Перейти до основного вмісту
Каталог

Найбільше й найменше значення функції на відрізку

~20 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань

Похідна та інтеграл
Математика НМТ

Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Математика — повний курс.

Алгоритм знаходження найбільшого й найменшого значення неперервної функції на відрізку: порівняння значень у критичних точках та на кінцях. Розв'язування прикладних задач на оптимізацію через складання функції однієї змінної та пошук її оптимального значення на проміжку.

Найбільше й найменше значення на відрізку: алгоритм

Нехай функція f визначена на відрізку [a; b]. Число M називають найбільшим значенням функції на цьому відрізку, якщо:

  • для всіх x ∈ [a; b] виконується f(x) ≤ M

  • існує таке x₀ ∈ [a; b], що f(x₀) = M

Найменше значення m означають аналогічно: f(x) ≥ m для всіх x і f(x₀) = m для деякого x₀. Якщо функція неперервна на відрізку (її графік — суцільна лінія без розривів), то вона обов'язково досягає на ньому і найбільшого, і найменшого значення — це твердження називають теоремою Вейєрштрасса. На НМТ ти можеш ним користуватися без доведення.

Алгоритм пошуку

Щоб знайти найбільше й найменше значення функції f на відрізку [a; b], виконай такі кроки:

  1. Знайди похідну f′(x).

  2. Знайди критичні точки — точки, у яких f′(x) = 0 або похідна не існує.

  3. Відбери з них лише ті, що належать відрізку [a*; *b].

  4. Обчисли значення функції в кожній із цих точок і в точках a* та *b.

  5. Серед отриманих чисел обери найбільше й найменше.

Досліджувати знаки похідної не обов'язково — ти просто порівнюєш числа. Якщо на відрізку немає жодної критичної точки, функція монотонна, і найбільше з найменшим значеннями лежать на кінцях.

Приклад 1: f(x) = x³ − 3x на [0; 2]

Похідна: f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1). Рівняння f′(x) = 0 дає x = 1 і x = −1. Точка −1 не належить відрізку [0; 2], тому її відкидаємо. Обчислюємо:

x

0

1

2

f(x)

0

−2

2

Найбільше значення — 2 (досягається на правому кінці x = 2), найменше — −2 (у критичній точці x = 1).

Приклад 2: та сама функція на [−3; 0]

Критична точка −1 тепер належить відрізку, а 1 — ні. Обчислюємо:

x

−3

−1

0

f(x)

−18

2

0

Найбільше значення — 2 (у точці x = −1), найменше — −18 (на лівому кінці x = −3). Зверни увагу: відповідь залежить від того, який відрізок задано.

Приклад 3: функція без критичних точок

Розглянемо y = x³ + x на [−1; 2]. Похідна y′ = 3x² + 1 завжди додатна, тому критичних точок немає. Функція зростає на всьому відрізку, отже найменше значення — на лівому кінці: f(−1) = −2, найбільше — на правому: f(2) = 10.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Найбільше значення і максимум — не одне й те саме

Дуже важливо не плутати два поняття, які звучать схоже, але позначають різні речі.

Поняття

Тип

Порівняння

Де може бути

Максимум функції

локальне

із сусідніми точками

лише всередині проміжку

Найбільше значення на відрізку

глобальне

з усіма точками відрізка

усередині або на кінці

Найбільше значення може досягатися на кінці відрізка, де немає екстремуму. Наприклад, у функції f(x) = x³ − 3x на [0; 2] найбільше значення 2 — у точці x = 2, а це кінець, а не точка максимуму (максимум — у точці x = −1, яка взагалі не належить відрізку).

Коли критична точка — єдина на проміжку

Якщо на проміжку є лише одна критична точка і вона є точкою максимуму (або мінімуму), то в ній функція набуває найбільшого (або найменшого) значення на цьому проміжку. Цим часто користуються в задачах на оптимізацію, де проміжок — інтервал, а не відрізок.

На інтервалі чи промені значень може не бути

На відкритому проміжку (інтервалі) функція не обов'язково має найбільше або найменше значення. Розглянь y = x + 1/x на (0; +∞). Похідна y′ = 1 − 1/x² = 0 дає x = 1. Це точка мінімуму, f(1) = 2 — найменше значення. А найбільшого значення немає, бо при x → 0⁺ функція прямує до +∞, а при x → +∞ — теж до +∞.

Квадратична функція

Для квадратичної функції f(x) = ax² + bx + c найбільше (при a < 0) або найменше (при a > 0) значення на відрізку може бути:

  • у вершині x₀ = −b/(2a), якщо вона належить відрізку;

  • на одному з кінців відрізка, якщо вершина лежить поза ним.

Похідна f′(x) = 2ax + b = 0 дає ту саму точку x₀, тож алгоритм через похідну працює без додаткових міркувань про вітки параболи.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Прикладні задачі на найбільше й найменше значення

Задачі на оптимізацію — це задачі, у яких потрібно знайти, за яких умов певна величина (площа, об'єм, вартість) буде найбільшою або найменшою. Розв'язують їх за такою схемою:

  1. Познач змінну x — величину, яку можна змінювати.

  2. Вирази ту величину, яку треба зробити найбільшою чи найменшою, як функцію f(x).

  3. Укажи проміжок зміни x з умови задачі.

  4. Знайди найбільше або найменше значення f на цьому проміжку.

  5. Дай відповідь саме на те запитання, яке поставлено в задачі.

Найбільша площа при заданому периметрі

Прямокутник має периметр 20. Позначимо одну сторону як x, тоді друга сторона — 10 − x (бо півпериметр дорівнює 10). Площа: S(x) = x(10 − x) = 10x − x². Змінна x може змінюватися на (0; 10). Похідна: S′(x) = 10 − 2x = 0 ⇒ x = 5. Це єдина критична точка всередині проміжку, і це точка максимуму. Найбільша площа: S(5) = 25. Отже, найбільшу площу має квадрат зі стороною 5.

Аналогічно: сума двох додатних чисел дорівнює 12. Їхній добуток P(x) = x(12 − x) найбільший, коли числа рівні: 6 · 6 = 36.

Ділянка біля стіни

Ділянку прямокутної форми з одного боку обмежує стіна (річка), а з трьох інших — паркан завдовжки 40 м. Позначимо сторону, перпендикулярну до стіни, як x. Тоді сторона, паралельна стіні, дорівнює 40 − 2x. Площа: S(x) = x(40 − 2x) = 40x − 2x². Змінна x ∈ (0; 20). Похідна: S′(x) = 40 − 4x = 0 ⇒ x = 10. Розміри ділянки: 10 м × 20 м, площа S = 200 м².

Найменші витрати матеріалу (бак без кришки)

Бак без кришки має квадратну основу зі стороною a дм і об'єм 32 дм³. Висота: h = 32/a². Площа поверхні (дно + чотири бічні грані): S(a) = a² + 4ah = a² + 4a · 32/a² = a² + 128/a. a > 0. Похідна: S′(a) = 2a − 128/a² = 0 ⇒ 2a³ = 128 ⇒ a³ = 64 ⇒ a = 4 дм. Висота: h = 32/16 = 2 дм. Найменша площа поверхні: S(4) = 16 + 32 = 48 дм².

Найбільший об'єм коробки

З квадратного листа 12 × 12 вирізають у кутах квадрати зі стороною x і згинають коробку. Дно коробки — квадрат зі стороною 12 − 2x, висота — x. Об'єм: V(x) = x(12 − 2x)². x ∈ (0; 6). Похідна: V′(x) = (12 − 2x)² + x · 2(12 − 2x) · (−2) = (12 − 2x)(12 − 2x − 4x) = (12 − 2x)(12 − 6x). V′(x) = 0 ⇒ x = 6 (не належить проміжку) або x = 2. Найбільший об'єм: V(2) = 2 · (12 − 4)² = 2 · 64 = 128.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Коротка відповідь

Завдання: Знайдіть найменше значення функції f(x) = x³ − 3x² − 9x + 4 на відрізку [−2; 2].

Розв'язання:

  1. Похідна: f′(x) = 3x² − 6x − 9 = 3(x² − 2x − 3) = 3(x − 3)(x + 1).

  2. Критичні точки: x = 3 і x = −1.

  3. Відрізку [−2; 2] належить лише x = −1 (3 ∉ [−2; 2]).

  4. Обчислюємо: f(−2) = (−2)³ − 3·(−2)² − 9·(−2) + 4 = −8 − 12 + 18 + 4 = 2

  5. f(−1) = (−1)³ − 3·(−1)² − 9·(−1) + 4 = −1 − 3 + 9 + 4 = 9

  6. f(2) = 2³ − 3·2² − 9·2 + 4 = 8 − 12 − 18 + 4 = −18

Найменше з отриманих чисел: −18.

Відповідь: −18

Типові пастки: число −23 — це f(3), але точка 3 не належить відрізку; число 9 — це найбільше значення на цьому відрізку, а питали найменше.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді

Завдання: Знайдіть найбільше значення функції f(x) = 2x³ − 3x² − 12x + 1 на відрізку [0; 3].

Розв'язання:

  1. Похідна: f′(x) = 6x² − 6x − 12 = 6(x² − x − 2) = 6(x − 2)(x + 1).

  2. Критичні точки: x = 2 і x = −1.

  3. Відрізку [0; 3] належить лише x = 2.

  4. Обчислюємо: f(0) = 1, f(2) = 2·8 − 3·4 − 12·2 + 1 = 16 − 12 − 24 + 1 = −19, f(3) = 2·27 − 3·9 − 12·3 + 1 = 54 − 27 − 36 + 1 = −8

Найбільше з чисел {1; −19; −8} — це 1.

Відповідь: 1

Чому інші варіанти неправильні: 8 — це f(−1), точка поза відрізком; −8 — значення на правому кінці, але не найбільше; 2 — критична точка, а не значення функції; −19 — найменше значення, а питали найбільше.

Приклад 3. Коротка відповідь (прикладна задача)

Завдання: Ділянку прямокутної форми з одного боку обмежує річка, а з трьох інших — паркан завдовжки 60 м. Знайдіть найбільшу можливу площу ділянки (у м²).

Розв'язання:

  1. Позначимо сторону, перпендикулярну до річки, як x (у метрах).

  2. Тоді сторона, паралельна річці, дорівнює 60 − 2x.

  3. Площа: S(x) = x(60 − 2x) = 60x − 2x². x ∈ (0; 30).

  4. Похідна: S′(x) = 60 − 4x = 0 ⇒ x = 15.

  5. Це єдина критична точка, вона дає максимум. S(15) = 15 · (60 − 30) = 15 · 30 = 450 м².

Відповідь: 450

Пастки: 15 — це значення x (розмір сторони), а питали площу; 225 — площа квадрата 15 × 15, але це було б, якби паркан ішов з усіх чотирьох боків.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді

Завдання: Бак без кришки з квадратною основою має об'єм 32 дм³. За якої сторони основи (у дм) на його виготовлення піде найменше металу?

Розв'язання:

  1. Сторона основи — a дм, висота — h = 32/a² дм.

  2. Площа поверхні: S(a) = a² + 4ah = a² + 128/a.

  3. Похідна: S′(a) = 2a − 128/a² = 0 ⇒ 2a³ = 128 ⇒ a³ = 64 ⇒ a = 4.

  4. Це єдина критична точка на (0; +∞), вона дає мінімум.

Відповідь: 4

Дистрактори: 2 — це висота бака, а питали сторону основи; 8, 3, 6 — інші числа, які не задовольняють умову.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

  • Не перевіряють значення функції на кінцях відрізка. Найбільше або найменше значення може виявитися саме на кінці, навіть якщо всередині є критичні точки. Завжди обчислюй f(a) і f(b).

  • Ураховують критичну точку, що не належить відрізку. Знайшовши f′(x) = 0, обов'язково перевір, чи потрапляє кожна критична точка в заданий проміжок. Точки поза ним не впливають на відповідь.

  • Плутають, що питають: значення функції чи значення змінної. Уважно читай умову. Якщо запитання «Знайдіть найбільше значення функції», відповідь — число f(x). Якщо «За якого x…» — відповідь — значення x.

  • Вважають, що найбільше значення завжди досягається в точці максимуму. Це неправда: на відрізку найбільше значення може бути на кінці, де екстремуму немає.

  • У прикладній задачі не вказують проміжок зміни змінної. Без проміжку не можна перевірити, чи критична точка належить області допустимих значень. Завжди визначай x ∈ (…; …) з умови.

  • Відповідають розміром замість площі чи об'єму. У прикладних задачах уважно дивись, яку величину питають: площу (м²), об'єм (дм³), сторону (м) тощо.

  • Помиляються в знаках, обчислюючи значення многочлена у від'ємній точці. Наприклад, f(−2) = (−2)³ − 3·(−2)² − 9·(−2) + 4. Не забувай: (−2)³ = −8, (−2)² = 4, а −9·(−2) = +18.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

Тема «Найбільше й найменше значення функції на відрізку» входить до програми НМТ з математики (рівень стандарту). Програма вимагає знати означення найбільшого й найменшого значень функції, уміти їх знаходити та розв'язувати прикладні задачі на оптимізацію.

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 окремого завдання з цієї теми немає, і у вибірці з чотирьох тестів 2023–2024 років — теж. Однак НМТ перевіряє всю програму, тому завдання на цю тему можуть з'явитися в будь-якому тесті. Тренуємо два формати:

Формат

Бали

Примітка

Вибір однієї відповіді

0 або 1

5 варіантів (А–Д)

Коротка відповідь

0 або 2

без часткових балів

За експертною оцінкою (не даними УЦОЯО), похідна та її застосування належать до найважчих тем тесту. Тому варто приділити цій темі особливу увагу.

Стратегія виконання

  • На чернетці склади таблицю «x — f(x)» для обох кінців відрізка й усіх критичних точок усередині.

  • Для вибору відповіді обчисли всі кандидати й порівняй числа — не намагайся визначити лише екстремум.

  • У прикладних задачах спочатку запиши формулу, потім підставляй числа — це зменшує ризик арифметичної помилки.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Чи обов'язково досліджувати знак похідної, щоб знайти найбільше значення на відрізку?

Ні. Для знаходження найбільшого й найменшого значення на відрізку достатньо обчислити значення функції в критичних точках (де похідна дорівнює нулю або не існує) і на кінцях відрізка, а потім порівняти числа. Дослідження знака похідної потрібне, коли ти шукаєш точки екстремуму, але не для глобального найбільшого/найменшого значення на відрізку.

Що робити, якщо критична точка не належить відрізку?

Відкинути її. Вона не впливає на значення функції на заданому відрізку. Наприклад, для f(x) = x³ − 3x на [0; 2] критична точка x = −1 лежить поза відрізком, тому її не розглядаємо. Відповідь визначають лише точки, що належать відрізку.

Чим найбільше значення функції відрізняється від її максимуму?

Максимум — локальне поняття: точка x₀ називається точкою максимуму, якщо значення функції в ній більше, ніж у сусідніх точках. Найбільше значення на відрізку — глобальне: воно найбільше серед усіх точок відрізка. Найбільше значення може досягатися на кінці відрізка, де немає екстремуму, або в точці максимуму, якщо вона належить відрізку.

Як скласти функцію в прикладній задачі?

Познач змінну x — ту величину, яку ти можеш змінювати (наприклад, сторону прямокутника). Вирази через x всі інші величини за умовою (другу сторону, висоту тощо). Склади вираз для тієї величини, яку треба зробити найбільшою чи найменшою (площу, об'єм, вартість). Це і буде функція f(x). Обов'язково визнач, у яких межах може змінюватися x (проміжок).

Чи завжди функція має найбільше значення на проміжку?

На відрізку — так, якщо функція неперервна (теорема Вейєрштрасса). На інтервалі чи промені — не обов'язково. Наприклад, y = x + 1/x на (0; +∞) має найменше значення 2, але не має найбільшого, бо функція необмежено зростає при x → 0⁺ і при x → +∞.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • Кандидати: критичні точки всередині відрізка й обидва кінці.

  • Обчисли f у всіх кандидатах і порівняй числа: найбільше з них — найбільше значення функції, найменше — найменше значення.

  • Критичні точки поза відрізком відкидай — вони не впливають на відповідь.

  • Найбільше значення ≠ максимум: найбільше значення може бути на кінці відрізка, де екстремуму немає.

  • Оптимізація: змінна → функція → проміжок → найбільше чи найменше → відповідь на запитання задачі.

  • Єдина точка екстремуму на проміжку дає найбільше чи найменше значення (якщо це максимум чи мінімум відповідно).

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

Перевірте себе на цьому юніті

Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.

1. Функція $f$ неперервна на відрізку $[a;\,b]$. Яке з тверджень є правильним?

2. Яку найбільшу площу (у квадратних одиницях) може мати прямокутник із периметром 24?

3. Знайдіть найбільше значення функції $f(x)=x^{3}-3x^{2}-9x+2$ на відрізку $[-1;\,4]$.

4. Знайдіть найменше значення функції $f(x)=x^{3}-12x$ на відрізку $[-3;\,1]$.

5. Розгляньте функцію $f(x)=x^{2}-4x+7$ на відрізку $[0;\,5]$. У якій точці цього відрізка функція набуває найбільшого значення?

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест