问题

函数 f(x)=x/2+√(x²-x+1) 的最小值怎么求?

回答
好的,我们来一起探讨如何求函数 $f(x) = frac{x}{2} + sqrt{x^2 x + 1}$ 的最小值。这个过程需要一些数学工具,我们会一步步来分析。

第一步:理解函数的定义域

在求函数的最小值之前,我们首先要确定函数可以使用的 $x$ 的取值范围,也就是函数的定义域。
对于 $sqrt{x^2 x + 1}$,我们需要确保根号里面的表达式是非负的,即:
$x^2 x + 1 ge 0$

我们可以通过计算二次三项式的判别式来判断它的根的情况。判别式 $Delta = b^2 4ac$。在这里,$a=1$, $b=1$, $c=1$。
$Delta = (1)^2 4 cdot 1 cdot 1 = 1 4 = 3$

由于判别式 $Delta < 0$,并且二次项系数 $a=1 > 0$,这意味着二次函数 $x^2 x + 1$ 的图像开口向上,且整个图像都在 $x$ 轴上方,即对于所有的实数 $x$,都有 $x^2 x + 1 > 0$。
所以,函数 $f(x)$ 的定义域是所有实数,即 $(infty, +infty)$。

第二步:利用导数寻找极值点

要求函数的最小值,一个常用的方法是利用导数。如果一个函数是可导的,并且在其定义域内存在极值,那么极值点通常出现在导数为零的地方。

我们先来计算函数 $f(x)$ 的导数 $f'(x)$。
$f(x) = frac{x}{2} + (x^2 x + 1)^{1/2}$

利用求导法则:
$(frac{x}{2})' = frac{1}{2}$

对于 $(x^2 x + 1)^{1/2}$,我们使用链式法则:
$frac{d}{dx}(u^{1/2}) = frac{1}{2}u^{1/2} cdot frac{du}{dx}$
其中 $u = x^2 x + 1$。
$frac{du}{dx} = frac{d}{dx}(x^2 x + 1) = 2x 1$

所以,$(x^2 x + 1)^{1/2}$ 的导数是:
$frac{1}{2}(x^2 x + 1)^{1/2} cdot (2x 1) = frac{2x 1}{2sqrt{x^2 x + 1}}$

将两部分相加,得到 $f'(x)$:
$f'(x) = frac{1}{2} + frac{2x 1}{2sqrt{x^2 x + 1}}$

为了找到可能的极值点,我们需要令 $f'(x) = 0$:
$frac{1}{2} + frac{2x 1}{2sqrt{x^2 x + 1}} = 0$

将 $frac{1}{2}$ 移到等号右边:
$frac{2x 1}{2sqrt{x^2 x + 1}} = frac{1}{2}$

两边同时乘以 $2$:
$frac{2x 1}{sqrt{x^2 x + 1}} = 1$

接下来,我们解这个方程。为了去掉根号,我们可以将两边平方。但是在平方之前,需要注意,平方可能会引入增根。因此,在平方前,我们应该保证等式两边符号一致。

观察等式 $frac{2x 1}{sqrt{x^2 x + 1}} = 1$:
因为 $sqrt{x^2 x + 1}$ 总是正的(因为 $x^2 x + 1 > 0$),所以等式左边的符号取决于 $2x 1$ 的符号。
为了使整个等式等于 $1$(负数),我们需要 $2x 1$ 是负数。
所以,在平方之前,我们有一个隐含的条件:$2x 1 < 0$,即 $x < frac{1}{2}$。

现在,我们可以平方两边了:
$(frac{2x 1}{sqrt{x^2 x + 1}})^2 = (1)^2$
$frac{(2x 1)^2}{x^2 x + 1} = 1$

展开 $(2x 1)^2$:
$4x^2 4x + 1 = x^2 x + 1$

将所有项移到等号左边:
$(4x^2 x^2) + (4x + x) + (1 1) = 0$
$3x^2 3x = 0$

因式分解:
$3x(x 1) = 0$

解出 $x$:
$3x = 0 implies x = 0$
$x 1 = 0 implies x = 1$

现在,我们回头检查我们之前推导出的隐含条件 $x < frac{1}{2}$。
在解得的 $x=0$ 和 $x=1$ 中,只有 $x=0$ 满足 $x < frac{1}{2}$。
因此,唯一可能的极值点是 $x=0$。

第三步:判断极值点的性质(最小值还是最大值)

我们已经找到了一个潜在的极值点 $x=0$。现在需要确定它是一个局部最小值还是局部最大值,或者既不是。一种方法是使用二阶导数检验,另一种方法是分析一阶导数的符号变化。考虑到我们是求最小值,并且函数的定义域是整个实数轴,如果 $x=0$ 是一个局部最小值,并且函数在 $x o pm infty$ 时趋于无穷,那么它就是全局最小值。

我们先来分析一阶导数 $f'(x) = frac{1}{2} + frac{2x 1}{2sqrt{x^2 x + 1}}$ 的符号。

情况 1:$x < 0$
如果我们取一个小于 $0$ 的值,例如 $x=1$:
$f'(1) = frac{1}{2} + frac{2(1) 1}{2sqrt{(1)^2 (1) + 1}} = frac{1}{2} + frac{3}{2sqrt{1 + 1 + 1}} = frac{1}{2} + frac{3}{2sqrt{3}} = frac{1}{2} frac{sqrt{3}}{2} = frac{1 sqrt{3}}{2}$
因为 $sqrt{3} approx 1.732$,所以 $1 sqrt{3} < 0$。
因此,$f'(1) < 0$。
这表明在 $x=0$ 的左侧,函数 $f(x)$ 是单调递减的。

情况 2:$0 < x < frac{1}{2}$
如果我们取一个在 $0$ 和 $frac{1}{2}$ 之间的值,例如 $x=frac{1}{4}$:
$f'(frac{1}{4}) = frac{1}{2} + frac{2(frac{1}{4}) 1}{2sqrt{(frac{1}{4})^2 frac{1}{4} + 1}} = frac{1}{2} + frac{frac{1}{2} 1}{2sqrt{frac{1}{16} frac{4}{16} + frac{16}{16}}} = frac{1}{2} + frac{frac{1}{2}}{2sqrt{frac{13}{16}}} = frac{1}{2} + frac{frac{1}{2}}{frac{sqrt{13}}{2}} = frac{1}{2} frac{1}{sqrt{13}}$
因为 $sqrt{13} approx 3.6$,所以 $frac{1}{sqrt{13}} approx frac{1}{3.6} < frac{1}{2}$。
因此,$f'(frac{1}{4}) > 0$。
这表明在 $x=0$ 的右侧(直到 $frac{1}{2}$),函数 $f(x)$ 是单调递增的。

由于函数在 $x=0$ 的左侧是递减的,在 $x=0$ 的右侧是递增的,所以 $x=0$ 是一个局部最小值点。

第三步的替代方法:分析函数的渐进行为

在考虑极值点的全局性时,我们还需要看看当 $x$ 趋向于无穷大或无穷小时函数的值如何变化。

当 $x o +infty$ 时:
$f(x) = frac{x}{2} + sqrt{x^2 x + 1}$
$sqrt{x^2 x + 1} = sqrt{x^2(1 frac{1}{x} + frac{1}{x^2})} = |x|sqrt{1 frac{1}{x} + frac{1}{x^2}}$
当 $x o +infty$ 时,$|x| = x$。
$sqrt{x^2 x + 1} approx xsqrt{1 frac{1}{x}} approx x(1 frac{1}{2x}) = x frac{1}{2}$ (使用二项式展开 $(1+u)^n approx 1+nu$ 当 $|u|$ 很小时)
所以,$f(x) approx frac{x}{2} + (x frac{1}{2}) = frac{3x}{2} frac{1}{2}$。
当 $x o +infty$ 时,$f(x) o +infty$。

当 $x o infty$ 时:
$sqrt{x^2 x + 1} = |x|sqrt{1 frac{1}{x} + frac{1}{x^2}}$
当 $x o infty$ 时,$|x| = x$。
$sqrt{x^2 x + 1} approx xsqrt{1 frac{1}{x}} approx x(1 frac{1}{2x}) = x + frac{1}{2}$
所以,$f(x) approx frac{x}{2} + (x + frac{1}{2}) = frac{x}{2} + frac{1}{2}$。
当 $x o infty$ 时,$f(x) o +infty$。

由于函数在定义域的两端都趋于无穷大,而我们找到了一个局部最小值点,那么这个局部最小值点就一定是全局最小值点。

第四步:计算最小值

我们已经确定 $x=0$ 是最小值点。现在将 $x=0$ 代入原函数 $f(x)$ 来计算最小值:
$f(0) = frac{0}{2} + sqrt{0^2 0 + 1} = 0 + sqrt{1} = 1$

所以,函数 $f(x) = frac{x}{2} + sqrt{x^2 x + 1}$ 的最小值是 $1$。

总结一下整个过程:

1. 确定定义域: 检查根号下的表达式 $x^2 x + 1$,发现它恒大于零,所以定义域是 $(infty, +infty)$。
2. 求导数: 计算 $f'(x) = frac{1}{2} + frac{2x 1}{2sqrt{x^2 x + 1}}$。
3. 找驻点: 令 $f'(x) = 0$,解得 $x=0$ 是唯一的驻点(需要注意平方过程中引入的隐含条件 $x < frac{1}{2}$)。
4. 判断极值性质: 通过分析 $f'(x)$ 在 $x=0$ 附近的符号变化,发现 $f'(x)$ 从负号变为正号,所以 $x=0$ 是一个局部最小值点。同时,分析函数的渐进行为,发现函数在两端都趋向于正无穷,因此局部最小值就是全局最小值。
5. 计算最小值: 将 $x=0$ 代入原函数,得到 $f(0) = 1$。

这就是求解函数最小值详细的步骤和思考过程。

网友意见

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如果只用初中知识,

那么把函数复制粘贴到

网站上就能看出来


       https://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+f%28x%29%EF%BC%9Dx%2F2%EF%BC%8B%E2%88%9A%28x%C2%B2%EF%BC%8Dx%EF%BC%8B1%29     




或者编程让程序画出来, 简单粗暴

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由柯西有

当 x=0 时取等。

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设 ,于是

显然最小值在 时在表达式 取到。

而上面表达式在 等价 在区间的 最小值

由于

所以最小值在 时取到1,这时x=0

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根据Aczel不等式:

所以 。当 时等号成立。

Aczel不等式:设 为实数, 。则 。等号成立当且仅当 。

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