Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 1. Badając przebieg zmienności funkcji postępujemy według poniższego schematu:

Transkrypt

1 Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania Zadanie 4 c) Badając przebieg zmienności funkcji postępujemy według poniższego schematu:. Analiza funkcji: (a) Wyznaczenie dziedziny funkcji (b) Obliczenie granic na krańcach przedziałów określoności (c) Wyznaczenie asymptot (d) Wyznaczenie punktów przecięcia wykresu funkcji z osią OX oraz z osią OY (e) Zbadanie parzystości i nieparzystości funkcji. 2. Analiza pierwszej pochodnej funkcji: (a) Wyznaczenie zbioru, w którym funkcja jest różniczkowalna (b) Wyznaczenie miejsc zerowych pierwszej pochodnej (c) Wyznaczenie zbiorów, w których f (x) > 0 i w których f (x) < 0 oraz określenie monotoniczności funkcji (d) Wyznaczenie ekstremów lokalnych funkcji. 3. Analiza drugiej pochodnej funkcji: (a) Wyznaczenie zbioru, w którym f (x) jest różniczkowalna (b) Wyznaczenie miejsc zerowych drugiej pochodnej (c) Wyznaczenie zbiorów, w których f (x) > 0 i w których f (x) < 0 oraz określenie przedziałów wklęsłości i wypukłości funkcji (d) Wyznaczenie punktów przegięcia funkcji (e) Wyznaczenie ekstremów funkcji (jeśli nie wyznaczono ich w punkcie 2 d). 4. Sporządzenie tabeli przebiegu zmienności funkcji (informacje z punktów, 2, 3). 5. Sporządzenie wykresu funkcji.

2 Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 2 Zbadamy przebieg zmienności funkcji = x2 6x Analiza funkcji (a) W tym przypadku badanie dziedziny ogranicza się do rozwiązania negacji równania: 0, zatem: D f : x R \ {}. (b) Jako, że zbiorem określoności jest x R \ {}, mamy do policzenia następujące granice: x x = x x x x + x + x x 0 = x = + = 6 = + 6 = = + (c) Mamy trzy rodzaje asymptot: poziome, pionowe i ukośne. Funkcja ma asymptotę poziomą jeśli jest granicą właściwą. x ± Gdy = g, to mówimy że w asymptotą poziomą jest prosta y = g. Gdy = g 2, to mówimy że w + asymptotą poziomą jest prosta y = g 2. x + Funkcja ma asymptotę pionową jeśli dla pewnego x 0 zachodzi = ±. x x 0 Gdy = ±, to mówimy, że prosta x = x 0 jest asymptotą pionową lewostronną. Gdy x x 0 x x + 0 = ±, to mówimy, że prosta x = x 0 jest asymptotą pionową prawostronną. Funkcja ma asymptotę ukośną postaci y = ax + b, gdzie a, b R jeśli: = a oraz ( ax) = b x lub x + x = a oraz ( ax) = b x +

3 Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 3 Przejdźmy zatem do wyznaczania asymptot naszej funkcji = x2 6x + 9. Należy zauważyć, że wcześniej dokonaliśmy już części obliczeń. Mianowicie w punkcie (b) dostaliśmy już, że: x x = x x x x + x + x = 6 = + 6 Czyli nie istnieje asymptota pozioma funkcji. W punkcie (b) dostaliśmy również, że: x 0 = x = + = = + Zatem istnieje obustronna asymptota pionowa funkcji i jest nią prosta x =. Przejdźmy do zbadania istnienia asymptoty ukośnej. W tym celu liczymy: a = b = x = ( ax) = x = x x 2 6x+9 x = 5 = 5 = x x 2 x ( x 2 ) 6x + 9 x 6 x = + 9 x 2 x Zatem asymptotą ukośną przy x jest prosta o równaniu: y = x 5. = = x 2 + x 5x + 9 = = = Podobnie postępujemy sprawdzając istnienie asymptoty ukośnej przy x +, dostając w końcu informację, że funkcja zbiega asymptotycznie do prostej y = x 5 również przy x +.

4 Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 4 (d) Wyznaczenie punktów przecięcia wykresu funkcji z osią OX polega na rozwiązaniu równania: = 0, a przecięcia z osią OY na znalezieniu wartości: f(0). Liczymy przecięcie z osią OX: = 0 = 0 (x 3) 2 = 0 x = 3 Liczymy przecięcie z osią OY : f(0) = = 9 = 9 (e) Def. Funkcja jest parzysta w swojej dziedzinie f( x) = x D f Def. Funkcja jest nieparzysta w swojej dziedzinie f( x) = x D f Parzystość funkcji oznacza, że jej wykres jest symetryczny (sam do siebie) względem osi OY. Nieparzystość funkcji oznacza, że jej wykres jest symetryczny (sam do siebie) względem początku układu współrzędnych. Sprawdzamy zatem czy uda nam się przekształcić wyrażenie f( x) do postaci lub : f( x) = ( x)2 6( x) + 9 ( x) = x2 + 6x + 9 = x2 + 6x + 9 x + Należy zauważyć, że tego wyrażenia nie da się przekształcić ani do postaci ani do. Wnioskujemy zatem, że funkcja nie jest ani parzysta ani nieparzysta (tzn. wykres nie będzie symetryczny ani względem osi OY ani względem początku układu współrzędnych). 2. Analiza pierwszej pochodnej funkcji (a) Aby wyznaczyć dziedzinę f (x) należy najpierw obliczyć pierwszą pochodną: ( x f 2 ) 6x + 9 (x) = = (x2 6x + 9) () () () () 2 = = (2x 6) () (x2 6x + 9) () 2 = 2x2 2x 6x + 6 x 2 + 6x 9 () 2 = = x2 2x 3 (x + )(x 3) () 2 = () 2 Widać zatem, że D f : x R \ {}. (b) Aby wyznaczyć miejsca zerowe pierwszej pochodnej należy oczywiście rozwiązać równanie: f (x) = 0. f (x) = 0 (x + )(x 3) () 2 = 0 (x + )(x 3) = 0 x = x = 3

5 Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 5 (c) Rozwiązując nierówności: f (x) > 0 oraz f (x) < 0 dostaniemy informację o monotoniczności funkcji, gdyż: Jeżeli f (x) > 0 w danym przedziale, to jest rosnąca w tymże przedziale. Jeżeli f (x) < 0 w danym przedziale, to jest malejąca w tymże przedziale. Rozwiążemy zatem nierówność: f (x) > 0 I analogicznie: f (x) < 0 Możemy zatem napisać: (x + )(x 3) () 2 > 0 (x + )(x 3)() 2 > 0 x [(, ) (3, + )] (x + )(x 3) () 2 < 0 (x + )(x 3)() 2 < 0 x [(, ) (, 3)] funkcja jest rosnąca w przedziałach: (, ), (3, + ) oraz funkcja jest malejąca w przedziałach: (, ), (, 3). (d) Jeśli spełnione są warunki: WK f (x 0 ) = 0 WD 2 f zmienia znak w punkcie x 0 z dodatniego na ujemny (z ujemnego na dodatni) to funkcja ma maksimum (minimum) lokalne w punkcie x 0. Analizując informacje z trzech poprzednich podpunktów możemy stwierdzić, że funkcja posiada maksimum lokalne dla x = oraz minimum lokalne dla x = 3, co obliczeniu wartości w tych punktach zapiszemy jako: f max ( ) = 8 oraz f min (3) = Analiza drugiej pochodnej funkcji: (a) Aby wyznaczyć dziedzinę f (x) należy najpierw obliczyć drugą pochodną: ( x f 2 ) 2x 3 (x) = () 2 = (x2 2x 3) () 2 (x 2 2x 3) [ () 2] () 4 = = (2x 2) (x2 2x + ) (x 2 2x 3) [2() ] () 4 = = 2x3 4x 2 + 2x 2x 2 + 4x 2 (2x 3 2x 2 4x 2 + 4x 6x + 6) () 4 = = 2x3 6x 2 + 6x 2 2x 3 + 6x 2 + 2x 6 () 4 = 8x 8 8() = () 4 () 4 Widać zatem, że D f : x R \ {}. (b) Aby wyznaczyć miejsca zerowe drugiej pochodnej należy oczywiście rozwiązać równanie: f (x) = 0. f (x) = 0 8() = 0 8() = 0 x = () 4 Jednak dziedziną f (x) jest zbiór: x R \ {}, zatem równanie f (x) = 0 nie posiada rozwiązań. Warunek konieczny istnienia ekstremum 2 Warunek dostateczny istnienia ekstremum

6 Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 6 (c) Rozwiązując nierówności: f (x) > 0 oraz f (x) < 0 dostaniemy informację o wklęsłości i wypukłości funkcji, gdyż: Jeżeli f (x) > 0 w danym przedziale, to jest wypukła w tymże przedziale. Jeżeli f (x) < 0 w danym przedziale, to jest wklęsła w tymże przedziale. Rozwiążemy zatem nierówność: f (x) > 0 I analogicznie: f (x) < 0 Możemy zatem napisać: 8() () 4 > 0 8()()4 > 0 8() 5 > 0 x (, + ) 8() () 4 < 0 8()()4 < 0 8() 5 < 0 x (, ) funkcja jest wypukła w przedziale: (, + ) oraz funkcja jest wklęsła w przedziale: (, ). (d) Punktem przegięcia funkcji nazywamy taki punkt x 0, w którym funkcja przechodzi z wypukłej we wklęsłą lub z wklęsłej w wypukłą. Muszą być zatem spełnione dwa warunki: ) f (x 0 ) = 0 2) f zmienia znak w punkcie x 0 z dodatniego na ujemny lub z ujemnego na dodatni. Widać, że funkcja nie ma punktów przegięcia, ponieważ nie ma takiego x 0 D f, że f (x 0 ) = 0. (e) Ekstrema funkcji wyznaczyliśmy już w punkcie 2 d). Gdyby jednak nie byłyby one wyznaczone, to należałoby użyć następującego twierdzenia: Jeśli spełnione są warunki: WK f (x 0 ) = 0 WD 2 f (x 0 ) < 0 (f (x 0 ) > 0) to funkcja ma maksimum (minimum) lokalne w punkcie x Tabela zbiorcza x (, ) (, ) (, 3) 3 (3, + ) f (x) + 0 brak 0 + f (x) brak wklęsła f max wklęsła 8 wklęsła brak + 0 wypukła f min wypukła 0 + wypukła 5. Sporządzenie wykresu funkcji pozostawiam studentom do opracowania samodzielnego. Warunek konieczny istnienia ekstremum 2 Warunek dostateczny istnienia ekstremum