Mục lục bài họcĐang ở d05-b4
Connecting f, f′, f″ and the Extreme Value Theorem
Extreme Value Theorem
If $f$ is continuous on a closed interval $[a,b]$, then $f$ attains an absolute maximum and an absolute minimum on $[a,b]$. Both hypotheses matter: $f(x)=\dfrac1x$ on $(0,1]$ has no maximum (not closed), and a function with a jump can skip its extreme value (not continuous). EVT is why the candidates test works — the extremes exist and can only sit at critical points or endpoints.
On an open interval EVT is silent. If $c$ is the only critical point and $f'$ changes sign there, the local extremum is also the absolute one: "Since $x=c$ is the only critical point and $f'$ changes from negative to positive at $c$, $f(c)$ is the absolute minimum."
One graph, three readings
Given the graph of $f'$: where $f'\gt0$, $f$ increases; where $f'$ is increasing, $f''\gt0$ and $f$ is concave up; where $f'$ has a local extremum, $f$ has a point of inflection. Given the graph of $f$: concave up means the slopes increase, so $f'$ is increasing and $f''\gt0$.
Worked example: $f(x)=\dfrac{x^3}{3}-2x^2+3$ on $[0,5]$, so $f'(x)=x^2-4x=x(x-4)$ and $f''(x)=2x-4$. $f'\lt0$ on $(0,4)$, $f'\gt0$ on $(4,5)$ ⇒ minimum at $x=4$, $f(4)=-\dfrac{23}{3}$. Candidates: $f(0)=3$, $f(5)=-\dfrac{16}{3}$ ⇒ absolute maximum $3$ at $x=0$. $f''$ changes sign at $x=2$ ⇒ inflection point at $x=2$, exactly where the graph of $f'$ bottoms out.
Định lý giá trị cực trị (EVT): $f$ liên tục trên đoạn đóng $[a,b]$ thì chắc chắn có GTLN và GTNN trên đoạn đó. Thiếu một giả thiết là mất kết luận: $\dfrac1x$ trên $(0,1]$ không có GTLN vì khoảng không đóng. EVT chính là lý do phép thử ứng viên (điểm tới hạn + đầu mút) hoạt động.
Trên khoảng mở, EVT không nói gì; khi đó dùng lập luận “$c$ là điểm tới hạn duy nhất và $f'$ đổi dấu tại $c$, nên cực trị địa phương cũng là cực trị tuyệt đối”.
Đọc chéo ba đồ thị. Cho đồ thị $f'$: $f'\gt0$ ⇒ $f$ tăng; $f'$ đang tăng ⇒ $f''\gt0$ ⇒ $f$ lõm lên; $f'$ đạt cực trị ⇒ $f$ có điểm uốn. Cho đồ thị $f$: lõm lên nghĩa là hệ số góc tăng dần ⇒ $f'$ tăng ⇒ $f''\gt0$.
Ví dụ $f'(x)=x(x-4)$ trên $[0,5]$: $f'\lt0$ trên $(0,4)$, $f'\gt0$ trên $(4,5)$ ⇒ GTNN của $f$ tại $x=4$; GTLN so hai đầu mút, rơi vào $x=0$; $f''=2x-4$ đổi dấu tại $x=2$ ⇒ điểm uốn, đúng chỗ $f'$ chạm đáy.
Cho $f$ liên tục trên $[0,4]$ với $f'(x)=(x-1)(x-3)^2$. (a) $f$ tăng trên khoảng nào? (b) Tìm mọi $x$ mà $f$ có cực trị địa phương, phân loại. (c) Tìm hoành độ các điểm uốn của $f$. (d) $f$ đạt GTNN trên $[0,4]$ tại đâu? Giải thích.
(a) $(x-3)^2\ge0$ nên dấu của $f'$ là dấu của $x-1$. Since $f'\gt0$ on $(1,4)$ except at $x=3$, $f$ is increasing on $[1,4]$; $f'\lt0$ trên $(0,1)$.
(b) Điểm tới hạn: $x=1$ và $x=3$. Since $f'$ changes from negative to positive at $x=1$, $f$ has a local minimum there. At $x=3$, $f'$ does not change sign (positive on both sides), so $f$ has no extremum there.
(c) $f''(x)=(x-3)^2+2(x-1)(x-3)=(x-3)(3x-5)$, đổi dấu tại $x=\dfrac53$ và $x=3$ ⇒ hai điểm uốn.
(d) Since $f$ decreases on $[0,1]$ and increases on $[1,4]$, the absolute minimum on $[0,4]$ occurs at $x=1$. Không cần giá trị $f(1)$ — lập luận đơn điệu hai bên đã đủ.
Một: $f'(3)=0$ mà kết luận cực trị — bài trên là ví dụ kinh điển: $(x-3)^2$ không đổi dấu, không có cực trị, và phương án nhiễu “cực tiểu tại $x=3$” năm nào cũng có. Hai: nói “theo EVT, $f$ có GTLN” trên khoảng mở hoặc khi $f$ gián đoạn — định lý không áp dụng, phải dùng lập luận điểm tới hạn duy nhất. Ba: nhìn đồ thị $f'$ mà tìm điểm uốn ở chỗ nó cắt trục; điểm uốn của $f$ là chỗ $f'$ có cực trị (chỗ $f''=f'{}'$ đổi dấu), còn chỗ $f'$ cắt trục là cực trị của $f$.
EVT: liên tục + đoạn đóng ⇒ có GTLN, GTNN; thiếu một là mất. Khoảng mở thì dùng “điểm tới hạn duy nhất và $f'$ đổi dấu”. Đồ thị $f'$ trả lời ba câu về $f$ ở ba chỗ: dấu ⇒ tăng giảm, chiều đi ⇒ lồi lõm, cực trị của $f'$ ⇒ điểm uốn của $f$. Câu nào cũng phải viết chữ “đổi dấu”.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 5 — Analytical Applications of Differentiation gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.