4.8
Globale ekstremalpunkter og optimering

4.8 Globale ekstremalpunkter og optimering

Finne absolutte maksimums- og minimumsverdier på lukkede intervaller og løse praktiske optimeringsproblemer.

90 min
18 oppgaver
Globale ekstremalpunkterEkstremalverdisetningenOptimeringsproblemerØkonomisk optimering
Du leser den tradisjonelle versjonen
Din fremgang i kapitlet
0 / 18 oppgaver
Kapitlets plass i kurset

Lokale vs. globale ekstremalpunkter

Lokalt ekstremalpunkt: Høyeste/laveste verdi i et lite område rundt punktet.

Globalt (absolutt) ekstremalpunkt: Høyeste/laveste verdi i hele definisjonsområdet.

Viktig: Et lokalt maksimum trenger ikke være et globalt maksimum!

Eksempel: For f(x)=x3−3xf(x) = x^3 - 3x på [−2,3][-2, 3]:
- Lokalt maksimum i x=−1x = -1: f(−1)=2f(-1) = 2
- Lokalt minimum i x=1x = 1: f(1)=−2f(1) = -2
- Men hva er det globale maksimum? Vi må også sjekke endepunktene: f(−2)=−2f(-2) = -2 og f(3)=18f(3) = 18. Siden f(3)=18>f(−1)=2f(3) = 18 > f(-1) = 2, ligger det globale maksimumet i endepunktet x=3x = 3.

Ekstremalverdisetningen

Hvis ff er kontinuerlig på et lukket intervall [a,b][a, b], så har ff både et globalt maksimum og et globalt minimum på dette intervallet.

Hvor kan ekstremalpunktene ligge?
1. I stasjonære punkter (der f′(x)=0f'(x) = 0)
2. I endepunktene (x=ax = a eller x=bx = b)
3. Der f′(x)f'(x) ikke eksisterer

Merk: På åpne intervaller eller for diskontinuerlige funksjoner trenger ikke globale ekstremalpunkter å eksistere!

Metode for å finne globale ekstremalpunkter
For en kontinuerlig funksjon ff på [a,b][a, b]:

Finn alle kritiske punkter
- Løs f′(x)=0f'(x) = 0
- Finn der f′(x)f'(x) ikke eksisterer

Regn ut f(x)f(x) i alle kandidatpunkter
- I hvert kritiske punkt innenfor ⟨a,b⟩\langle a, b \rangle
- I endepunktene x=ax = a og x=bx = b

Sammenlign verdiene
- Størst verdi = globalt maksimum
- Minst verdi = globalt minimum

✏️Eksempel 1: Polynom på lukket intervall

Finn globalt maksimum og minimum for f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1 på [−2,2][-2, 2].

Finn kritiske punkter
f′(x)=3x2−3=3(x2−1)=3(x−1)(x+1)f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x^2 - 1) = 3(x-1)(x+1)
f′(x)=0f'(x) = 0 når x=−1x = -1 eller x=1x = 1

Begge er innenfor ⟨−2,2⟩\langle -2, 2 \rangle ✓

Beregn funksjonsverdier

xxf(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1
−2-2 (endepunkt)−8+6+1=−1-8 + 6 + 1 = -1
−1-1 (kritisk)−1+3+1=3-1 + 3 + 1 = 3
11 (kritisk)1−3+1=−11 - 3 + 1 = -1
22 (endepunkt)8−6+1=38 - 6 + 1 = 3

Sammenlign
- Globalt maksimum: f(−1)=f(2)=3f(-1) = f(2) = 3
- Globalt minimum: f(−2)=f(1)=−1f(-2) = f(1) = -1
Svar: Globalt maks er 3 (i x=−1x = -1 og x=2x = 2), globalt min er −1-1 (i x=−2x = -2 og x=1x = 1).
✏️Eksempel 2: Optimeringsproblem

En bonde har 200 meter gjerde og vil lage en rektangulær innhegning mot en elv (trenger ikke gjerde langs elven). Hva er det største arealet han kan få?

Sett opp problemet:
La xx = lengde parallelt med elven, yy = bredde.

Begrensning: x+2y=200x + 2y = 200 (gjerde på tre sider)
Så x=200−2yx = 200 - 2y

Areal: A=xy=(200−2y)y=200y−2y2A = xy = (200 - 2y)y = 200y - 2y^2

Hva er definisjonsmengden?
Siden x≥0x \geq 0 og y≥0y \geq 0, må 0≤y≤1000 \leq y \leq 100. Vi tar med endepunktene (arealet 00) slik at AA er kontinuerlig på det lukkede intervallet [0,100][0, 100].

Finn kritiske punkter:
A′(y)=200−4y=0A'(y) = 200 - 4y = 0
y=50y = 50 m

Beregn funksjonsverdier:

yyA(y)A(y)
0000
5050200(50)−2(2500)=5000200(50) - 2(2500) = 5000
10010000

x=200−2⋅50=100x = 200 - 2 \cdot 50 = 100
Svar: Maksimalt areal er 5000 m25000 \text{ m}^2 når y=50y = 50 m og x=100x = 100 m.
✏️Eksempel 3: Funksjon med ikke-deriverbart punkt

Finn globale ekstremalpunkter for f(x)=∣x−1∣+2xf(x) = |x - 1| + 2x på [−1,3][-1, 3].

Skriv om funksjonen:
f(x)={−(x−1)+2x=x+1hvis x<1(x−1)+2x=3x−1hvis x≥1f(x) = \begin{cases} -(x-1) + 2x = x + 1 & \text{hvis } x < 1 \\ (x-1) + 2x = 3x - 1 & \text{hvis } x \geq 1 \end{cases}

Kritiske punkter:
- For x<1x < 1: f′(x)=1≠0f'(x) = 1 \neq 0 (ingen stasjonære punkter)
- For x>1x > 1: f′(x)=3≠0f'(x) = 3 \neq 0 (ingen stasjonære punkter)
- I x=1x = 1: f′(x)f'(x) eksisterer ikke (knekk)

Kandidatpunkter: x=−1,1,3x = -1, 1, 3

Beregn funksjonsverdier:

xxf(x)f(x)
−1-12+(−2)=02 + (-2) = 0
110+2=20 + 2 = 2
332+6=82 + 6 = 8

Svar: Globalt minimum er 00 i x=−1x = -1. Globalt maksimum er 88 i x=3x = 3.
📝Oppgave 1

Finn globalt maksimum og minimum.

a
f(x)=x2−4x+3f(x) = x^2 - 4x + 3 på [0,4][0, 4]
b
f(x)=x3−6x2+9xf(x) = x^3 - 6x^2 + 9x på [0,4][0, 4]
c
f(x)=xx2+1\displaystyle f(x) = \frac{x}{x^2 + 1} på [−2,2][-2, 2]
📝Oppgave 2

Optimeringsproblemer.

a

En åpen boks skal lages av et 12×12 cm ark ved å klippe like kvadrater fra hjørnene og brette opp. Hva er det maksimale volumet?

b

Finn det punktet på kurven y=xy = \sqrt{x} som ligger nærmest punktet (3,0)(3, 0).

Løs oppgaven
✏️Eksempel 4: Praktisk optimering – sylindrisk boks

En sylindrisk boks (uten lokk) skal ha volum 500 cm3500 \text{ cm}^3. Finn dimensjonene som minimerer materialforbruket (overflatearealet).

Sett opp variablene:
La rr = radius og hh = høyde.

Overflateareal (bunn + sideflate, uten lokk):
A=πr2+2πrhA = \pi r^2 + 2\pi r h

Volumbetingelse:
πr2h=500⇒h=500πr2\pi r^2 h = 500 \quad \Rightarrow \quad h = \frac{500}{\pi r^2}

Sett inn for hh:
A(r)=πr2+2πr⋅500πr2=πr2+1000rA(r) = \pi r^2 + 2\pi r \cdot \frac{500}{\pi r^2} = \pi r^2 + \frac{1000}{r}

Definisjonsområde: r>0r > 0

Deriver og sett lik null:
A′(r)=2πr−1000r2=0A'(r) = 2\pi r - \frac{1000}{r^2} = 0
2πr=1000r22\pi r = \frac{1000}{r^2}
r3=10002π=500πr^3 = \frac{1000}{2\pi} = \frac{500}{\pi}
r=500π3≈5,42 cmr = \sqrt[3]{\frac{500}{\pi}} \approx 5{,}42 \text{ cm}

Kontroller med dobbeltderiverten:
A′′(r)=2π+2000r3A''(r) = 2\pi + \frac{2000}{r^3}
A′′(r)>0A''(r) > 0 for alle r>0r > 0, så dette er et minimum.

Finn høyden:
h=500πr2=500π⋅(500π)2/3≈5,42 cmh = \frac{500}{\pi r^2} = \frac{500}{\pi \cdot \left(\frac{500}{\pi}\right)^{2/3}} \approx 5{,}42 \text{ cm}

Svar: Minst materialforbruk når r≈5,42r \approx 5{,}42 cm og h≈5,42h \approx 5{,}42 cm. Høyden er lik radien, så boksen er dobbelt så bred (diameter 2r≈10,82r \approx 10{,}8 cm) som den er høy.

Gjør dette i GeoGebra

Utforsk globale og lokale ekstremalpunkter

Dra i endepunktene for å se hvordan globale ekstremalpunkter endres.

Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:

f(x) = x^3 - 3x
a = Slider(-5, 0, 0.1)
b = Slider(0, 5, 0.1)
SetValue(a, -2)
SetValue(b, 3)
A = (a, f(a))
B = (b, f(b))
K1 = (-1, f(-1))
K2 = (1, f(1))

Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.

Åpne GeoGebra(åpnes i ny fane)
📝Oppgave 3

Finn globalt maksimum og minimum.

a
f(x)=e−x⋅xf(x) = e^{-x} \cdot x på [0,5][0, 5]
b
f(x)=x−2ln⁡xf(x) = x - 2\ln x på [1,e2][1, e^2]
c
f(x)=ln⁡x−xf(x) = \ln x - x på [0,1, 10][0{,}1, \, 10]
📝Oppgave 4

Praktiske optimeringsproblemer.

a

En bedrift selger xx enheter til pris p=200−2xp = 200 - 2x kr. Kostnaden er K(x)=500+40xK(x) = 500 + 40x. Finn antall enheter som gir størst fortjeneste.

b

Et rektangulært akvarium (med åpen topp) skal ha volum 32 liter. Bunnen er kvadratisk. Finn dimensjonene som minimerer glassforbruket (overflatearealet).

Løs oppgaven

Optimering i praksis

Mange praktiske problemer handler om å finne den beste løsningen: størst volum, minst materialbruk, høyest fortjeneste, kortest reisetid. Derivasjon gir oss et kraftig verktøy for å løse slike problemer systematisk.

Systematisk fremgangsmåte:

Forstå problemet
Les oppgaven nøye. Tegn en figur. Identifiser hva som skal optimeres og hvilke begrensninger som gjelder.

Innfør variable
La xx betegne den ukjente størrelsen. Uttrykk målfunksjonen f(x)f(x) (det vi vil optimere) og finn definisjonsmengden.

Deriver og finn kritiske punkter
Sett f′(x)=0f'(x) = 0 og løs. Sjekk også endepunktene av definisjonsmengden.

Klassifiser
Bruk fortegnsskjema for f′(x)f'(x), dobbeltderivert-testen, eller sammenlign funksjonsverdier i kritiske punkter og endepunkter.

Svar
Gi svaret med riktig enhet og sjekk at det er rimelig.

✏️Eksempel 5: Åpen boks

Fra et rektangulært ark papp med mål 20 cm×30 cm20 \text{ cm} \times 30 \text{ cm} skal vi lage en åpen boks ved å klippe ut like store kvadrater fra hjørnene og brette opp kantene. Hvilken størrelse på kvadratene gir størst mulig volum?

Løsning:

La xx cm være sidelengden til kvadratene som klippes ut. Da får boksen:
- Lengde: 30−2x30 - 2x
- Bredde: 20−2x20 - 2x
- Høyde: xx

Volumet er:
V(x)=x(30−2x)(20−2x)=4x3−100x2+600xV(x) = x(30 - 2x)(20 - 2x) = 4x^3 - 100x^2 + 600x

Definisjonsmengde: 0<x<100 < x < 10 (bredden må være positiv).

V′(x)=12x2−200x+600=4(3x2−50x+150)=0V'(x) = 12x^2 - 200x + 600 = 4(3x^2 - 50x + 150) = 0

x=50±2500−18006=50±7006≈50±26,466\begin{aligned} x &= \frac{50 \pm \sqrt{2500 - 1800}}{6} \\ &= \frac{50 \pm \sqrt{700}}{6} \\ &\approx \frac{50 \pm 26{,}46}{6} \end{aligned}

x1≈3,92x_1 \approx 3{,}92 cm (gyldig) eller x2≈12,74x_2 \approx 12{,}74 cm (utenfor [0,10][0, 10]).

V′′(x)=24x−200V''(x) = 24x - 200. V′′(3,92)=24⋅3,92−200≈−105,9<0V''(3{,}92) = 24 \cdot 3{,}92 - 200 \approx -105{,}9 < 0 (maksimum).

V(3,92)≈3,92⋅22,16⋅12,16≈1056V(3{,}92) \approx 3{,}92 \cdot 22{,}16 \cdot 12{,}16 \approx 1056 cm3^3.

Svar: Kvadratene bør ha side omtrent 3,93{,}9 cm. Da blir volumet omtrent 10561056 cm3^3.

📝Oppgave 5

En bonde vil lage to like store, sammenhengende rektangulære innhegninger med totalt 300 m gjerde. Finn dimensjonene som gir størst totalt areal.

✏️Eksempel 6: Optimal sylinder

En lukket sylindrisk boks skal ha volum 11 liter (10001000 cm3^3). Finn radius og høyde som gir minst mulig overflate (materialbruk).

Løsning:

La rr være radius og hh høyde. Volumkravet gir:
πr2h=1000⇒h=1000πr2\pi r^2 h = 1000 \quad \Rightarrow \quad h = \frac{1000}{\pi r^2}

Overflaten er:
S(r)=2πr2+2πrh=2πr2+2πr⋅1000πr2=2πr2+2000r\begin{aligned} S(r) &= 2\pi r^2 + 2\pi r h \\ &= 2\pi r^2 + 2\pi r \cdot \frac{1000}{\pi r^2} \\ &= 2\pi r^2 + \frac{2000}{r} \end{aligned}

Definisjonsmengde: r>0r > 0.


S′(r)=4πr−2000r2=0⇒4πr3=2000⇒r=500π3≈5,42 cm\begin{aligned} &S'(r) = 4\pi r - \frac{2000}{r^2} = 0 \\ \Rightarrow {}&4\pi r^3 = 2000 \\ \Rightarrow {}&r = \sqrt[3]{\frac{500}{\pi}} \approx 5{,}42 \text{ cm} \end{aligned}

S′′(r)=4π+4000r3>0\displaystyle S''(r) = 4\pi + \frac{4000}{r^3} > 0 for alle r>0r > 0, så dette er et minimum.

h=1000π⋅5,422≈10,84\displaystyle h = \frac{1000}{\pi \cdot 5{,}42^2} \approx 10{,}84 cm.

Svar: Radius r≈5,42r \approx 5{,}42 cm og høyde h≈10,84h \approx 10{,}84 cm. Høyden er lik diameteren, h=2rh = 2r.

📝Oppgave 6

Et rektangel er innskrevet i en halvsirkel med radius r=10r = 10. Bunnlinjen ligger langs diameteren. Finn det rektangelet som har størst areal.

✏️Eksempel 7: Økonomisk optimering

Et firma produserer xx enheter per dag. Kostnadsfunksjonen er K(x)=0,01x3−0,6x2+15x+200K(x) = 0{,}01x^3 - 0{,}6x^2 + 15x + 200 (kroner) og salgsprisen er 5050 kr per enhet.

a) Finn fortjenestefunksjonen.
b) Hvor mange enheter gir størst fortjeneste?
c) Hva er den største fortjenesten?

Løsning:

a) Inntekt: I(x)=50xI(x) = 50x. Fortjeneste:
F(x)=I(x)−K(x)=50x−0,01x3+0,6x2−15x−200=−0,01x3+0,6x2+35x−200\begin{aligned} F(x) &= I(x) - K(x) \\ &= 50x - 0{,}01x^3 + 0{,}6x^2 - 15x - 200 \\ &= -0{,}01x^3 + 0{,}6x^2 + 35x - 200 \end{aligned}

b) F′(x)=−0,03x2+1,2x+35=0F'(x) = -0{,}03x^2 + 1{,}2x + 35 = 0

x=−1,2±1,44+4,2−0,06=−1,2±5,64−0,06x = \frac{-1{,}2 \pm \sqrt{1{,}44 + 4{,}2}}{-0{,}06} = \frac{-1{,}2 \pm \sqrt{5{,}64}}{-0{,}06}

x=−1,2−5,64−0,06≈59,6eller  x=−1,2+5,64−0,06≈−19,6\begin{aligned} &x = \frac{-1{,}2 - \sqrt{5{,}64}}{-0{,}06} \approx 59{,}6 \\ &\text{eller}\; x = \frac{-1{,}2 + \sqrt{5{,}64}}{-0{,}06} \\ \approx {}&-19{,}6 \end{aligned}

Bare x≈59,6x \approx 59{,}6 er aktuell. F′′(x)=−0,06x+1,2F''(x) = -0{,}06x + 1{,}2 og F′′(59,6)<0F''(59{,}6) < 0, så dette er et toppunkt. Antall enheter er et helt tall:
F(59)=1899,81F(60)=1900F(59) = 1899{,}81 \qquad F(60) = 1900

Svar: b) 6060 enheter per dag gir størst fortjeneste.

c) F(60)=−0,01⋅216 000+0,6⋅3600+35⋅60−200=−2160+2160+2100−200=1900\begin{aligned} F(60) &= -0{,}01 \cdot 216\,000 + 0{,}6 \cdot 3600 \\ &\quad {} + 35 \cdot 60 - 200 \\ &= -2160 + 2160 + 2100 - 200 \\ &= 1900 \end{aligned}

Svar: c) Den største fortjenesten er 19001900 kr per dag.

📝Oppgave 7

Økonomisk optimering.

a

Et firma har kostnadsfunksjonen K(x)=2x2+100x+5000K(x) = 2x^2 + 100x + 5000 og inntektsfunksjonen I(x)=500x−x2I(x) = 500x - x^2. Finn produksjonen som gir størst fortjeneste.

b

Hva er grensekostnaden når x=67x = 67? Hva er grenseinntekten?

Løs oppgaven
📝Oppgave 8

Finn det punktet på parabelen y=x2y = x^2 som har kortest avstand til punktet (3,0)(3, 0).

📝Oppgave 9

En kjegle skal innskrives i en kule med radius RR. Finn kjeglen med størst volum.

Oppsummering

Ekstremalverdisetningen:
Kontinuerlig funksjon på lukket intervall har alltid globalt maks og min.

Metode:
1. Finn kritiske punkter (f′(x)=0f'(x) = 0 eller f′f' eksisterer ikke)
2. Beregn ff i kritiske punkter og endepunkter
3. Sammenlign verdiene

Kandidatpunkter:
- Stasjonære punkter
- Knekkpunkter
- Endepunkter

Optimeringsproblemer:
1. Sett opp funksjonen
2. Finn naturlig definisjonsområde
3. Bruk metoden over

Optimering i praksis:
- Geometriske problemer: Bruk geometriske sammenhenger (Pytagoras, formler for areal/volum) til å sette opp målfunksjonen
- Økonomiske problemer: Fortjeneste = inntekt −- kostnad, optimer ved F′(x)=0F'(x) = 0
- Verifiser med dobbeltderiverten eller fortegnsskjema

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0deloppgaver0 / 9 oppgaver

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.