數學學院

首頁 › 大學 › 大一

極值與反曲點

大一 · 微積分

觀念

xy極大極小反曲點y = x³ − 3x-2-112-3-2-112O

f′>0f' > 0 遞增、f′<0f' < 0 遞減,所以在定義域的內部,局部極值只會出現在 f′=0f' = 0 或 f′f' 不存在的點(臨界點,critical point);閉區間的端點要另外檢查。判斷是極大或極小:看 f′f' 的變號(一階導數檢定),或看 f′′f'' 的正負(二階導數檢定:f′′<0f''<0 凹口向下 → 極大)。

f′′f'' 的正負決定凹向 (concavity);凹向改變的點叫反曲點 (inflection point):候選點是 f′′=0f''=0 或 f′′f'' 不存在的點,再確認兩側 f′′f'' 變號。

算例:f=x3−3xf = x^3 - 3x,f′=3(x−1)(x+1)f' = 3(x-1)(x+1),臨界點 ±1\pm1;f′′=6xf'' = 6x,f′′(−1)<0f''(-1)<0 極大、f′′(1)>0f''(1)>0 極小;f′′=0f''=0 在 x=0x=0,是反曲點。

這就是最佳化的基礎:成本最小、利潤最大、梯度下降收斂到哪裡,全都在問臨界點;多變數版本用 Hessian 矩陣取代 f′′f''。

例題

f(x)=x3+6x2+9x+2f(x) = x^{3}+6x^{2}+9x+2 的局部極大值 (local maximum) 發生在 x=?x = ?

看解法與答案

逐項微分:f′(x)=3x2+12x+9f'(x) = 3x^{2}+12x+9。

提出 3 再因式分解(兩根和 −4-4、積 33):f′(x)=3x2+12x+9=3(x2+4x+3)=3(x+3)(x+1)f'(x) = 3x^{2}+12x+9 = 3(x^{2}+4x+3) = 3(x+3)(x+1)。

令 f′(x)=0f'(x) = 0,得臨界點 x=−3x = -3 與 x=−1x = -1。

二階導數 f′′(x)=6x+12f''(x) = 6x+12。代入:f′′(−3)=6⋅(−3)+12=−6<0f''(-3) = 6\cdot(-3) +12 = -6 < 0(凹向下)→ 局部極大;f′′(−1)=6⋅(−1)+12=6>0f''(-1) = 6\cdot(-1) +12 = 6 > 0(凹向上)→ 局部極小。

所以局部極大發生在 x=−3x = -3。

答案: −3-3

用在哪裡

插畫

極值與反曲點:情境插畫極值與反曲點:例題插畫

講解影片

學習路徑

先學會

學完可以接著學

互動練習在本機版

這個網站是觀念與例題的閱讀版。互動練習(每次出不同數字的新題、自動判對錯、錯題本、熟練度與複習排程)在「數學學院」本機版,目前還沒對外開放。