Massimi e minimi con la derivata prima pag. 1 di 6 Ricerca di massimi e minimi col metodo della derivata prima Ricordiamo che il significato geometrico della derivata prima è quello di coefficiente angolare della retta tangente alla funzione. y y = f(x) retta tangente y = mx + q f ( x0 ) m = f ' (x 0 ) P x0 x Nell’esempio in figura abbiamo una funzione crescente nell’intorno del punto P, quindi anche la retta tangente è crescente ed il suo coefficiente angolare m = f ' ( x 0 ) (che ne determina la pendenza) è positivo. Se una funzione è crescente ha la derivata positiva. Un ragionamento analogo ci porta a capire che una funzione decrescente avrà invece la derivata negativa . Il segno della derivata ci fornisce quindi un semplice criterio per stabilire gli intervalli in cui la funzione è crescente o decrescente, riassunto nello specchietto qui sotto: f ' (x ) > 0 ⇒ f ( x ) è crescente f ' (x ) < 0 ⇒ f ( x ) è decrescente f ' (x ) = 0 ⇒ f (x ) è stazionaria Conoscendo, tramite il segno della derivata, gli intervalli in cui la funzione cresce o decresce è quindi possibile ricavare la posizione dei suoi punti di massimo e di minimo. Queste informazioni unite a quelle sul dominio, sulle intersezioni con gli assi cartesiani e sul segno della funzione ci permetteranno in futuro di tracciare un grafico accurato della funzione. Nei punti di massimo e di minimo la derivata è uguale a zero♦ e quindi la retta tangente in questi punti è orizzontale ♦ fanno eccezione i cosiddetti punti angolosi nei quali la funzione non è derivabile, essendo diverse le derivate destra e sinistra. Massimi e minimi con la derivata prima pag. 2 di 6 I punti in cui f ' (x ) = 0 sono particolarmente interessanti perché in essi la funzione può avere un punto di massimo , un punto di minimo o un punto di flesso a tangente orizzontale. I casi possibili sono rappresentati qui sotto. f ' (x ) = 0 In figura è rappresentato un punto di massimo relativo. La retta tangente in tale punto è orizzontale f ' (x ) < 0 f ' (x ) > 0 Il segno della derivata prima passa da positivo (funzione crescente) a negativo (funzione decrescente). ………………………………………………………………………………………………………………... In figura è rappresentato un punto di minimo relativo. f ' (x ) > 0 f ' (x ) < 0 f ' (x ) = 0 La retta tangente in tale punto è orizzontale Il segno della derivata prima passa da negativo (funzione decrescente) a positivo (funzione crescente). ………………………………………………………………………………………………………………... f ' (x ) = 0 f ' (x ) > 0 In figura è rappresentato un punto di flesso ascendente. La retta tangente in tale punto è orizzontale Il segno della derivata prima è positivo prima e dopo il flesso f ' (x ) > 0 ………………………………………………………………………………………………………………... In figura è rappresentato un punto di flesso discendente. f ' (x ) < 0 f ' (x ) = 0 La retta tangente in tale punto è orizzontale f ' (x ) < 0 Il segno della derivata prima è negativo prima e dopo il flesso ………………………………………………………………………………………………………………... È anche importante sottolineare che: nei punti di massimo la concavità della funzione è rivolta verso il basso nei punti di minimo la concavità della funzione è rivolta verso l’alto nei punti di flesso la concavità della funzione cambia da sinistra a destra ………………………………………………………………………………………………………………... Massimi e minimi con la derivata prima pag. 3 di 6 A questo punto siamo in grado di trovare i punti di massimo e di minimo di una funzione y = f ( x ) seguendo il procedimento descritto qui sotto: 1. determinazione del dominio della funzione 2. calcolo della derivata f ' (x ) 3. studio del segno della derivata risolvendo la disequazione f ' ( x ) ≥ 0 4. schema grafico in cui si determinano i punti di max e di minimo in base al segno di f ' (x ) ………………………………………………………………………………………………………………. Esempio 1 : trovare i punti di massimo e di minimo della funzione y = 4 x 3 − 18 x 2 + 24 x 1. Il dominio della funzione è D = (− ∞ ; + ∞ ) f ' (x ) = 12 x 2 − 36 x + 24 2. calcolo della derivata : 3. studio del segno della derivata : 12 x 2 − 36 x + 24 ≥ 0 che diventa x 2 − 3 x + 2 ≥ 0 La disequazione è di 2° grado e si risolve col metodo della parabola. x1 = 1 + 3± 9 −8 3±1 con la parabola abbiamo quindi: = = x1,2 = 2 2 x2 = 2 x ≤1 ∨ x≥2 4. schema grafico col segno della derivata −∞ 1 + − crescente decrescente segno di f ' ( x ) comportamento di f ( x ) +∞ 2 + crescente è evidente dallo schema grafico che in x = 1 abbiamo un punto di massimo, mentre in x = 2 abbiamo un punto di minimo. L’ordinata dei due punti si calcola inserendo nella funzione y = f ( x ) i valori dell’ascissa. 1. Punto di massimo x = 1 y = f (1) = 4 ⋅ (1)3 − 18 ⋅ (1)2 + 24 ⋅ 1 = 4 − 18 + 24 = 10 il punto di massimo è il punto A(1 ; 10 ) 2. Punto di minimo x = 2 y = f (2 ) = 4 ⋅ (2 )3 − 18 ⋅ (2 )2 + 24 ⋅ 2 = 32 − 72 + 48 = 8 il punto di minimo è il punto B (2 ; 8) Nella pagina seguente è riportato, in scala diversa sui due assi cartesiani, il grafico della funzione con evidenziati i punti di massimo e di minimo. Massimi e minimi con la derivata prima pag. 4 di 6 A(1 ; 10) B (2 ; 8) Grafico della funzione y = 4 x 3 − 18 x 2 + 24 x con evidenziati i due punti di massimo e di minimo. ………………………………………………………………………………………………………………. Massimi e minimi con la derivata prima pag. 5 di 6 Esempio 2 : trovare i punti di massimo e di minimo della funzione y = x 3 − 6 x 2 + 12 x − 4 1. Il dominio della funzione è D = (− ∞ ; + ∞ ) 2. calcolo della derivata : f ' (x ) = 3x 2 − 12 x + 12 3. studio del segno della derivata : 3x 2 − 12 x + 12 ≥ 0 che diventa x 2 − 4x + 4 ≥ 0 La disequazione è di 2° grado e si risolve col metodo della parabola. Con formula ridotta: x1 = 2 +2± 4−4 x1,2 = =2±0= 1 x2 = 2 le soluzioni sono coincidenti e con la parabola abbiamo quindi: x≤2 ∨ x≥2 4. schema grafico col segno della derivata −∞ segno di f ' ( x ) comportamento di f ( x ) +∞ 2 + + crescente crescente La funzione risulta sempre crescente, non ha quindi né massimi né minimi. Però questa volta in x = 2 abbiamo un punto di flesso ascendente. 3. Punto di flesso x=2 x = 2 y = f (2 ) = (2 )3 − 6 ⋅ (2 )2 + 12 ⋅ 2 − 4 = 8 − 24 + 24 − 4 = 4 il punto di flesso è il punto B (2 ; 4 ) Qui sotto è riportato, in scala diversa sui due assi cartesiani, il grafico della funzione. B (2 ; 4 ) Massimi e minimi con la derivata prima pag. 6 di 6 Esempio 3 : trovare i punti di massimo e di minimo della funzione y = 3x 4 − 8 x 3 − 6 x 2 + 24 x 1. Il dominio della funzione è D = (− ∞ ; + ∞ ) f ' ( x ) = 12 x 3 − 24 x 2 − 12 x + 24 2. calcolo della derivata : 3. studio del segno della derivata : 12 x 3 − 24 x 2 − 12 x + 24 ≥ 0 che diventa x 3 − 2 x 2 − x + 2 ≥ 0 La disequazione si risolve scomponendo in fattori e confrontando i segni dei vari fattori x 3 − 2 x 2 − x + 2 ≥ 0 → x 2 ⋅ ( x − 2 ) − 1 ⋅ ( x − 2 ) ≥ 0 → ( x − 2 ) ⋅ x 2 − 1 ≥ 0 e quindi: (x − 2 ) ⋅ (x − 1) ⋅ (x − 1) ≥ 0 o segno del 1° fattore: x − 2 ≥ 0 → x ≥ 2 o segno del 2° fattore: x − 1 ≥ 0 → x ≥ 1 o segno del 2° fattore: x + 1 ≥ 0 → x ≥ −1 ( ) 4. schema grafico col segno della derivata −∞ 1° fattore 2° fattore 3° fattore segno di f ' ( x ) −1 − − − − − − 1 − + + − + + + + decrescente crescente + + decrescente crescente 2 +∞ comportamento di f (x ) è evidente dallo schema grafico che in x = 1 abbiamo un punto di massimo, mentre in x = −1 e x = 2 abbiamo due punti di minimo. L’ordinata dei tre punti si calcola inserendo nella funzione y = f ( x ) i valori dell’ascissa. 1° punto di minimo x = −1 y = f (− 1) = 3 + 8 − 6 − 24 = −19 il 1° punto di minimo è il punto B (− 1 ; − 19 ) Punto di massimo x = 1 y = f (1) = 3 − 8 − 6 + 24 = 13 il punto di massimo è il punto A(1 ; 13) 2° punto di minimo x = 2 y = f (2 ) = 3 ⋅ 2 4 − 8 ⋅ 2 3 − 6 ⋅ 2 2 + 24 ⋅ 2 = 48 − 64 − 24 + 48 = 8 il 2° punto di minimo è il punto C (2 ; 8)