 7.(2019·江西阶段性检测)已知函数y =ax -1x2在x =-1处取得极值,则a =________.解析:因为y ′=a +2x 3,所以当x =-1时,a -2=0,所以a =2,经验证,可得函数y =2x -1x 2在x =-1处取得极值,因此a =2. 答案:28.f (x )=2x +1x 2+2的极小值为________.解析:f ′(x )=2(x 2+2)-2x (2x +1)(x 2+2)2=-2(x +2)(x -1)(x 2+2)2.令f ′(x )<0,得x <-2或x >1; 令f ′(x )>0,得-2<x <1.∴f (x )在(-∞,-2),(1,+∞)上是减函数,在(-2,1)上是增函数, ∴f (x )极小值=f (-2)=-12.答案:-129.若商品的年利润y (万元)与年产量x (百万件)的函数关系式为y =-x 3+27x +123(x >0),则获得最大利润时的年产量为________百万件. 解析:y ′=-3x 2+27=-3(x +3)(x -3),当0<x <3时,y ′>0;当x >3时,y ′<0. 故当x =3时,该商品的年利润最大. 答案:310.已知函数f (x )=x 3+3ax 2+3bx +c 在x =2处有极值,其图象在x =1处的切线平行于直线6x +2y +5=0,则f (x )的极大值与极小值之差为________. 解析:因为f ′(x )=3x 2+6ax +3b ,所以⎩⎪⎨⎪⎧ f ′(2)=3×22+6a ×2+3b =0,f ′(1)=3×12+6a +3b =-3⇒⎩⎪⎨⎪⎧a =-1,b =0.所以y ′=3x 2-6x ,令3x 2-6x =0,得x =0或x =2. 当x <0或x >2时,y ′>0;当0<x <2时,y ′<0.故当x =0时,f (x )取得极大值,当x =2时,f (x )取得极小值, 所以f (x )极大值-f (x )极小值=f (0)-f (2)=4. 答案:411.设函数f (x )=a ln xx+b (a ,b ∈R ),已知曲线y =f (x )在点(1,0)处的切线方程为y =x -1.(1)求实数a ,b 的值; (2)求f (x )的最大值.解:(1)因为f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=a (1-ln x )x 2.所以f ′(1)=a ,又因为切线斜率为1,所以a =1. 由曲线y =f (x )过点(1,0),得f (1)=b =0. 故a =1,b =0.(2)由(1)知f (x )=ln xx ,f ′(x )=1-ln x x 2.令f ′(x )=0,得x =e.当0<x <e 时,有f ′(x )>0,得f (x )在(0,e)上是增函数; 当x >e 时,有f ′(x )<0,得f (x )在(e ,+∞)上是减函数. 故f (x )在x =e 处取得最大值f (e)=1e .12.已知函数f (x )=ln x -ax (a ∈R ).(1)当a =12时,求f (x )的极值;(2)讨论函数f (x )在定义域内极值点的个数.解:(1)当a =12时,f (x )=ln x -12x ,函数f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=1x -12=2-x2x.令f ′(x )=0,得x =2,于是当x 变化时,f ′(x ),f (x )的变化情况如下表:故f (x )(2)由(1)知,函数f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=1x -a =1-ax x(x >0).当a ≤0时,f ′(x )>0在(0,+∞)上恒成立,即函数f (x )在(0,+∞)上单调递增,此时函数f (x )在定义域上无极值点; 当a >0时,令f ′(x )=0,得x =1a .当x ∈⎝⎛⎭⎫0,1a 时,f ′(x )>0, 当x ∈⎝⎛⎭⎫1a ,+∞时,f ′(x )<0, 故函数f (x )在x =1a处有极大值.综上所述,当a ≤0时,函数f (x )无极值点; 当a >0时,函数f (x )有一个极大值点.B 级1.已知函数f (x )=x 3-3ax +b 的单调递减区间为(-1,1),其极小值为2,则f (x )的极大值是________. 解析:因为f (x )的单调递减区间为(-1,1),所以a >0.由f ′(x )=3x 2-3a =3(x -a )(x +a ),可得a =1, 由f (x )=x 3-3x +b 在x =1处取得极小值2, 可得1-3+b =2,故b =4.所以f (x )=x 3-3x +4的极大值为f (-1)=(-1)3-3×(-1)+4=6. 答案:62.(2019·“超级全能生”高考全国卷26省联考)已知函数f (x )=t 3x 3-32x 2+2x +t 在区间(0,+∞)上既有极大值又有极小值,则t 的取值范围是________.解析:f ′(x )=tx 2-3x +2,由题意可得f ′(x )=0在(0,+∞)上有两个不等实根,即tx 2-3x +2=0在(0,+∞)有两个不等实根,所以⎩⎪⎨⎪⎧t ≠0,3t >0,2t >0,Δ=9-8t >0,解得0<t <98.答案:⎝⎛⎭⎫0,98 3.已知函数f (x )=a ln x +1x(a >0).(1)求函数f (x )的单调区间和极值;(2)是否存在实数a ,使得函数f (x )在[1,e]上的最小值为0?若存在,求出a 的值;若不存在,请说明理由.贾老师数学解:由题意,知函数的定义域为(0,+∞),f ′(x )=a x -1x 2=ax -1x 2(a >0). (1)由f ′(x )>0,解得x >1a, 所以函数f (x )的单调递增区间是⎝⎛⎭⎫1a ,+∞; 由f ′(x )<0,解得0<x <1a, 所以函数f (x )的单调递减区间是⎝⎛⎭⎫0,1a . 所以当x =1a 时,函数f (x )有极小值f ⎝⎛⎭⎫1a =a ln 1a+a =a -a ln a ,无极大值. (2)不存在实数a 满足条件.由(1)可知,当x ∈⎝⎛⎭⎫0,1a 时,函数f (x )单调递减; 当x ∈⎝⎛⎭⎫1a ,+∞时,函数f (x )单调递增.①若0<1a≤1,即a ≥1时,函数f (x )在[1,e]上为增函数, 故函数f (x )的最小值为f (1)=a ln 1+1=1,显然1≠0,故不满足条件a ≥1.②若1<1a <e ,即1e<a <1时,函数f (x )在⎣⎡⎭⎫1,1a 上为减函数,在⎝⎛⎦⎤1a ,e 上为增函数, 故函数f (x )的最小值为f (x )的极小值f ⎝⎛⎭⎫1a =a ln 1a+a =a -a ln a =a (1-ln a )=0,即ln a =1,解得a =e ,故不满足条件1e<a <1. ③若1a ≥e ,即0<a ≤1e 时,函数f (x )在[1,e]上为减函数,故函数f (x )的最小值为f (e)=a ln e +1e=a +1e=0, 即a =-1e ,故不满足条件0<a ≤1e. 综上所述,不存在这样的实数a ,使得函数f (x )在[1,e]上的最小值为0.。
函数的极大(小)值和最大(小)值

§2-6 函数的极大(小)值和最大(小)值1.函数的极大(小)值 一个函数在它有定义的区间上可能没有最大(小)值,但它在某个部分区间上可能会有最大(小)值,即局部最大值或局部最小值.函数的局部最大值或局部最小值,又称为函数的极大值或极小值.具体地说,设函数)(x f 在点),(0b a x ∈连续.若有足够小的正数δ,使)||0()()(00δ<-<<x x x f x f (图2-21) 则称函数)(x f 在点0x 取到极大值)(0x f ,并称点0x 为函数)(x f 的极大值点.同理,使 )||0()()(11δ<-<>x x x f x f (图2-21) 则称函数)(x f 在点1x 取到极小值)(1x f ,并称点1x 为函数)(x f 的极小值点.函数的极大值和极小值统称为函数的极值,而函数的极大值点和极小值点统称为函数的极值点. 因为函数的极值是函数在小范围内的最大值或最小值,根据定理2-1,我们就有下面的结论:若函数()f x 在某区间内的点0x 处取到极值且有导数'0()f x ,则'=0()0f x .因此,0()0f x '=是可微函数....在点0x 取到极值的必要条件,但它不是可微函数取到极值的充分条................件.! 例如函数3)(x x f =,尽管有0)0(='f ,但0不是它的极值点(图2-22).以后,就把使0()0f x '=的点0x 称为函数)(x f 的驻点(可能不是极值点.......).需要指出,不能把上面的结论简单说成“函数取到极值的必要条件”.例如,函数()f x x =(图2-23),它在点0有极小值(也是最小值),可是它在点0没有导数.因此,函数在区间内部的极值点只可能是它的驻点或没有导数的点.它们合在一起称为函数的临界点.一般情形下,求连续函数)(x f 在开区间),(b a 内的极值时,一般步骤是:第一步,求出)(x f 在区间),(b a 内的所有临界点(即驻点或没有导数的点);第二步,对于每一个临界点,再用下面的判别法验证它是否为极值点;第三步,求出函数在极值点处的函数值(即函数的极大值或极小值).判别法Ⅰ 设0x 为连续函数)(x f 在区间),(b a 内的临界点(驻点或没有导数的点).若有足够小的正数δ,使(见图2-24)⑴)(x f 在),(00x x δ-内是增大的且在),(00δ+x x 内又是减小的,则)(0x f 是极大值; 图2-23x图2-21[或] [或]⑵)(x f 在),(00x x δ-内是减小的且在),(00δ+x x 内又是增大的,则)(0x f 是极小值;[或0)(<'x f ] [或0)(>'x f ]⑶)(x f 在),(00δδ+-x x 内是增大的或是减小的,则)(0x f 不是极值.当0x 为函数)(x f 的驻点且0)(0≠''x f 时,就用下面的判别法Ⅱ.判别法Ⅱ 设0x 为函数)(x f 在区间),(b a 内的驻点[即0)(0='x f ].若有二阶导数0)(0≠''x f ,则⑴ 当0)(0<''x f 时,)(0x f 是极大值; ⑵ 当0)(0>''x f 时,)(0x f 是极小值.[当0)(0=''x f 时,函数)(x f 在点0x 是否取到极值,需要做进一步的讨论]证 根据例22(§2-5),则有222200000011()()()()()()()()22f x h f x f x h f x h o h f x f x h o h '''''+=+++=++于是得 20001()()[()(1)]2f x h f x f x o h ''+-=+ 因为0)(0≠''x f ,所以当||h 足够小时,)]1()([0o x f +''与)(0x f ''同符号.因此,有正数δ,使当0||h δ<≤时,0()f x h +0()f x -=000,()00,()0f x f x ''<<⎧⎨''>>⎩ 这就是要证的结论.例23 求函数1323-+=x x y 的极值.解 2363(2)y x x x x '=+=+,666(1)y x x ''=+=+由0='y 得驻点122,0x x =-=.因为2060,60x x y y =-=''''=-<=>,所以31)2(3)2(232=--+-=-=x y 是极大值; 01x y ==-是极小值.【注】若函数()f x 在点0x 没有导数或二阶导数0()0f x ''=,就去用上面的判别法Ⅰ.2.函数的最大(小)值(又称为绝对极值) 函数的最大(小)值是指函数在定义域或定义域中某个区间上的最大(小)值.求连续函数)(x f 在闭区间],[b a 上的最大值和最小值时,方法更简单:第一步,先求出)(x f 在开区间),(b a 内的临界点;并求出)(x f 在所有临界点上的函数值.(1) 0图2-24 (2)(3)第二步,把以上函数值与区间端点上的函数值)(a f 和)(b f 放在一起做比较,其中最大者就是函数)(x f 在闭区间],[b a 上的最大值,最小者就是函数)(x f 在闭区间],[b a 上的最小值.非闭区间上的连续函数可能没有最大值或最小值.在这种情形下,就要根据具体问题,经过分析后才能确定某个函数值是最大值或最小值.例如,⑴ 函数)(x f 在区间),[b a 上增大(减小)时,)(a f 就是最小值(最大值);⑵ 函数)(x f 在区间],(b a 上增大(减小)时,)(b f 就是最大值(最小值);⑶ 设有点),(b a c ∈. 若函数)(x f 在区间],(c a 上增大且又在区间),[b c 上减小,则)(c f 就是最大值;若函数)(x f 在区间],(c a 上减小且又在区间),[b c 上增大,则)(c f 就是最小值.例24 证明不等式:)0(1e >+>x x x .证 令)0()1(e )(≥+-=x x x f x ,则)(x f 在),0[+∞上是连续函数.因为)0(01e )(>>-='x x f x [即函数()f x 是增函数]所以(0)0f =是最小值.因此,()0(0)f x x >>,即)0(1e >+>x x x .例25 证明:函数)10()(<<-=αααx x x f 在区间),0(+∞内有最大值α-=1)1(f . 由此再证明近代数学中著名的赫尔窦(H ölder)不等式:11110,0,0,0;1p q ab a b a b p q p qp q ⎛⎫≤+>>>>+= ⎪⎝⎭ 证 由0)1()(11=-=-='--αααααx x x f 得驻点1=x . 因为 当10<<x 时, 0)1()(1>-='-ααx x f [即)(x f 增大],当+∞<<x 1时, 0)1()(1<-='-ααx x f [即)(x f 减小],所以α-=1)1(f 是最大值.其次,令q p b a x p ==-,1α,则111qp p p p p q p q q q a a a f ab a b b b p b p --⎛⎫⎛⎫=-⋅=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 而根据上述结论,即α-≤1)(x f ,则得不等式111(1)11q p q p aba b f p p q α---≤=-=-= 两端同乘q b ,并注意1=-p q q ,则得要证的不等式q p b qa p ab 11+≤. 在非闭区间上求一个函数的最大(小)值问题,常常出现在实际应用问题中.解这类问题时,首先需要根据问题本身,运用几何学或物理学或其他有关科学中的知识,列出“目标函数”(即要求它的最大值或最小值的函数)的函数式.这样,问题就变成求目标函数的最大值或最小值.例如, “当矩形周长l 为定值时,它的长和宽为何值时面积最大?”或“当矩形面积S 为定值时,它的长和宽为何值时周长最小?”设矩形的一边长为x ,则前一个问题的目标函数就是(矩形面积)()2l S x x x ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 02l x ⎛⎫<< ⎪⎝⎭ 而后一个问题的目标函数就是(矩形周长)()2S l x x x ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭ )0(+∞<<x 这样,问题就变成求函数)(x S 的最大值或求函数)(x l 的最小值.例26 设有闭合电路如图2-25. 它由电动势E 、内阻r 和纯电阻负载E 所构成.若E 和r 是已知常数,问负载R 为何值时,电流的电功率最大?解 根据电学的知识,闭合电路中电流的电功率为R I P 2=(I 为电流强度)而根据闭合电路的欧姆定律,电流强度R r E I +=. 因此,电功率为 22)(R r R E P += (自变量为R ) 由0='P ,即由0)()()()(2)(324222=+-=++⋅-+⋅='R r R r E R r R r R E R r E P 得r R =. 因此,当负载r R =(内阻)时,电功率取到最大值r E P 4/2=.例27 由材料力学的知识,横截面为矩形的横梁的强度是2h x k =ε(k 为比例系数,x 为矩形的宽,h 为矩形的高)今要将一根横截面直径为d 的圆木,切成横截面为矩形且有最大强度的横梁,那么矩形的高与宽之比应该是多少?解 如图2-26,因为222x d h -=,所以22()(0)kx d x x d ε=-<<.令0='x ε,即22222()2(3)0x k d x x k d x ε'=--=-=⎡⎤⎣⎦ 则得驻点x d=根据实际问题的提法,当矩形的宽/x d =强度ε取到最大值.此时,因为d dd x d h 32)3(2222=-=-= 所以2/=x h .图2-26在实际工作中,技术人员是按下面的几何方法设计的:把圆木的横截面(圆)的直径AB 分成三等份(如图2-27),再分别自分点C 和D 向相反方向作直径AB 的垂线,交圆周后做成图中那样的矩形.这个矩形的长边与短边的比值就是2.例28 已知某工厂生产x 件产品的成本为21()2500020040C x x x =++(元) 问:⑴ 要使平均成本最小,应生产多少件产品? ⑵ 若产品以每件500元售出,要获得最大利润,应生产多少件产品?最大利润是多少? 解 ⑴ 平均成本为x x x x C x C 40120025000)()(++==(元/件) 让040125000)(2=+-='x x C ,则得1000=x (件).因此,生产1000件产品时平均成本最小. ⑵ 售出x 件产品时,收入为x 500(元),而利润为=)(x L (收入)x 500-(成本))40120025000(500)(2x x x x C ++-= 212500030040x x =-+- 让020300)(=-='x x L ,则得6000=x (件).因此,生产6000件产品并全部售出时,获得的利润最大.最大利润为900000)6000(=L (元). 习 题1.求下列函数的极值(极大值或极小值):求连续函数在定义区间内的极值时,应先找出导数等于零的点(驻点)和没有导数的点,然后按上面指出的判别法,去判别函数在这些点上是否取到极大值或极小值.⑴x x x f -=3)(; ⑵242)(x x x f -=; ⑶122)(2-+-=x x x x f ;⑷()f x x = ⑸x x x f -=e )(; ⑹x x x f ln )(=; ⑺x x x f -+=e )1()(3; ⑻3231)1()(x x x f -=.答案:⑴max minf f ⎛= ⎝;⑵1)1(,0)0(m in m ax -=±=f f ; ⑶2)2(,2)0(m in m ax =-=f f ;⑷min 34f ⎛⎫= ⎪⎝⎭;⑸1m ax e )1(-=f ;⑹12m in e 2)e (---=f ;⑺2m ax e 27)2(-=f ;⑻max min 1(1)03f f ⎛⎫= ⎪⎝⎭. 2.求下列函数在指出区间上的最大值和最小值:⑴];2,2[,1823-+--=x x x y ⑵];1,1[,15-++=x x y⑶];2,1[,13--=x x y ⑷511,,1;12y x x ⎡⎤=-⎢⎥++⎣⎦ ⑸211,1,12x y x +⎡⎤=-⎢⎥+⎣⎦. 答案:⑴;11,27203-⑵;1,3-⑶;443,23-⑷;31,1532⑸0,2242-. 3.设n a a a <<< 21. 当x 为何值时,函数∑=-=ni i a x x f 12)()(取最小值?答案:n a a a x n +++=21(算术平均值). 4.设.0>a 求函数||11||11)(a x x x f -+++=的最大值. 提示:把区间),(+∞-∞分成三个区间(,0),(0,),(,)a a -∞+∞. 答案:21a a++. 5.证明下面的不等式: ⑴ );01(2)1ln(2<<--<+x x x x ⑵ 12ln 1(0);21x x x ⎛⎫+>> ⎪+⎝⎭ ⑶ );0(arctan 33><<-x x x x x ⑷ 1e 1(0)x x x -≥>. 6.设有方程033=+-c x x (c 为常数).问:当c满足什么条件时,方程有:⑴三个实根,⑵两个实根,⑶一个实根? [提示:分别研究下图⑴,⑵,⑶]答案:⑴22<<-c ;⑵2±=c ;⑶2-<c 或2>c .7.在什么条件下,方程()300x px q pq ++=≠有:⑴一个实根,⑵三个实根?提示:参考上一题的做法. 答案:⑴042723>+q p ;⑵042723<+q p . 8.确定下列各方程实根的个数,并指出只含有一个实根的区间:⑵ 第6题图⑴ 0109623=-+-x x x ; ⑵ 020********=-+--x x x x ;⑶ )0(ln ≠=k kx x ; ⑷2e (0)x ax a =>.答案:⑴一个实根,在)5,4(内;⑵两个实根,32,1221<<-<<-x x ;⑶当0<k 时有一个实根,在)1,0(内;当1e0-<<k 时有两个实根,+∞<<<<21e ,e 1x x ; 当1e -=k 时有一个实根e =x ;当1e ->k 时没有实根.⑷当4e 02<<a 时有一个实根,在)0,(-∞内;当4e 2>a 时有三个实根, 1230,02,2x x x -∞<<<<<<+∞.9.设有二阶导数)(a f ''. 证明:⑴ 若函数)(x f 在点a 取到极大值,则0)(≤''a f ;⑵ 若函数)(x f 在点a 取到极小值,则0)(≥''a f .10.设函数21()22sin (0),(0)2f x x x f x ⎛⎫=-+≠= ⎪⎝⎭. 证明:)(x f 有最大值2)0(=f ,但)(x f 在点0的左旁附近不是增大的,而且在点0的右旁附近不是减小的(这说明判别法Ⅰ中的条件不是必要的).11.应用题 ⑴设两正数x 与y 的和等于常数a (a y x =+).求)0,0(>>n m y x n m 的最大值.⑵设两正数x 与y 的乘积等于常数a (a xy =).求)0,0(>>+n m y x n m 的最小值.⑶在有一定体积的所有正圆柱体中,当底圆半径与高之比为何值时,它有最小的表面积?⑷用薄钢板做一个容积为定值v 的无盖圆柱形桶.假若不计钢板厚度和剪裁时的损耗,问桶底半径r 与高h 各为多少时,用料最省?⑸从半径为R 的圆上切掉一个扇形后,把余下部分卷成一个漏斗.问余下部分扇形的圆心角θ为何值时,卷成漏斗的容积最大?第11⑸题图⑵ ⑴ 第11⑹题图x⑹(反射定律) 如图示,由点A 经点B ,再到点C . 证明:当入射角α等于反射角β时,折线ABC 的长度最短.⑺一商家销售某种商品的价格为x p 2.07-=(万元/T),其中x 为销售量(单位:T);商品的成本为13+=x C (万元).(i )若每销售一吨商品,政府要征税t 万元,求商家获最大利润时的销售量;(ii )t 为何值时,政府税收的总额最大?答案:⑴n m n m n m n m n m a +++)(;⑵n m n m mn n m a n m +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+1)(;⑶1∶2;⑷r h ==⑸2θ=弧度);⑺(i )t x 5.210-=;(ii )2=t .。
函数极值的求解毕业论文

函数极值的求解毕业论文函数极值的求解极值问题在数学中是一个重要的研究方向,也是应用最为广泛的数学概念之一。
在数学建模、优化问题等领域中,极值问题的求解具有重要的实际意义。
本文将介绍函数极大值和极小值的定义及求解方法,并应用实例进行论述。
一、函数极值的定义1. 极大值和极小值在数学中,给定一个定义在某个区间上的函数f(x),如果在该区间上存在一个数c,使得对于任意的x(x∈该区间),都有f(x)≤f(c),则称f(x)在该区间上存在一个极大值,相应的数f(c)称为函数f(x)的极大值。
同样地,如果在给定的区间上存在一个数c,使得对于任意的x(x∈该区间),都有f(x)≥f(c),则称f(x)在该区间上存在一个极小值,相应的数f(c)称为函数f(x)的极小值。
二、函数极值的求解方法求解函数极值的方法主要有导数法和二阶导数判别法两种方法。
1. 导数法导数法通过求取函数的导数,来寻找极值点。
具体步骤如下:(1)求取函数的一阶导数,并令一阶导数等于零。
得到一个或多个代数方程。
(2)解出这些代数方程,得到所有的极值点。
(3)代入原函数,求出这些极值点对应的函数值,并比较它们的大小,得到函数的极大值和极小值。
2. 二阶导数判别法二阶导数判别法通过二阶导数的值来判断函数的极值情况。
具体步骤如下:(1)求取函数的一阶导数和二阶导数。
(2)令一阶导数等于零,解出所有的极值点。
(3)将这些极值点代入二阶导数的表达式中,判断二阶导数的正负情况:- 若二阶导数大于零,则所代表的极值点为函数的极小值点。
- 若二阶导数小于零,则所代表的极值点为函数的极大值点。
- 若二阶导数等于零,则无法判断该点是否为极值点,需要进一步分析。
三、函数极值求解的实例分析下面以一个简单的实例来说明函数极值的求解过程。
例:求函数f(x) = x^2 - 2x + 1的极值点和极值。
解:首先求函数的一阶导数:f'(x) = 2x - 2令导数等于零,得到极值点的横坐标x:2x - 2 = 0x = 1将x = 1代入原函数f(x)中,得到极值点的纵坐标:f(1) = 1^2 - 2(1) + 1 = 0所以函数f(x)在x = 1处存在一个极小值点,极小值为0。
高中数学讲义:函数的极值

函数的极值一、基础知识:1、函数极值的概念:(1)极大值:一般地,设函数()f x 在点0x 及其附近有定义,如果对0x 附近的所有的点都有()()0f x f x <,就说()0f x 是函数()f x 的一个极大值,记作()0y f x =极大值,其中0x 是极大值点(2)极小值:一般地,设函数()f x 在点0x 及其附近有定义,如果对0x 附近的所有的点都有()()0f x f x >,就说()0f x 是函数()f x 的一个极小值,记作()0y f x =极小值,其中0x 是极小值点极大值与极小值统称为极值2、在定义中,取得极值的点称为极值点,极值点是自变量的值,极值指的是函数值。
请注意以下几点:(1)极值是一个局部概念:由定义,极值只是某个点的函数值与它附近点的函数值比较是最大或最小并不意味着它在函数的整个的定义域内最大或最小(2)函数的极值不是唯一的即一个函数在某区间上或定义域内极大值或极小值可以不止一个(3)极大值与极小值之间无确定的大小关系即一个函数的极大值未必大于极小值(4)函数的极值点一定出现在区间的内部,区间的端点不能成为极值点3、极值点的作用:(1)极值点为单调区间的分界点(2)极值点是函数最值点的候选点4、费马引理:()f x 在0x x =处可导,那么0x x =为()f x 的一个极值点Þ()0'0f x =说明:①前提条件:()f x 在0x x =处可导②单向箭头:在可导的前提下,极值点Þ导数0=,但是导数0=不能推出0x x =为()f x 的一个极值点,例如:3y x =在()0,0处导数值为0,但0x =不是极值点③费马引理告诉我们,判断极值点可以通过导数来进行,但是极值点的定义与导数无关(例如:y x =在()0,0处不可导,但是0x =为函数的极小值点)5、求极值点的步骤:(1)筛选:令()'0f x =求出()'f x 的零点(此时求出的点有可能是极值点)(2)精选:判断函数通过()'f x 的零点时,其单调性是否发生变化,若发生变化,则该点为极值点,否则不是极值点(3)定性:通过函数单调性判断出是极大值点还是极小值点:先增后减→极大值点,先减后增→极小值点6、在综合题分析一个函数时,可致力于求出函数的单调区间,当求出单调区间时,极值点作为单调区间的分界点也自然体现出来,并且可根据单调性判断是极大值点还是极小指点,换言之,求极值的过程实质就是求函数单调区间的过程。
求函数的极大值和极小值

多重性:有时候 函数可能在同一 位置取得极大值 和极小值,需要 注意这种情况的 发生。
注意函数的单调性和凹凸性
单调性:在求极大值和极小值时,需要注意函数的单调性,以确定函数的极值点。
凹凸性:在求极大值和极小值时,需要注意函数的凹凸性,以确定函数的极值点是否存在。
判断方法:可以通过求导数或观察函数图像来判断函数的单调性和凹凸性。
极小值:在某点 的一阶导数由负 变为正
极值的判定条件
极值的第一、二阶导数测试
极值的一阶导数 测试:判断一阶 导数的正负性, 确定函数的单调 性,进而确定极 值点
极值的二阶导数 测试:判断二阶 导数的正负性, 确定函数的凹凸 性,进而确定极 值点
极值的二阶导数 测试的应用:通 过二阶导数测试 判断函数是否存 在拐点或极值点
求函数极大值和极 小值的注意事项
注意函数的定义域和导数的符号变化
定义域:在求极 大值和极小值时, 需要注意函数的 定义域,确保所 求的点在定义域 内。
导数的符号变化: 导数的符号变化 是判断极大值和 极小值的关键, 需要注意导数由 正变负或由负变 正的点。
连续性:函数在 极值点附近的连 续性也是需要注 意的,因为不连 续的点可能是不 可导的。
函添加数副的标极题 大值和极 小值
汇报人:XX
目录
PART One
函数的极值概念
PART Two
求函数极大值和极 小值的方法
PART Three
求函数极大值和极 小值的步骤
PART Four
求函数极大值和极 小值的注意事项
函数的极值概念
极大值和极小值的定义
极大值:在某点 的一阶导数由正 变为负
注意极值的判定条件和计算方法的选择
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where the supremeum is taken all balls containing the point x.
Theorem 1 (The main properties of f ∗) Suppose f is integrable on Rd. Then: (i)f ∗ is measurable.
(i)Almost every x ∈ E is a point of density of E. (ii)Almost every x ∈/ E is not a point of density of E.
3
Next we consider the pointwise continuity. If f is locally integrable on Rd, the Lebesgue set of f consists of all points x¯ ∈ Rd for which f (x¯) is finite and
1
limm(B)→0 m(B)
f (y)dy = f (x), f or a.e. x
B
for all x ∈ B.
¶Note that as an immediate consequence of the theorem applied to |f |, we see that f ∗(x) ≥ |f (x)|
then
1
limm(B)→0 m(B)
f (y)dy = f (x¯)
B
Corollary 6 If f is locally integrable on Rd, then almost every point belongs to the Lebesgue set of f .
A collection of sets {Uα} is said to shrink regularly to x¯ (or has bounded eccentricity at x) if there is a constant c > 0 such that for each {Uα} ther is a ball B with
for every point x¯ in the Lebesgue ste of f .
• Application: Good kernels and approximations to the indentity.
Defination 8 The function is ”Good kernel” if it is integrable and satisfy the following conditions for δ > 0:
m({x : f ∗(x) > α}) ≥ c α
4
for some c > 0 and all sufficiently small α. 2.Let R denote the set of all rectangles in R2 that contain the origin, and with sides parallel to the
B
for all x ∈ B. ¶It is clearly true when f is continuous at x. We need to make some quantitative estimates bearing on the overall behavior of the averages of f .
for a.e. x.
Actually, we only focus on the ”local”. Indeed, the limit in Lebesgue’s theorem is taken over balls
that shrink to the point x, so the behavior of f far from x is irrelevant. To make this precise, we say that a measurable function f on Rd is locally integrable, if for every ball B the function f (x)χB(x) is integrable.We shall denote by L1loc(Rd) the space of all locally integrable functions.
1
limm(B)→0 m(B)
|f (y) − f (x¯)| dy = 0
B
for all x¯ ∈ B.
¶x¯ belongs to the Lebesgue set of f whenever f is continuous at x¯. If x¯ is in the Lebesgue set of f ,
¶The functions e|x| and |x|−1/2 are both locally integrable, but not integrable on Rd.
Theorem 4 If f ∈ Lຫໍສະໝຸດ loc(Rd), then1
limm(B)→0 m(B)
f (y)dy = f (x), f or a.e. x
1
2
(ii) f ∗ < ∞ for a.e. x.
(iii) f ∗ stisfies
m({x
∈
R
:
f∗
>
α})
≤
A α
|f (y)| dy
Rd
(1)
for all α > 0, where A = 3d.
¶We can not conclude that f ∗ is integrable on R (see Exercises 1 ) An inequality of the type (1) is called a weak − type inequality because it is weaker than the corresponding inequality for the L1-norms.Indeed, this can be seen from the Tchebychev inequality. The proof of inequality (1) relies on an elementary version of a Vitali covering argument.
f∗ ≥ c |xd|
for some c > 0 and all |x| ≥ 1. Conclude that f ∗ is not integrable on Rd.Then, show that the weak type estimate m({x : f ∗(x) > α}) ≤ c α
for all α > 0 whenever |f | = 1, then
x a
f
(y)dy.
Does
this
imply
that F is differentiable (at least for almost everywhere x), and that F = f ?
To deal with F (x), we recall the difination of the derivative as the limit of the quotient
k
m(∪Nl=1Bl) ≤ 3d m(Bij )
j=1
.
The esimate obtained for the maximal function now leads to a solution of the averaging problem.
Theorem 3 If f is integrable on Rd, then
This will be done in terms of the maximal averages of |f |, to which we now turn. We define the maximal function f ∗ by
f ∗ = sup 1 x∈B m(B)
|f (y)| dy, x ∈ Rd
In high dimensions, we can pose a similar question, where the anerages of f are taken over appropriate sets that generalize the intervals in one dimension. Initially we shall study this problem where the sets involved are the balls B containing x, with their volume m(B) (the Lebesgue measure) replacing the length |I| of I.
We restate our first problem in the context Rd, for all d ≥ 1. •(Averaging Problem) Suppose f is integrable on Rd. Is it true that
1
limm(B)→0 m(B)
f (y)dy = f (x), f or a.e. x
x¯ ∈ B, Uα ⊂ B, and m(Uα) ≥ cm(B) Corollary 7 Suppose f is locally integrable on Rd. If {Uα} shrinks regularly to x¯, then
lim
f (y)dy = f (x¯)
m(Uα)→0,x∈Uα Uα
B
for all x ∈ B.