background image

5. Badanie funkcji 

 
5.1. Asymptoty 
 
Asymptota pionowa lewostronna (rys. 5.1) 

 

Prosta x = a jest asymptotą pionową lewostronną funkcji f(x), jeżeli 
 

−∞

=

)

(

lim

x

f

a

x

 lub 

=

)

(

lim

x

f

a

x

 

 

 

Rys. 5.1. Asymptoty pionowe lewostronne funkcji f(x

 
 

Asymptota pionowa prawostronna (rys. 5.2) 

 

Prosta x = a jest asymptotą pionową prawostronną funkcji f(x), jeżeli 
 

−∞

=

+

)

(

lim

x

f

a

x

 lub 

=

+

)

(

lim

x

f

a

x

 

 

 

 

 

Rys. 5.2. Asymptoty pionowe prawostronne funkcji f(x) 

 
 

background image

 

Asymptoty pionowe obustronne (rys. 5.3) 

 

Prosta x = a jest asymptotą pionową obustronną funkcji f(x), jeżeli jest jednocześnie asympto-
tą lewostronną i prawostronną. 
 

 

 

 

 

Rys. 5.3. Asymptoty pionowe obustronne funkcji f(x

 

Asymptoty poziome (rys. 5.4) 
 
Prosta y = B jest asymptotą pozioma funkcji f(x) w ∞ jeżeli  
 

B

x

f

x

=

)

(

lim

 

 

 

Rys. 5.4. Asymptoty poziome funkcji f(x) w ∞ 

background image

 

Prosta y = B jest asymptotą poziomą funkcji f(x) w –∞ jeżeli  
 

B

x

f

x

=

−∞

)

(

lim

 

Asymptoty ukośne (rys. 5.5) 
 
Prosta 

B

Ax

y

+

=

 jest asymptotą ukośną funkcji f(x) w ∞ jeżeli  

 
                                                        

[

]

0

)

(

)

(

lim

=

+

B

Ax

x

f

x

.                                              (5.1) 

 

To  znaczy,  że  prosta 

B

Ax

y

+

=

  jest  asymptotą  ukośną  funkcji  f(x)  w  ∞  jeżeli  funkcję  f(x

można przedstawić w postaci  
 
                                                           

)

(

)

(

x

B

Ax

x

f

ϕ

+

+

=

,                                                (5.2) 

 

gdzie 

0

)

(

lim

=

x

x

ϕ

. Można zatem powiedzieć, że dla dostatecznie dużych argumentów x wy-

kres funkcji f(x) dowolnie mało różni się od wykresu linii prostej (rys. 5.5).  
 

 

 

 

Rys. 5.5. Asymptoty ukośne funkcji f(x) w ∞ 

 

Asymptotę  ukośną  funkcji  f(x)  w  –∞  definiuje  się  analogicznie  zastępując  we  wzorach  nie-
skończoność ∞ przez nieskończoność  –∞. 

 

Współczynniki B asymptoty można wyznaczyć z równań (5.1) i (5.2): 
 

x

x

f

A

x

)

(

lim

=

,            

[

]

Ax

x

f

B

x

=

)

(

lim

 

5.2. Punkty przegięcia 
 
Funkcję f(x) nazywamy 

wypukłą w dół w przedziale (ab), jeżeli każda sieczna w (ab) leży 

wyżej niż część wykresu między punktami, przez które przechodzi sieczna. 
 
Funkcję f(x) nazywamy 

wypukłą w górę w przedziale (ab), jeżeli każda sieczna w (ab

leży niżej niż część wykresu między punktami, przez które przechodzi sieczna (rys. 5.6). 
 
Niech

 

funkcja f(x) będzie określona i dwukrotnie różniczkowalna

 

w przedziale (ab). 

 

background image

 

 

 

                        Funkcja wypukła w dół                                                 Funkcja wypukła w górę 

 

Rys. 5.6. Funkcje wypukłe 

 

Jeżeli w przedziale (ab) funkcja spełnia warunek 

)

(x

f

′′

> 0, to funkcja jest wypukła w dół. 

 

Jeżeli w przedziale (ab) funkcja spełnia warunek 

)

(x

f

′′

< 0, to funkcja jest wypukła w górę. 

 
Punkt  x

0

  wykresu  funkcji  nazywa  się 

punktem  przegięcia,  jeżeli  w  punkcie  x

0

  funkcja  ma 

styczną i zmienia w tym punkcie rodzaj wypukłości (rys. 5.7). 
 

 

 

Rys. 5.7. Wykresy funkcji: a), b), c) z punktami przegięcia, d) bez punktu przegięcia 

 

Jeżeli x

0

 jest punktem przegięcia funkcji f(x), to ′′(x) = 0. 

 
Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe. 
 
 
 
 
 
 

background image

 

5.3. Wykresy funkcji elementarnych 
 
 

               

 

 

 

 
 

 

background image

 

 
 

 

 
 
 

background image

 

 

 

 

5.4. Przykłady badania przebiegu zmienności funkcji 
 
Przykład 1. Zbadać przebieg zmienności funkcji 
 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

 

Rozwiązanie 

 

1. Dziedzina funkcji.  Funkcja jest określona dla wszystkich wartości rzeczywistych 

R

x

 

2. Miejsca zerowe. Wyznaczamy punkty, w których spełnione jest równanie  

 

0

2

9

3

)

(

2

3

=

+

=

x

x

x

x

f

 

Pierwiastków  całkowitych  wielomianu 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

  szukamy  wśród  podzielni-

ków  całkowitych  wyrazu  wolnego  –2.  Metodą  prób  znajdujemy  pierwiastek  x

1

  =  2,  gdyż 

0

)

2

(

=

f

Aby  znaleźć  kolejne  pierwiastki  należy  podzielić  wielomian 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

  przez 

czynnik x – 2 

 

1

5

)

2

(

:

)

2

9

3

(

2

2

3

+

+

=

+

x

x

x

x

x

x

Stąd 

 

)

1

5

)(

2

(

)

2

9

3

(

2

2

3

+

+

=

+

x

x

x

x

x

x

.

 

 

Pozostałe pierwiastki obliczamy z równania

 

 

0

1

5

2

=

+

+

x

x

background image

 

Rozwiązaniami równania 

0

1

5

2

=

+

+

x

x

są liczby: 

 

8

,

4

2

21

5

2

=

x

      oraz        

2

,

0

2

21

5

3

+

=

x

 

Wielomian 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

 można zatem rozłożyć na czynniki: 

 

)

2

,

0

)(

8

,

4

)(

2

(

)

)(

)(

(

2

9

3

)

(

3

2

1

2

3

+

+

=

+

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

 

3. Ekstrema lokalne. Obliczamy pochodną wielomianu 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

 

 

9

6

3

)

(

2

+

=

x

x

x

f

 

Ekstrema lokalne występują w punktach zerowych pochodnej 

9

6

3

)

(

2

+

=

x

x

x

f

.  

Po rozwiązaniu równania 

0

9

6

3

2

=

+

x

x

 otrzymuje się 

 

3

01

=

x

    oraz    

1

02

=

x

 

Pochodną 

9

6

3

)

(

2

+

=

x

x

x

f

 można rozłożyć na czynniki  

 

)

1

)(

3

(

)

)(

(

9

6

3

)

(

02

01

2

+

=

=

+

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

 

 

W punkcie 

3

01

=

x

 występuje maksimum lokalne, gdyż z lewej strony punktu 

3

01

=

x

 po-

chodna jest dodatnia, a z prawej strony jest ujemna.  

 

W punkcie 

1

02

=

x

 występuje maksimum lokalne, gdyż z lewej strony punktu 

1

02

=

x

 pochod-

na jest ujemna, a z prawej strony jest dodatnia. 
 
To samo można wywnioskować badając znak drugiej pochodnej 
 

6

6

)

(

+

=

′′

x

x

f

 

W punkcie 

3

01

=

x

 mamy 

12

)

3

(

=

′′

f

 < 0, zatem w punkcie 

3

01

=

x

 jest maksimum lo-

kalne, a w punkcie 

1

02

=

x

 mamy 

12

)

1

(

=

′′

f

 > 0, zatem w punkcie 

1

02

=

x

 jest minimum lo-

kalne. 
Maksimum lokalne jest równe 

25

2

)

3

(

9

)

3

(

3

)

3

(

)

3

(

2

3

max

=

+

=

=

f

f

.

 

 

Minimum lokalne jest równe 

7

2

)

1

(

9

)

1

(

3

)

1

(

)

1

(

2

3

min

=

+

=

=

f

f

 

 
4.  Punkty  przegięcia.  Punkt  przegięcia  może  wystąpić  w  miejscu  zerowania  się  drugiej  po-
chodnej 

0

6

6

)

(

03

03

=

+

=

′′

x

x

f

, tj. w punkcie x

03

 = –1.  

Wartość funkcji w punkcie x

03

 = –1 jest równa 

9

2

)

1

(

9

)

1

(

3

)

1

(

)

1

(

2

3

=

+

=

f

 

 
5. Asymptoty – nie występują 
 

background image

 

Tabela przebiegu zmienności funkcji 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

 

 

–∞  ...  –3  ...  –1  ... 

...  +∞ 

)

(x

f

′′

  –∞  – 

– 

– 

+  +∞ 

)

(x

f

  +∞  + 

– 

– 

– 

+  +∞ 

)

(x

f

  –∞  ↑  25  ↓ 

  –7  ↑  +∞ 

 

Na  podstawie  tabeli  można  sporządzić  wykres  funkcji 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

,  który  jest 

przedstawiony na rysunku poniżej.  

 

 

 

Wykres funkcji 

2

9

3

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

f

 

 

Przykład  2.  Zbadać  przebieg  zmienności  funkcji  homograficznej  (iloraz  dwóch  funkcji  li-
niowych) 
 

1

3

2

)

(

+

=

x

x

x

f

Rozwiązanie 

 

1. Dziedzina funkcji.  Funkcja jest określona dla wszystkich wartości rzeczywistych 

R

x

 z 

wyjątkiem wartości x = –1.  

 

2. Miejsca zerowe. Wyznaczamy punkt, w którym zeruje się licznik 

0

3

2

=

x

, tj. x = 

2

3

.  

3. Ekstrema lokalne. Obliczamy pochodną wielomianu 

1

3

2

)

(

+

=

x

x

x

f

 

 

2

2

)

1

(

5

)

1

(

)

3

2

(

1

)

1

(

2

)

(

+

=

+

+

=

x

x

x

x

x

f

 > 0. 

 

Ponieważ pochodna jest większa od zera dla wszystkich x, zatem nie występują ekstrema lo-
kalne. Funkcja jest rosnąca dla wszystkich x, w których jest określona. 

 

4. Punkty przegięcia. Druga pochodna funkcji jest równa

 

 

3

)

1

(

10

)

(

+

=

′′

x

x

f

< 0, 

f(x

x 

background image

 

10 

zatem jest mniejsza od zera we wszystkich punktach określoności. Punkty przegięcia nie wy-
stępują. 
 
5. Asymptoty pionowe. Punkt x = 1 jest punktem nieciągłości funkcji. W tym punkcie warto-
ś

ci  funkcji  dążą  do  +∞  z  lewej  strony  oraz  do  –∞  z  prawej  strony,  zatem  w  punkcie 

x = 1 występuje asymptota pionowa obustronna. 
 
6. Asymptoty poziome. 
 
 Obliczamy granice 

2

1

2

lim

1

1

3

2

lim

1

3

2

lim

=

=

+

=

+

=

−∞

−∞

−∞

x

x

x

x

x

x

x

 

2

1

2

lim

1

1

3

2

lim

1

3

2

lim

=

=

+

=

+

=

+∞

+∞

+∞

x

x

x

x

x

x

x

,  

 

zatem prosta y(x) = 2 jest asymptotą poziomą funkcji 

1

3

2

)

(

+

=

x

x

x

f

  
 

Tabela przebiegu zmienności funkcji 

1

3

2

)

(

+

=

x

x

x

f

 

 

–∞  ... 

–1 

...  +∞ 

)

(x

f

 

+  +∞  +∞  +  +∞ 

)

(x

f

 

  +∞  –∞  ↑ 

 

Na podstawie tabeli można sporządzić wykres funkcji 

1

3

2

)

(

+

=

x

x

x

f

, który jest przedstawio-

ny na rysunku poniżej.  

 

 

Wykres funkcji 

1

3

2

)

(

+

=

x

x

x

f

 

f(x

x 

background image

 

11 

Przykład 3. Zbadać przebieg zmienności funkcji  

 

2

4

)

(

x

x

x

f

=

Rozwiązanie 

 

1. Dziedzina funkcji.  Funkcja jest określona dla wszystkich wartości rzeczywistych 

R

x

 z 

wyjątkiem wartości 

x = 0.  

 

2. Miejsca zerowe. Ponieważ  

2

3

2

4

4

)

(

x

x

x

x

x

f

=

=

 

zatem wyznaczamy punkt, w którym zeruje się licznik 

x

3

 – 4 = 0, tj. 

3

4

=

x

.  

 

3. Ekstrema lokalne. Obliczamy pochodną funkcji

2

4

)

(

x

x

x

f

=

 

 

3

3

3

8

8

1

)

(

x

x

x

x

f

+

=

+

=

 

Pochodna jest równa zeru dla 

x = –2.  

Druga pochodna funkcji jest równa

 

 

4

24

)

(

x

x

f

=

′′

 

oraz  

16

24

)

2

(

24

)

2

(

4

=

=

′′

f

 < 0, 

 

zatem w punkcie 

x = –2 występuje maksimum lokalne równe 

3

)

2

(

=

f

 

4. Asymptoty pionowe. Obliczamy granice jednostronne funkcji w punkcie nieciągłości x = 0 

 

−∞

=

2

0

4

lim

x

x

x

     oraz     

−∞

=

+

2

0

4

lim

x

x

x

 

zatem funkcja 

2

4

)

(

x

x

x

f

=

 ma w punkcie x = 0 asymptotę pionową obustronną pokrywają-

cą się z pionową osią układu współrzędnych . 
 
5. Asymptoty poziome. Ponieważ 

−∞

=

−∞

)

(

lim

x

f

x

 oraz 

+∞

=

+∞

)

(

lim

x

f

x

, funkcja 

)

(x

f

 nie ma 

asymptot poziomych. 

 

6. Asymptoty ukośne. Obliczamy granice 

 

1

4

1

lim

)

(

lim

3

=

=

−∞

−∞

x

x

x

f

x

x

     oraz     

1

4

1

lim

)

(

lim

3

=

=

−∞

+∞

x

x

x

f

x

x

zatem  

1

)

(

lim

=

=

x

x

f

A

x

. 

background image

 

12 

[

]

0

4

lim

4

lim

)

(

lim

2

2

=





=





=

−∞

−∞

−∞

x

x

x

x

Ax

x

f

x

x

x

,  

 

[

]

0

4

lim

4

lim

)

(

lim

2

2

=





=





=

+∞

+∞

+∞

x

x

x

x

Ax

x

f

x

x

x

 

Zatem

 

 

            

[

]

Ax

x

f

B

x

=

)

(

lim

= 0. 

 

Stąd wynika, że prosta 

B

Ax

y

+

=

x  jest wspólną asymptotą ukośną w  –∞ oraz +∞.  

 
 

Tabela przebiegu zmienności funkcji 

2

4

)

(

x

x

x

f

=

 

 

–∞  ...  –2  ... 

... 

3

4

  ...  +∞ 

)

(

x

f

 

–  –∞  +∞  + 

)

(

x

f

  –∞  ↑  –3  ↓  –∞  –∞  ↑ 

  +∞ 

 

Na podstawie tabeli można sporządzić wykres funkcji 

2

4

)

(

x

x

x

f

=

, który jest przedstawio-

ny na rysunku poniżej.  

 

 

Wykres funkcji 

2

4

)

(

x

x

x

f

=

 

 

Opracowano na podstawie: 

 

1. M. Gewert, Z. Skoczylas: Analiza matematyczna 1. Definicje, twierdzenia, wzory. Oficyna 

Wyd. GiS. Wrocław 2011.  

2. W. Krysicki, L. Włodarski: Analiza matematyczna w zadaniach 1. PWN 2011.  
 
 

f(x

x 

3

4  

–3