Bài học Toán THPT - Giá Trị Lớn Nhất Và Giá Trị Nhỏ Nhất Của Hàm Số

📘 BÀI HỌC TOÁN 12: GIÁ TRỊ LỚN NHẤT VÀ GIÁ TRỊ NHỎ NHẤT CỦA HÀM SỐ

Sách giáo khoa Toán 12 - Kết nối tri thức với cuộc sống

1. Khái niệm Giá trị lớn nhất và Giá trị nhỏ nhất

Cho hàm số \(y = f(x)\) xác định trên tập hợp \(D\).

📌 Định nghĩa Giá trị lớn nhất (GTLN):

Số \(M\) được gọi là giá trị lớn nhất của hàm số \(y = f(x)\) trên tập \(D\) nếu:

  • \(f(x) \le M\) với mọi \(x \in D\).
  • Tồn tại ít nhất một điểm \(x_0 \in D\) sao cho \(f(x_0) = M\).

Ký hiệu: \(\max_{x \in D} f(x) = M\) hoặc \(\max_D f(x) = M\).

📌 Định nghĩa Giá trị nhỏ nhất (GTNN):

Số \(m\) được gọi là giá trị nhỏ nhất of hàm số \(y = f(x)\) trên tập \(D\) nếu:

  • \(f(x) \ge m\) với mọi \(x \in D\).
  • Tồn tại ít nhất một điểm \(x_0 \in D\) sao cho \(f(x_0) = m\).

Ký hiệu: \(\min_{x \in D} f(x) = m\) hoặc \(\min_D f(x) = m\).

⚠️ Lưu ý quan trọng:

Để khẳng định \(M\) là GTLN (hoặc \(m\) là GTNN), bắt buộc phải tìm được điểm \(x_0 \in D\) để dấu bằng xảy ra. Nếu chỉ có \(f(x) < M\) mà không tồn tại \(x_0\) sao cho \(f(x_0) = M\) thì hàm số không có GTLN trên \(D\).

2. Phương pháp tìm GTLN và GTNN của hàm số liên tục trên một Đoạn \([a; b]\)

Định lý đảm bảo rằng: Mọi hàm số liên tục trên đoạn \([a; b]\) đều có giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất trên đoạn đó.

📌 Quy tắc tìm GTLN, GTNN trên đoạn \([a; b]\) (Không cần lập BBT):
  1. Bước 1: Tìm các điểm \(x_1, x_2, \dots, x_n \in (a; b)\) mà tại đó \(f'(x) = 0\) hoặc đạo hàm không xác định.
  2. Bước 2: Tính các giá trị: \(f(a)\), \(f(b)\) và các giá trị \(f(x_1), f(x_2), \dots, f(x_n)\).
  3. Bước 3: So sánh các giá trị đã tính ở Bước 2.
    • Số lớn nhất trong các giá trị đó là \(\max_{[a; b]} f(x)\).
    • Số nhỏ nhất trong các giá trị đó là \(\min_{[a; b]} f(x)\).
💡 Mẹo nhỏ: Phương pháp này chỉ áp dụng cho ĐOẠN \([a; b]\). Nếu xét trên khoảng \((a; b)\) hoặc nửa khoảng thì bắt buộc phải dùng Bảng biến thiên.

3. Phương pháp tìm GTLN và GTNN trên Khoảng hoặc Tập xác định

Khi tìm GTLN, GTNN trên một khoảng \((a; b)\), nửa khoảng hoặc trên toàn tập xác định \(D\), ta áp dụng phương pháp lập bảng biến thiên.

Các bước thực hiện Nội dung chi tiết
Bước 1 Tính đạo hàm \(f'(x)\), tìm các điểm nghi vấn làm \(f'(x) = 0\) hoặc làm \(f'(x)\) không xác định.
Bước 2 Lập Bảng biến thiên của hàm số trên tập / khoảng cần xét.
Bước 3 Dựa vào Bảng biến thiên và giới hạn tại các đầu khoảng (nếu có) để kết luận GTLN, GTNN.
📌 Trường hợp đặc biệt (Chỉ có 1 cực trị):

Nếu hàm số \(y = f(x)\) liên tục trên khoảng \(K\) và chỉ có duy nhất một điểm cực trị \(x_0 \in K\):

  • Nếu \(x_0\) là điểm cực đại thì \(f(x_0)\) đồng thời là GTLN của hàm số trên \(K\).
  • Nếu \(x_0\) là điểm cực tiểu thì \(f(x_0)\) đồng thời là GTNN của hàm số trên \(K\).

4. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1 Tìm GTLN, GTNN của hàm số trên một Đoạn

Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của hàm số \(y = x^3 - 3x^2 - 9x + 2\) trên đoạn \([-2; 4]\).

Lời giải:

Hàm số liên tục trên đoạn \([-2; 4]\).

Tính đạo hàm: \(y' = 3x^2 - 6x - 9\).

Cho \(y' = 0 \Leftrightarrow 3(x^2 - 2x - 3) = 0 \Leftrightarrow \left[\begin{array}{l} x = -1 \in [-2; 4] \\ x = 3 \in [-2; 4] \end{array}\right.\)

Tính giá trị của hàm số tại các điểm đầu mot và các nghiệm thuộc đoạn:

  • \(f(-2) = (-2)^3 - 3(-2)^2 - 9(-2) + 2 = 0\)
  • \(f(-1) = (-1)^3 - 3(-1)^2 - 9(-1) + 2 = 7\)
  • \(f(3) = 3^3 - 3(3)^2 - 9(3) + 2 = -25\)
  • \(f(4) = 4^3 - 3(4)^2 - 9(4) + 2 = -14\)

So sánh các giá trị trên, ta có:

\[ \max_{[-2; 4]} y = 7 \quad \text{tại } x = -1 \] \[ \min_{[-2; 4]} y = -25 \quad \text{tại } x = 3 \]
Ví dụ 2 Tìm GTLN, GTNN của hàm số chứa Căn thức

Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của hàm số \(y = \sqrt{4 - x^2}\).

Lời giải:

Tập xác định: \(4 - x^2 \ge 0 \Leftrightarrow x \in [-2; 2]\).

Hàm số liên tục trên đoạn \([-2; 2]\).

Đạo hàm: \(y' = \displaystyle\frac{-2x}{2\sqrt{4 - x^2}} = \displaystyle\frac{-x}{\sqrt{4 - x^2}}\) với \(x \in (-2; 2)\).

Cho \(y' = 0 \Leftrightarrow x = 0 \in [-2; 2]\).

Tính các giá trị:

  • \(f(-2) = \sqrt{4 - (-2)^2} = 0\)
  • \(f(2) = \sqrt{4 - 2^2} = 0\)
  • \(f(0) = \sqrt{4 - 0^2} = 2\)

Vậy \(\max_{[-2; 2]} y = 2\) tại \(x = 0\) và \(\min_{[-2; 2]} y = 0\) tại \(x = \pm 2\).

Ví dụ 3 Bài toán Thực tế (Tối ưu hóa hình học)

Một tấm tôn hình vuông cạnh \(60\text{ cm}\). Người ta cắt bỏ bốn hình vuông bằng nhau ở bốn góc rồi gập lại để tạo thành một hộp không nắp. Tìm độ dài cạnh hình vuông bị cắt sao cho thể tích của hộp đạt giá trị lớn nhất.

Lời giải:

Gọi độ dài cạnh hình vuông bị cắt là \(x\text{ (cm)}\). Điều kiện: \(0 < x < 30\).

Khi đó, đáy của hộp là hình vuông có cạnh dài \(60 - 2x\text{ (cm)}\), chiều cao của hộp là \(x\text{ (cm)}\).

Thể tích khối hộp thu được là:

\[ V(x) = x(60 - 2x)^2 = 4x(30 - x)^2 = 4x(900 - 60x + x^2) = 4(x^3 - 60x^2 + 900x) \]

Xét hàm số \(V(x)\) trên khoảng \((0; 30)\):

\[ V'(x) = 4(3x^2 - 120x + 900) = 12(x^2 - 40x + 300) \]

Cho \(V'(x) = 0 \Leftrightarrow \left[\begin{array}{l} x = 10 \in (0; 30) \\ x = 30 \notin (0; 30) \end{array}\right.\)

Lập bảng biến thiên trên \((0; 30)\), ta thấy \(V'(x)\) đổi dấu từ dương sang âm khi qua \(x = 10\). Do đó hàm số đạt cực đại duy nhất tại \(x = 10\).

Vậy cạnh hình vuông bị cắt dài \(10\text{ cm}\) thì thể tích hộp đạt giá trị lớn nhất.

5. Luyện tập tự giải

Bài 1: Tìm GTLN và GTNN của các hàm số sau trên các đoạn chỉ ra:

a) \(y = x^4 - 2x^2 + 3\) trên đoạn \([-2; 2]\)

b) \(y = \displaystyle\frac{x + 1}{x - 2}\) trên đoạn \([3; 5]\)

c) \(y = x + \displaystyle\frac{4}{x}\) trên đoạn \([1; 3]\)

Bài 2: Tìm GTLN và GTNN của hàm số lượng giác \(y = \sin^2 x - 2\cos x + 2\) trên toàn tập xác định.
Bài 3: Một nhà sản xuất muốn thiết kế một chiếc lon hình trụ kín có thể tích \(1000\text{ cm}^3\). Tìm bán kính đáy \(r\) của lon sao cho diện tích toàn phần của chiếc lon là nhỏ nhất (giúp tiết kiệm nguyên liệu nhất).

6. Ghi nhớ & Tổng kết

🎯 So sánh Cực trị và Giá trị lớn nhất / nhỏ nhất:
  • Cực trị: Mang tính chất địa phương (chỉ xét trong một khoảng lân cận xung quanh điểm đó). Một hàm số có thể có nhiều điểm cực đại, cực tiểu.
  • GTLN / GTNN: Mang tính chất toàn cục (xét trên toàn bộ tập \(D\)). Hàm số trên một tập chỉ có tối đa một GTLN và một GTNN.
💡 Sơ đồ tư duy chọn phương pháp giải:
  • Trên đoạn \([a; b]\): Lập danh sách nghiệm \(y' = 0\) thuộc đoạn \(\rightarrow\) Tính các giá trị \(f(a), f(b), f(x_i)\) \(\rightarrow\) So sánh kết luận.
  • Trên khoảng \((a; b)\) / Tập xác định: Tính \(y'\) \(\rightarrow\) Lập Bảng biến thiên hoàn chỉnh \(\rightarrow\) Quan sát đỉnh cao nhất và đáy thấp nhất.