00:00
00:00
KURSER  / 
Matematik 3b
/  Derivatan och grafen

Extrempunkter, extremvärden och största och minsta värde

Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet

När vi bestämmer det största och minsta värdet av en funktion är derivatan till stor hjälp.

Det element i definitionsmängden där funktionen i ett intervall antar ett största eller minsta funktionsvärde kallas för en extrempunkt.

Det tillhörande funktionsvärdet till en extrempunkt kallas för ett extremvärde.

Extrempunkter och Extremvärden

Som vi tidigare nämnt kan derivatan ge förutsättningar att göra beräkningar och analysera matematiska modeller som beskriver hur olika skeenden och saker förändras.

Inte sällan är syftet att kunna maximera eller minimera olika skeenden. Intresset av att kunna förutse en utveckling eller kommande förändring, alternativt studera förändringar för att kunna dra slutsatser kring hur olika saker påverkar varandra intresserar många. Av olika anledningar.

Vid dessa så kallade optimeringsproblem, som är en central del av denna kurs, söker man alltså ofta en extrempunkt eller ett visst extremvärde, eller extremum som det också kallas. Dessa värden återfinns där derivatan är lika med noll eller i intervallets ändpunkter.

Stationära punkter

I de punkter där en funktion antar ett största eller minsta värde i förhållande till närliggande punkter på grafen, sägs förändringen tillfälligt vara lika med noll.

Eller med andra ord, en punkt där funktionsvärdet varken ökar eller minskar, det vill säga där förändringen i punkten är lika med noll, kallas för en stationär punkt.

Stationär punkt är ett samlingsnamn för extrempunkter och terrasspunkter. I alla dessa punkter x=ax=a antar derivatan värdet noll. Vi konstaterade ju nyss att förändringen, vilket just motsvarar derivatans värde i punkten, är lika med noll!

Extrempunkter i sin tur är detsamma som vi tidigare benämnt vertex i studier med parabler, alltså minimi- och maximipunkter.

Exempel 1

Ange alla punkter för funktionen f(x)f\left(x\right)ƒ (x) i intervallet 2x2-2\le x\le22x2 

a) där derivatan är lika med noll

b) som är stationära punkter

Lösning

a) Derivatan är lika med noll i grafens vändpunkter. Dessa återfinns i x=1x=-1x=1 och  x=1x=1x=1

b) De stationära punkterna är alla de punkter i intervallet där derivatan är lika med noll. Alltså samma extrempunkter som i a), det vill säga i x=1x=-1x=1 och  x=1x=1x=1

Bra att notera är att punkter inte är detsamma som koordinater. En punkt kan anges i noll, en eller flera dimensioner. Vi utvecklar detta påstående i kommande stycke.

Extrempunkter

Extrempunkt är ett samlingsnamn för de punkter där funktionen har ett maximum eller minimum. 

Maximipunkt

En punkt aa i en definitionsmängd kallas för en maximipunkt om det finns ett intervall kring punkten där f(a)f(x)f\left(a\right)\ge f\left(x\right) för alla xx som tillhör definitionsmängden och intervallet.

När vi tittar på grafen till en funktion kommer maximipunkter återfinnas i de punkter där grafen når en ”högsta topp” och ”vänder” neråt.

I maximipunkter ändras derivatans värde från positiva för intilliggande värden som är mindre än extrempunkten, till negativ värden för derivatan.

Minimipunkt

En punkt aa i en definitionsmängd kallas för en minimipunkt om det finns ett intervall kring punkten där f(a)f(x)f\left(a\right)\le f\left(x\right) för alla xx som tillhör definitionsmängden och intervallet.

Där funktionens graf har minimipunkter når grafen en ”lägsta dal” och ”vänder” uppåt igen.

I minimipunkter ändras derivatans värde från negativa för intilliggande värden som är mindre än extrempunkten, till positiva för xxx-värden större än minimipunkten.

Terrasspunkt

Utöver extrempunkterna har vi ännu en sorts stationära punkter att hålla koll på i denna kurs. Nämligen de så kallade terrasspunkter.

Det är punkter där derivatan har teckenväxlingen  +0++0+ alternativ  0-0-. Vi kommer att gå igenom detta mer ingående i lektionen om Nollställen och teckentabeller.

Extremvärden

När man talar om det minsta och största värdet för en funktion söker man det minsta och största yyy-värdet funktionen antal i ett visst intervall.

Största och minsta värde

Ofta vill man begränsa eller studera värdena till ett särskilt intervall och talar då om lokala extrempunkter.

Punkter och koordinater

Som vi nämnde ovan är en punkt och koordinaterna till en punkt på grafen inte samma sak. Men de förväxlas lätt och det är även vanligt att man i matematikundervisningen både slarvar och förväxlar dessa begrepp.

Begreppet punkt i matematiken introduceras ofta i samband med att man börjar analysera och jobba med grafer till funktioner i ett koordinatsystem.  Därför förväxlas lätt begreppen då man ofta frågar efter koordinaterna till punkten på grafen till funktionen. De som då efterfrågas är just en punkts läge i koordinatsystemet.

Inom geometri definieras punkter som ett objekt utan någon utsträckning. Men punktens läge kan definieras i ett koordinatsystem i koordinatform med en xxx– och en yyy-koordinat.

När vi talar om extrempunkter är det därför bara den oberoende variabelns värde vi efterfrågar, som väldigt ofta är xxx -värdet. Det tillhörande funktionsvärdet, ofta angett som yyy-värde, motsvarar extremvärdet för extrempunkten och dessa tillsammans representeras av koordinaterna till en punkt på grafen som tillhör funktionen.

Exempel 2

Figuren nedan visar grafen till andragradsfunktionen y=f(x)y=f\left(x\right)y=ƒ (x).

a) Ange andragradsfunktionens extrempunkt.

b) Ange andragradsfunktionens extremvärde.

c) Ange koordinaterna för punkten på grafen till andragradsfunktionen som motsvarar det minsta värdet.

Lösning

Vi markera grafens vändpunkt och bestämmer xxx– och yyy-värdet grafiskt. Vi kan sedan ange svaren på frågorna utifrån det.

a) Extrempunkten motsvarar xxx-värdet där funktionens derivata är lika med noll. Det hittar vi grafiskt där grafen vänder.

Det vill säga funktionens extrempunkt är x=1x=1x=1 

b) Extremvärdet motsvarar extrempunktens tillhörande yyy -värde, vilket är  2-22.

Har du inte grafen med funtkionuttrycken kan du alltid beräkna extremvärdet med hjälp av extrempunkten. Här motsvarar det  f(1)=2f\left(1\right)=-2ƒ (1)=2 .

c) Koordinaterna för punkten på grafen till andragradsfunktionen som motsvarar det minsta värdet är  (1, 2)\left(1,\text{ }-2\right)(1, 2) 

Kanske känner du igen tankesättet från arbetet med andragradsfunktioner där funktionens nollställen alltid angavs enbart med xxx-värden. Vi sa att nollställena grafisk motsvarar punkten där grafen skär xxx-axeln, vilket då syftade på enbart xxx-koordinaten.

Var  återfinns det minsta och största värdet i en funktion?

Det största eller minsta funktionsvärdet kommer att återfinnas i någon av följande punkter. I någon av

  • intervallets ändpunkter
  • extrempunkterna i intervallet
  • punkterna i intervallet där funktionen inte är deriverbar

Vi visar med ett exempel hur man anger största och minsta värdet utifrån de tre punkterna ovan.

Exempel 3

Figuren nedan visar grafen till funktionen y=f(x)y=f\left(x\right)y=ƒ (x)  i intervallet  1-1\le1 x<5x<5x<5 

a) Ange största värdet för  f(x)f\left(x\right)ƒ (x)  i intervallet.

b) Ange minsta värdet för  f(x)f\left(x\right)ƒ (x)  i intervallet.

Extremvärden

Lösning

a) Det största värden är de samma som det största yyy -värde/f(x)f\left(x\right)ƒ (x) antar i intervallet.

I detta intervall så har vi det största värdet där i den lokala extrempunkten x=3x=3x=3  och värdet är där  y=5y=5y=5

b) Eftersom  x=5x=5x=5 inte ingår i intervallet och grafen antar mista värde i området vid  x=5x=5x=5 säger man att ett minsta värde saknas

Det är, som vi såg här, inte alltid möjligt att ange ett största eller minsta värde i ett intervall. Det inträffar när minsta eller största värdet finns i en punkt som inte ingår i intervallet.

Exempel 4

Figuren nedan visar grafen till funktionen y=f(x)y=f\left(x\right)y=ƒ (x) i intervallet   aa\leax<x<x< ggg .

a) Ange i vilken eller vilka punkter funktionen har en lokalt extrempunkt.
b) Ange extrempunkternas karaktär.
c) Ange i vilken eller vilka punkter funktionen har en global extrempunkt.
d) Ange i vilken eller vilka punkter funktionen har en terrasspunkt.
e) Ange i vilken eller vilka punkter funktionen har ett lokalt extremvärde.
f) Ange i vilken punkt funktionen har sina globala extremvärden.

Extremvärden

Lösning

a) En stationär punkt, alltså en punkt där derivatan är lika med noll, och funktionen inte antar några större värden i området kring punkten kallas för en extrempunkt. Vi på minner om att extrempunkter till funktionen är definierade xxx -värden. I denna uppgift är det punkterna  x=bx=bx=b,  x=dx=dx=d,  x=ex=ex=e  och  x=fx=fx=ƒ   som är extrempunkter. De motsvarar punkterna B, D, E och F på grafen.

b) Att ange extrempunkternas karaktär innebär att bestämma om de är en maximi- eller minimipunkt.

Punkt x=dx=dx=d  och x=fx=fx=ƒ   är lokala minimipunkter medan punkt x=bx=bx=b  och x=ex=ex=e är lokala maximipunkter.

c) En global extrempunkt är de maximi eller minimipunkter som har störst/minst värde av alla extrempunkter i intervallet. I vår uppgift är det  x=bx=bx=b  som är den globala maximipunkten och  x=dx=dx=d  som är den globala minimipunkten.

d) I en terrasspunkt är derivatans teckenväxling i området nära punkten 0-0-0 eller  +0++0++0+. Vi har en sådan punkt i  x=cx=cx=c , där teckenväxlingen ger att derivatan är negativ innan terrasspunkten, för att bli lika med noll i terrasspunkten och sedan negativ igen.

e) Ett lokalt extremvärde är det funktionsvärde där funktionen inte antar några mindre/större värden i närheten. Grafiskt motsvarar funktionsvärden yyy -värden för punkter på grafen. Och i vår uppgift finns lokala extremvärden i punkterna A, B, D, E och F på grafen. Det ser ut att även finnas ett extremvärde i G, men då x=gx=gx=g inte ingår i intervallet för funktionen saknar funktionen ett värde i den punkten.

I punkt A är extremvärdet f(a)f\left(a\right)ƒ (a). I punkt B är extremvärdet  f(b)f\left(b\right)ƒ (b) och så vidare. Vi alltså lokala extremvärden för alla markerade punkter på grafen utom för C och G.

f) Det globala extremvärdet kallas även för största och minsta värdet.

Största och minsta värde

Vi ser att vi har minsta värde f(d)f\left(d\right)ƒ (d) i punkten D på grafen. Största värdet  f(g)f\left(g\right)ƒ (g) skulle finnas i punkten G på grafen, men då x=gx=gx=g  inte ingår i intervallet aa\lea x<x<x<ggg anger vi att ett största värde för funktionen saknas.

Till sist ett exempel med minsta värde i en punkt som inte är deriverbar.

Exempel 5

Figuren nedan visar grafen till funktionen f(x)=xf\left(x\right)=\left|x\right|ƒ (x)=|x| i intervallet  3x-3\le x3x 3\le33 . 

Ange minsta värdet för  f(x)f\left(x\right)ƒ (x).

Graf till ett Absolutbelopp

Lösning

Det minsta värden är de samma som det minsta yyy -värde/f(x)f\left(x\right)ƒ (x) antar i intervallet.

Funktionen är inte deriverbar i x=0x=0x=0 men det minsta värdet återfinns där och är lika med noll.

Alla dessa olika beteckningar kan vara något för virrande till en början, men tanken är att de ska vara en hjälp för att kunna förtydliga funktionens förändring i sin definitionsmängd. Vi samlar dem här mer koncentrerat.

Viktiga begrepp kring funktionsvärden

Vi sammanfattar här kort alla begrepp vi talat om ovan och kommer fördjupa vidare i kommande lektioner.

Stationär punkt
En punkt där derivatan är lika med noll.

Minimipunkt
Stationär punkt där funktionen inte antar några mindre värden i området kring punkten.

Maximipunkt
Stationär punkt där funktionen inte antar några större värden i området kring punkten.

Extrempunkt
Samlingsnamn på maximipunkt eller minimipunkt.

Terrasspunkt
Stationär punkt där derivatans teckenväxling kring punkten är  0-0-0 eller +0++0++0+.

Minimum
Funktionsvärdet där funktionen inte antar några mindre värden i närheten.

Maximum
Funktionsvärdet där funktionen inte antar några större värden i närheten.

Extremvärde eller Extremum
Samlingsnamn på maximum eller minimum.

Alla ovanstående begrepp kan ges tillägget lokal eller global

Lokal
Syftar på värden i en visst del av hela definitionsmängden

Global
Syftar på värden i hela definitionsmängden

De viktigaste är att kunna ange en funktions extremvärden som alltid är ett värde f(a)f\left(a\right)ƒ (a) och extrempunkter som anges som något värde x=ax=ax=a i definitionsmängden.