przygotowa la Joanna Grabowska na podstawie Szymański, Dróbka “Matematyka w szkole średniej. Powtórzenie i zbiór zadań” oraz Leksiński, Na-bia lek, Żakowski “Matematyka, definicje, twierdzenia, przyk lady, zadania”
1
Badanie przebiegu zmienności funckji
1.1
Algorytm badania wykresu funkcji
1) Wyznaczamy dziedzine funkcji f;
2) wyznaczamy granice funkcji na końcach przedzia lów, z których sk lada sie dziedzina;
3) znajdujemy miejsca zerowe funkcji f i punkt, w którym wykres przecina oś y;
4) wyznaczamy pochodna funkcji f i znajdujemy miejsca zerowe pochodnej; 5) znajdujemy przedzia ly monotoniczności funkcji i jej ekstrema (jeśli istnieja);
6) badamy, czy istnieja asymptoty wykresu funkcji i znajdujemy ich rónania; 7) wykorzystujac dane zebrane w pkt 1-6 budujemy tabele zmienności i szkicujemy wykresy funkcji f
1.2
Asymptoty wykresu funkcji
Jeśli funkcja f jest określona w przedziale (α, +∞) i istnieje skończone granica limx→+f(x) = b, to prosta o równianiu y = b nazywamy asymptota pozioma wykresu funkcji f w plus nieskończoności.
Podobnie jeśli
funkcja f jest określona w przedzxiale (−∞, α) i istnieje skończona granica limx→−f (x) = b to prosta o równaniu y = b nazywamy asymptota pozioma funkcji f w minus nieskończoności. Jeśli prosta o równaniu y = b jest asymptota pozioma wykresu funkcji f zarówno w plus, jak i w minus niekończoności, to nazywamy ja asymptota pozioma obustronna. Jeśli prosta o równaniu y = b jest asymptota pionowa wykresu funkcji f, to wykres funkcji zbiliża sie do tej prostej, gdy x daży do nieskończoności.
Jeśli funkcja f jest określona w przedziale (α, +∞) i istnieje skończone granica limx→a+f(x) = b, lub limx→a+f(x) = −∞ to prosta o równianiu x = a nazywamy asymptota prawostronna pionowa wykresu funkcji f w plus nieskończoności. Podobnie określamy asymptote lewostronna. Jeśli prosta jest jednocześnie asymptota pionowaprawo i lewostronnato jest asymptota pionowa obustronna.
1.3
Monotoniczność funkcji
Jeśli funkcja f jest określona i różniczkowalna w przedziale (a,b) i przy tym jest funkcja rosnaca w tym przedziale, to jej pochodna f’ jest w każdym 1
punkcie przedzia lu (a,b) nieujemna.
Jeśli funkcja f jest określona i różniczkowalna w przedziale (a,b) i przy tym jest funkcja malejaca w tym przedziale, to jej pochodna f’ jest w każdym punkcie przedzia lu (a,b) niedodatnia.
Jeśli funkcja f jest określona i różniczkowalna w przedziale (a,b), a jej pochodna f’ przyjmuje co najwyżej skończonej liczbie punktów przedzia lu wartość zero, a we wszystkich pozosta lych punktach przedzia lu jest dodatnia, to funkcja f jest w przedziale (a,b) rosnaca.
Jeśli funkcja f jest określona i różniczkowalna w przedziale (a,b), a jej pochodna f’ przyjmuje co najwyżej skończonej liczbie punktów przedzia lu wartość zero, a we wszystkich pozosta lych punktach przedzia lu jest ujemna, to funkcja f jest w przedziale (a,b) malejaca.
1.4
Ekstremum funkcji
Za lóżmy, że funkcja f jest określona w przedziale (a, b) i x0 ∈ (a, b). Mówimy, że funkcja f osiaga w punkcie x0 maksimum, jeśli istnieje taki przedzia l (a1, b) ⊂ (a, b) o środku w punkcie x0 to dla każdego x ∈ (a1, b)ix 6= x0 za-chodzi nierówność f (x) < f (x0). Analogicznie określamy minimum funkcji.
Ekstrema funkcji to minimum lub maksimum funkcji.
2
Przyk lad badania zmienności funkcji
2.1
Zadanie 1
Zbadamy przebieg zmiennościo funkcji f określanej wzorem f (x) = x3+4
x2
1) df = (−∞, 0) i (0, +∞) 2) limx→+∞(x3+4) = lim
) = +∞
x2
x→+∞(x + 4
x2
limx→−∞( x3+4 ) = −∞
x2
limx
) lim
) = lim
) = +
→0+ ( x3+4
∞
x2
x→0− ( x3+4
x2
x→+∞(x + 4
x2
√
3) f (x) = 0 ⇔ x3 + 4 = 0 i X2 6= 0 ⇔ x = − 34, a ponieważ 0 /
∈ Df,
wiec wykres funkcji nei przecina osi y;
4) f ′(x) = (x3+4)′x2−(x3+4)(x2)′ = x4−8x
x4
x4
f ′(x) = 0 ⇔ x4 − 8x = 0 i x4 6= 0 ⇔ x = 2
5) przedzia ly monotoniczności funkcji f:
2
f ′(x) > 0 ⇔ x(x − 2) > 2 i x 6= 0
f ′(x) < 0 ⇔ x(x − 2) < 2 i x 6= 0
stad otrzymujemy:
f ′(x) > 0 ⇔ x ∈ (−∞, 0) i x ∈ (2, ∞)
f ′(x) < 0 ⇔ x ∈ (0, 2)
Zatem funkcja rośnie w przedzia lach (−∞, 0) i (2, ∞) i maleje w przedziale (0, 2). W takim razie wynika,że f osiaga maksimum w punkcie x0 = 2
i fmin = 3
6) Poniewqaż nie istnieje skończona granica funkcji w nieskończoności ani granica w minus nieskończoności, to nie istnieje pozioma asymptota wykresu funkcji f.
Istnieje natomiast asymptota pionowa, jest nia prosta o równaniu x = 0.
Aby zbadać istnienie asymptoty pochy lej, najpierw badamy istnbienie granicy lim
f (x)
f (x3+4)
x→−∞
, czyli lim
. Granica ta istnieje i wynosi
x
x→−∞
x3
1. Znaczy to, że wspó lczynnik kierunkowy ewentualnej asymptoty jest równy 1. Teraz badamy istnienie granicy limx→−∞( f(x3+4) x2
− x). Granica ta wy-
nosi zero. W takim razie asymptota pochy la jest prosta o równianiu x=y.
7) Wykorzystujac zebrane o funkcji wiadomości, budujemy tabele zmienności funkcji, a nastepnie szkicujemy wykres.
|x
(−∞, 0) 0 (0, 2) 2 (2, ∞)
f ′(x)
(+)
x
(−)
0
(+)
f ′(x)
(↑)
x
(↓)
3
(↑)
2.2
Zadanie 2
1
Zbadać funkcje: y = x−1 e x
x
Rozwiazanie: Dziedzina funkcji: Df = (−∞, 0) i (0.∞) Mamy nastepnie y → 1, gdy x → −∞ lub x → ∞, y → −∞, gdy x → 0− oraz 1
lim
x−1
x→0 y = lim
e x
+
x→0+ x
lim
1−u
−1
u→∞
=
= 0
eu
H limu→∞ eu
, gdzie u = 1x
Z przeprowadzonych obliczeń granic wynika, że wykres funkcji ma lewostronna asymptote pionowa o równaniu x= 0, oraz obustronna asymptote pozioma y = 1. Wynika stad, że nie istnieje żadna asymptota ukośna.
1
Obliczamy pierwsza pochodna y′ = 2x−1 e− x . Ponieważ Df ′ = Df , x3
y′ = 0 wtedy i tylko wtedy, gdy x = 1 oraz pochodna zmienia znak w punkcie 2
x = 1 z ujemnego na dodatni, wiec funkcja w tym punkcie ma ekstremum, 2
3
minimum; ymin = y( 1 ) = −1 . Ponieważ y′ > 0 na przedziale (
2
−∞, 0) i na
e2
przedziale ( 1 ,
2 ∞), wiec funkcja jest na tych przedzia lach rosnaca. Poniewa ż y′ < 0 na przedziale (0, 1 ), wiec funkcja jest malejaca na tym przedziale.
2
na podstawie uzyskanych informacji sporzadzamy tabelke zmienności funkcjii sporzadzamy wykres.
|x
(−∞, 0) 0 (0, 1)
( 1 )
( 1 ,
2
2
2 ∞)
f ′(x)
(+)
x
(−)
0
(+)
f ′(x)
(↑)
x
(↓)
( −1 )
(↑)
e2
4