Превојне тачке

Нека је функција ff диференцијабилна у околини U(x0)U\left( {{x_0}} \right). Ако је x0{x_0} истовремено крај интервала на којем је функција конвексна (конкавна) и и почетак интервала на којем је конкавна (конвексна), онда се x0{x_0} назива тачка превоја функције ff

Превојна тачка функције ff је тачка (x0,f(x0))\left( {{x_{0,}}f\left( {{x_0}} \right)} \right).

Тачка x0{x_0} је тачка превоја функције ff тада и само тада када функција f′f' у тачки x0{x_0} има локални екстремум.

Потребан услов за постојање превојне тачке

Ако је x0{x_0} тачка превоја функције ff, онда или f′′(x0)f''\left( {{x_0}} \right) не постоји или је f′′(x0)=0f''\left( {{x_0}} \right) = 0.

Довољан услов за постојање превојне тачке

  1. Нека је функција ff диференцијабилна у тачки x0x_0 и два пута диференцијабилна за x0∈U(x0)\{x0}{x_0} \in U\left( {{x_0}} \right)\backslash \left\{ {{x_0}} \right\}. Ако је за x∈U(x0)x \in U\left( {{x_0}} \right)

    f′′(x)<0f''\left( x \right) < 0, за x<x0x < {x_0}, и f′′(x)>0f''\left( x \right) > 0, за x>x0x > {x_0},

    или

    f′′(x)>0f''\left( x \right) > 0, за x<x0x < {x_0}, и f′′(x)<0f''\left( x \right) < 0, за x>x0x > {x_0},

    онда је x0x_0 тачка превоја функције ff.
  2. Нека је функција ff nn-пута непрекидно диференцијабилна у околини U(x0)U\left( {{x_0}} \right), при чему је n⩾3n \geqslant 3 непаран број и 

    f(k)(x0)=0,k=1,2,...n−1{f^{\left( k \right)}}\left( {{x_0}} \right) = 0,k = 1,2,...n - 1, и f′′(x0)≠0f''\left( {{x_0}} \right) \ne 0

    Онда је тачка x0x_0 тачка превоја функције ff.

Једначина тангенте и нормале на криву

Једначина тангенте и нормале на криву ff у тачки x0{x_0} је 

y=f(x0)+f‘(x0)(x−x0)y = f\left( {{x_0}} \right) + f`\left( {{x_0}} \right)\left( {x - {x_0}} \right).

Једначина нормале на криву ff у тачки x0{x_0} је

y=f(x0)−1f‘(x0)(x−x0)y = f\left( {{x_0}} \right) - \frac{1}{{f`\left( {{x_0}} \right)}}\left( {x - {x_0}} \right).

Превојна тачка је тачка (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) у којој график мења закривљеност: са једне стране функција је конвексна, а са друге конкавна. У њој први извод f′f' има локални екстремум, па је нагиб графика ту највећи или најмањи у околини.

Потребан услов је да f′′(x0)=0f''(x_0) = 0 или да f′′(x0)f''(x_0) не постоји. Довољан услов је да f′′f'' мења знак кад xx пролази кроз x0x_0. Сама нула другог извода није довољна: за f(x)=x4f(x) = x^4 је f′′(0)=0f''(0) = 0, али f′′f'' не мења знак, па превоја нема. Тангента у тачки x0x_0 је y=f(x0)+f′(x0)(x−x0)y = f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0), а нормала y=f(x0)−1f′(x0)(x−x0)y = f(x_0) - \frac{1}{f'(x_0)}(x - x_0). У превојној тачки тангента сече график.

48121620406080100t (недеље)h (cm)
5
Висина h
15,6 cm
Брзина раста h′
5,63 cm/нед.
h″
0,75
Пратите нагиб тангенте: до десете недеље расте, а онда опада. Ставите тачку на t=10t = 10: тангента тада сече криву, лево од превојне тачке крива је изнад тангенте, а десно испод.

У превојној тачки криве раста раст је најбржи, а после ње почиње да успорава, па је траже агрономи на кривама раста биљака, епидемиолози на кривама ширења заразе и економисти на кривама продаје.

Раст парадајза

Агроном раст парадајза описује моделом h(t)=30t2−t340h(t) = \frac{30t^2 - t^3}{40}, где је hh висина у центиметрима, а tt време у недељама, 0≤t≤200 \le t \le 20. Кад биљка најбрже расте? Нађите превојну тачку и тангенту у њој.

Решење

  1. Изводи су h′(t)=60t−3t240h'(t) = \frac{60t - 3t^2}{40} и h′′(t)=60−6t40h''(t) = \frac{60 - 6t}{40}.
  2. h′′(t)=0h''(t) = 0 за t=10t = 10. За t<10t < 10 је h′′(t)>0h''(t) > 0, а за t>10t > 10 је h′′(t)<0h''(t) < 0: други извод мења знак, па је t=10t = 10 превој.
  3. h(10)=3000−100040=50h(10) = \frac{3000 - 1000}{40} = 50, па је превојна тачка (10,50)(10, 50). Брзина раста h′h' ту има максимум: h′(10)=600−30040=7,5h'(10) = \frac{600 - 300}{40} = 7{,}5 cm недељно.
  4. Тангента у превојној тачки је y=50+7,5(t−10)y = 50 + 7{,}5(t - 10), тј. y=7,5t−25y = 7{,}5t - 25.

Одговор: Биљка најбрже расте у десетој недељи, 7,5 cm недељно, кад је висока 50 cm. Превојна тачка је (10,50)(10, 50), а тангента у њој y=7,5t−25y = 7{,}5t - 25.

Задатак за вежбу

Нађите превојну тачку функције f(x)=x3−6x2+5f(x) = x^3 - 6x^2 + 5 и једначину тангенте у њој.

Прикажи решење

f′′(x)=6x−12f''(x) = 6x - 12 мења знак у x=2x = 2, а f(2)=−11f(2) = -11, па је превојна тачка (2,−11)(2, -11). Како је f′(2)=12−24=−12f'(2) = 12 - 24 = -12, тангента је y=−11−12(x−2)y = -11 - 12(x - 2), тј. y=−12x+13y = -12x + 13.