Опорными точками при исследовании функций и построения их графиков служат характерные точки – точки разрыва, экстремума, перегиба, пересечения с осями координат. С помощью дифференциального исчисления можно установить характерные особенности изменения функций: возрастание и убывание, максимумы и минимумы, направление выпуклости и вогнутости графика, наличие асимптот.
Эскиз графика функции можно (и нужно) набрасывать уже после нахождения асимптот и точек экстремума, а сводную таблицу исследования функции удобно заполнять по ходу исследования.
Обычно используют следующую схему исследования функции.
1. Находят область определения, интервалы непрерывности и точки разрыва функции .
2. Исследуют функцию на чётность или нечётность (осевая или центральная симметрия графика.
3. Находят асимптоты (вертикальные, горизонтальные или наклонные).
4. Находят и исследуют промежутки возрастания и убывания функции, точки её экстремума.
5. Находят интервалы выпуклости и вогнутости кривой, точки её перегиба .
6. Находят точки пересечения кривой с осями координат, если они существуют.
7. Составляют сводную таблицу исследования.
8. Строят график, учитывая исследование функции, проведённое по вышеописанным пунктам.
Пример. Исследовать функцию
и построить её график.
7. Составим сводную таблицу исследования функции, куда внесём все характерные точки и интервалы между ними. Учитывая чётность функции, получаем следующую таблицу:
Особенности графика |
||||
[-1, 0[ |
Возрастает |
Выпуклый |
||
(0; 1) – точка максимума |
||||
]0, 1[ |
Убывает |
Выпуклый |
||
Точка перегиба, образует с осью Ox тупой угол |
Если в задаче необходимо произвести полное исследование функции f (x) = x 2 4 x 2 - 1 с построением его графика, тогда рассмотрим этот принцип подробно.
Для решения задачи данного типа следует использовать свойства и графики основных элементарных функций. Алгоритм исследования включает в себя шаги:
Yandex.RTB R-A-339285-1
Нахождение области определения
Так как исследования проводятся на области определения функции, необходимо начинать с этого шага.
Пример 1
Заданный пример предполагает нахождение нулей знаменателя для того, чтобы исключить их из ОДЗ.
4 x 2 - 1 = 0 x = ± 1 2 ⇒ x ∈ - ∞ ; - 1 2 ∪ - 1 2 ; 1 2 ∪ 1 2 ; + ∞
В результате можно получить корни, логарифмы, и так далее. Тогда ОДЗ можно искать для корня четной степени типа g (x) 4 по неравенству g (x) ≥ 0 , для логарифма log a g (x) по неравенству g (x) > 0 .
Исследование границ ОДЗ и нахождение вертикальных асимптот
На границах функции имеются вертикальные асимптоты, когда односторонние пределы в таких точках бесконечны.
Пример 2
Для примера рассмотрим приграничные точки, равные x = ± 1 2 .
Тогда необходимо проводить исследование функции для нахождения одностороннего предела. Тогда получаем, что: lim x → - 1 2 - 0 f (x) = lim x → - 1 2 - 0 x 2 4 x 2 - 1 = = lim x → - 1 2 - 0 x 2 (2 x - 1) (2 x + 1) = 1 4 (- 2) · - 0 = + ∞ lim x → - 1 2 + 0 f (x) = lim x → - 1 2 + 0 x 2 4 x - 1 = = lim x → - 1 2 + 0 x 2 (2 x - 1) (2 x + 1) = 1 4 (- 2) · (+ 0) = - ∞ lim x → 1 2 - 0 f (x) = lim x → 1 2 - 0 x 2 4 x 2 - 1 = = lim x → 1 2 - 0 x 2 (2 x - 1) (2 x + 1) = 1 4 (- 0) · 2 = - ∞ lim x → 1 2 - 0 f (x) = lim x → 1 2 - 0 x 2 4 x 2 - 1 = = lim x → 1 2 - 0 x 2 (2 x - 1) (2 x + 1) = 1 4 (+ 0) · 2 = + ∞
Отсюда видно, что односторонние пределы являются бесконечными, значит прямые x = ± 1 2 - вертикальные асимптоты графика.
Исследование функции и на четность или нечетность
Когда выполняется условие y (- x) = y (x) , функция считается четной. Это говорит о том, что график располагается симметрично относительно О у. Когда выполняется условие y (- x) = - y (x) , функция считается нечетной. Значит, что симметрия идет относительно начала координат. При невыполнении хотя бы одного неравенства, получаем функцию общего вида.
Выполнение равенства y (- x) = y (x) говорит о том, что функция четная. При построении необходимо учесть, что будет симметричность относительно О у.
Для решениянеравенства применяются промежутки возрастания и убывания с условиями f " (x) ≥ 0 и f " (x) ≤ 0 соответственно.
Определение 1
Стационарные точки – это такие точки, которые обращают производную в ноль.
Критические точки - это внутренние точки из области определения, где производная функции равняется нулю или не существует.
При решении необходимо учитывать следующие замечания:
- при имеющихся промежутках возрастания и убывания неравенства вида f " (x) > 0 критические точки в решение не включаются;
- точки, в которых функция определена без конечной производной, необходимо включать в промежутки возрастания и убывания (к примеру, y = x 3 , где точка х = 0 делает функцию определенной, производная имеет значение бесконечности в этой точке, y " = 1 3 · x 2 3 , y " (0) = 1 0 = ∞ , х = 0 включается в промежуток возрастания);
- во избежание разногласий рекомендовано пользоваться математической литературой, которая рекомендована министерством образования.
Включение критических точек в промежутки возрастания и убывания в том случае, если они удовлетворяют области определения функции.
Определение 2
Для определения промежутков возрастания и убывания функции необходимо найти :
- производную;
- критические точки;
- разбить область определения при помощи критических точек на интервалы;
- определить знак производной на каждом из промежутков, где + является возрастанием, а - является убыванием.
Пример 3
Найти производную на области определения f " (x) = x 2 " (4 x 2 - 1) - x 2 4 x 2 - 1 " (4 x 2 - 1) 2 = - 2 x (4 x 2 - 1) 2 .
Решение
Для решения нужно:
- найти стационарные точки, данный пример располагает х = 0 ;
- найти нули знаменателя, пример принимает значение ноль при x = ± 1 2 .
Выставляем точки на числовой оси для определения производной на каждом промежутке. Для этого достаточно взять любую точку из промежутка и произвести вычисление. При положительном результате на графике изображаем + , что означает возрастание функции, а - означает ее убывание.
Например, f " (- 1) = - 2 · (- 1) 4 - 1 2 - 1 2 = 2 9 > 0 , значит, первый интервал слева имеет знак + . Рассмотрим на числовой прямой.
Ответ:
- происходит возрастание функции на промежутке - ∞ ; - 1 2 и (- 1 2 ; 0 ] ;
- происходит убывание на промежутке [ 0 ; 1 2) и 1 2 ; + ∞ .
На схеме при помощи + и - изображается положительность и отрицательность функции, а стрелочки – убывание и возрастание.
Точки экстремума функции – точки, где функция определена и через которые производная меняет знак.
Пример 4
Если рассмотреть пример, где х = 0 , тогда значение функции в ней равняется f (0) = 0 2 4 · 0 2 - 1 = 0 . При перемене знака производной с + на - и прохождении через точку х = 0 , тогда точка с координатами (0 ; 0) считается точкой максимума. При перемене знака с - на + получаем точку минимума.
Выпуклость и вогнутость определяется при решении неравенств вида f "" (x) ≥ 0 и f "" (x) ≤ 0 . Реже используют название выпуклость вниз вместо вогнутости, а выпуклость вверх вместо выпуклости.
Определение 3
Для определения промежутков вогнутости и выпуклости необходимо:
- найти вторую производную;
- найти нули функции второй производной;
- разбить область определения появившимися точками на интервалы;
- определить знак промежутка.
Пример 5
Найти вторую производную из области определения.
Решение
f "" (x) = - 2 x (4 x 2 - 1) 2 " = = (- 2 x) " (4 x 2 - 1) 2 - - 2 x 4 x 2 - 1 2 " (4 x 2 - 1) 4 = 24 x 2 + 2 (4 x 2 - 1) 3
Находим нули числителя и знаменателя, где на примере нашего примера имеем, что нули знаменателя x = ± 1 2
Теперь необходимо нанести точки на числовую ось и определить знак второй производной из каждого промежутка. Получим, что
Ответ:
- функция является выпуклой из промежутка - 1 2 ; 1 2 ;
- функция является вогнутой из промежутков - ∞ ; - 1 2 и 1 2 ; + ∞ .
Определение 4
Точка перегиба – это точка вида x 0 ; f (x 0) . Когда в ней имеется касательная к графику функции, то при ее прохождении через x 0 функция изменяет знак на противоположный.
Иначе говоря, это такая точка, через которую проходит вторая производная и меняет знак, а в самих точках равняется нулю или не существует. Все точки считаются областью определения функции.
В примере было видно, что точки перегиба отсутствуют, так как вторая производная изменяет знак во время прохождения через точки x = ± 1 2 . Они, в свою очередь, в область определения не входят.
Нахождение горизонтальных и наклонных асимптот
При определении функции на бесконечности нужно искать горизонтальные и наклонные асимптоты.
Определение 5
Наклонные асимптоты изображаются при помощи прямых, заданных уравнением y = k x + b , где k = lim x → ∞ f (x) x и b = lim x → ∞ f (x) - k x .
При k = 0 и b , не равному бесконечности, получаем, что наклонная асимптота становится горизонтальной .
Иначе говоря, асимптотами считают линии, к которым приближается график функции на бесконечности. Это способствует быстрому построению графика функции.
Если асимптоты отсутствуют, но функция определяется на обеих бесконечностях, необходимо посчитать предел функции на этих бесконечностях, чтобы понять, как себя будет вести график функции.
Пример 6
На примере рассмотрим, что
k = lim x → ∞ f (x) x = lim x → ∞ x 2 4 x 2 - 1 x = 0 b = lim x → ∞ (f (x) - k x) = lim x → ∞ x 2 4 x 2 - 1 = 1 4 ⇒ y = 1 4
является горизонтальной асимптотой. После исследования функции можно приступать к ее построению.
Вычисление значения функции в промежуточных точках
Чтобы построение графика было наиболее точным, рекомендовано находить несколько значений функции в промежуточных точках.
Пример 7
Из рассмотренного нами примера необходимо найти значения функции в точках х = - 2 , х = - 1 , х = - 3 4 , х = - 1 4 . Так как функция четная, получим, что значения совпадут со значениями в этих точках, то есть получим х = 2 , х = 1 , х = 3 4 , х = 1 4 .
Запишем и решим:
F (- 2) = f (2) = 2 2 4 · 2 2 - 1 = 4 15 ≈ 0 , 27 f (- 1) - f (1) = 1 2 4 · 1 2 - 1 = 1 3 ≈ 0 , 33 f - 3 4 = f 3 4 = 3 4 2 4 3 4 2 - 1 = 9 20 = 0 , 45 f - 1 4 = f 1 4 = 1 4 2 4 · 1 4 2 - 1 = - 1 12 ≈ - 0 , 08
Для определения максимумов и минимумов функции, точек перегиба, промежуточных точек необходимо строить асимптоты. Для удобного обозначения фиксируются промежутки возрастания, убывания, выпуклость, вогнутость. Рассмотрим на рисунке, изображенном ниже.
Необходимо через отмеченные точки проводить линии графика, что позволит приблизить к асимптотам, следуя стрелочкам.
На этом заканчивается полное исследование функции. Встречаются случаи построения некоторых элементарных функций, для которых применяют геометрические преобразования.
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Построение графика функции по особенным точкам включает в себя исследование самой функции: определение области допустимых значений аргумента, определение области изменения функции, определение четности или нечетности функции, определение точек разрыва функции, нахождение интервалов знакопостоянства функции, нахождение асимптот графика функции. С помощью первой производной можно определить интервалы возрастания (убывания) функции, наличие точек экстремума. По второй производной можно определить интервалы выпуклости (вогнутости) графика функции, а также точки перегиба. При этом считаем, что если в некоторой точке xo касательная к графику функции выше кривой, то график функции в этой точке имеет выпуклость; если же касательная ниже кривой, то график функции в этой точке имеет вогнутость.
y(x) = x³/(x²+3)
1. Исследование функции.
а) Область допустимых значений аргумента: (-∞,+∞).
б) Область изменения функции: (-∞, +∞).
в) Функция является нечетной, т.к. y(-x) = -y(x), т.е. график функции симметричен относительно начала координат.
г) Функция является непрерывной, точек разрыва нет, следовательно, нет вертикальных асимптот.
д) Нахождение уравнения наклонной асимптоты y(x) = k∙x + b , где
k =
/x
и b =
В данном примере параметры асимптоты соответственно равны:
k = , т.к. старшая степень числителя и знаменателя одинаковые, равные трем, а отношение коэффициентов при этих старших степенях равно единице. При x→+ ∞ для вычисления предела использовали третий замечательный предел.
b = = = 0, при вычислении предела при x→+ ∞ воспользовались третьим замечательным пределом. Итак, график данной функции имеет наклонную асимптоту y=x.
2.
y´= /(x²+3)² - производная вычислена с помощью формулы дифференцирования частного.
а) Определяем нули производной и точки разрыва, приравнивая соответственно числитель и знаменатель производной нулю: y´=0, еслиx=0. Точек разрыва 1-я производная не имеет.
б) Определяем интервалы знакопостоянства производной, т.е. интервалы монотонности функции: при -∞
3. Исследование функции с помощью 2-ой производной.
Используя формулу дифференцирования частного и произведя алгебраические преобразования, полечим: y´´ = /(x²+3)³
а) Определяем нули 2-ой производной и интервалы знакопостоянства: y´´ = 0, если x=0 иx=+ 3 . Точек разрыва у 2-ой производной нет.
б) Определим интервалы закопостоянства 2-ой производной, т.е. интервалы выпуклости или вогнутости графика функции. При -∞
Пример: исследовать функцию и построить ее график y(x)=((x-1)²∙(x+1))/x
1.Исследование функции.
а) Область допустимых значений: (-∞,0)U(0,+∞).
б) Область изменения функции: (-∞,+∞).
г) Данная функция имеет точку разрыва 2-ого рода при x=0.
д) Нахождение асимптот. Т.к. функция имеет точку разрыва 2-ого рода при x=0 , то следовательно, функция имеет вертикальную асимптоту x=0. Наклонных или горизонтальных асимптот данная функция не имеет.
2.Исследование функции с помощью 1-ой производной.
Преобразуем функцию, произведя все алгебраические действия. В результате вид функции значительно упростится: y(x)=x²-x-1+(1/x). От суммы слагаемых очень просто брать производную и получим: y´ = 2x – 1 –(1/x²).
а) Определяем нули и точки разрыва 1-ой производной. Приводим выражения для 1-ой производной к общему знаменателю и, приравняв числитель, а затем и знаменатель нулю, получим: y´=0 приx=1, y´ - не существуетприx=0.
б) Определим интервалы монотонности функции, т.е. интервалы знакопостоянства производной. При -∞<x<0
и0
3.
y´´= 2 + 2/x³ . По 2-ой производной определим интервалы выпуклости или вогнутости графика функции, а также, если они имеются, точки перегиба. Приведем выражение для второй производной к общему знаменателю, а затем, приравнивая нулю поочередно числитель и знаменатель, получим: y´´=0 при x=-1, y´´- не существуетпри x=0.
При -∞
рис. 4 рис. 5
Пример: исследовать функцию и построить ее график y(x) = ln (x²+4x+5)
1.Исследование функции.
а) Область допустимых значений аргумента: логарифмическая функция существует только для аргументов строго больше нуля, следовательно, x²+4x+5>0 – это условие выполняется при всех значениях аргумента, т.е. О.Д.З. – (-∞, +∞).
б) Область изменения функции: (0, +∞). Преобразуем выражение, стоящее под знаком логарифма, и приравниваем функцию нулю: ln((x+2)²+1) =0. Т.е. функция обращается в ноль при x=-2. График функции будет симметричен относительно прямой x=-2.
в) Функция непрерывная, точек разрыва не имеет.
г) Асимптот у графика функции нет.
2.Исследование функции с помощью 1-ой производной.
Используя правило дифференцирования сложной функции, получим: y´= (2x+4)/(x²+4x+5)
а) Определим нули и точки разрыва производной: y´=0, при x=-2. Точек разрыва первая производная не имеет.
б) Определяем интервалы монотонности функции, т.е. интервалы знакопостоянства первой производной: при -∞<x<-2
производнаяy´<0,
следовательно, функция убывает;при -2
3.Исследование функции по 2-ой производной.
Представим первую производную в следующем виде: y´=2∙(x+2)/(1+(x+2)²). y´´=2∙(1-(x+2)²/(1+(x+2)²)².
а) Определим интервалы знакопостоянства второй производной. Так как знаменатель 2-ой производной всегда неотрицателен, то знак второй производной определяется только числителем. y´´=0 при x=-3 иx=-1.
При -∞
Пример: исследовать функцию и построить график y(x) = x²/(x+2)²
1.Исследование функции.
а) Область допустимых значений аргумента (-∞, -2)U(-2, +∞).
б) Область изменения функции ².
а) Определим нули и интервалы знакопостоянства второй производной. Т.к. знаменатель дроби всегда положителен, то знак второй производной полностью определяется числителем. При -∞
