Для начала попробуй найти область определения функции:

Справился? Сравним​ ответы:

Все верно? Молодец!

Теперь попробуем найти область значений функции:

Нашел? Сравниваем:

Сошлось? Молодец!

Еще раз поработаем с графиками, только теперь чуть-чуть посложнее - найти и область определения функции, и область значений функции.

Как найти и область определения и область значений функции (продвинутый вариант)

Вот что получилось:

С графиками, я думаю, ты разобрался. Теперь попробуем в соответствии с формулами найти область определения функции (если ты не знаешь как это сделать, прочитай раздел про ):

Справился? Сверим ответы :

1. , так как подкоренное выражение должно быть больше или равно нулю.
2. , так как на ноль делить нельзя и подкоренное выражение не может быть отрицательным.
3. , так как, соответственно при всех.
4. , так как на ноль делить нельзя.

Однако, у нас остался еще один не разобранный момент…

Еще раз повторю определение и сделаю на нем акцент:

Заметил? Слово «единственный» - это очень-очень важный элемент нашего определения. Постараюсь объяснить тебе на пальцах.

Допустим, у нас есть функция, заданная прямой. . При, мы подставляем данное значение в наше «правило» и получаем, что. Одному значению соответствует одно значение. Мы даже можем составить таблицу различных значений и построить график данной функции, чтобы убедится в этом.

«Смотри! - скажешь ты, -« » встречается два раза!» Так быть может парабола не является функцией? Нет, является!

То, что « » встречается два раза далеко не повод обвинять параболу в неоднозначности!

Дело в том, что, при расчёте для, мы получили один игрек. И при расчёте с мы получили один игрек. Так что все верно, парабола является функцией. Посмотри на график:

Разобрался? Если нет, вот тебе жизненный пример сооовсем далекий от математики!

Допустим, у нас есть группа абитуриентов, познакомившихся при подаче документов, каждый из которых в разговоре рассказал, где он живет:

Согласись, вполне реально, что несколько ребят живут в одном городе, но невозможно, чтобы один человек жил в нескольких городах одновременно. Это как бы логичное представление нашей «параболы» - нескольким разным икс соответствует один и тот же игрек.

Теперь придумаем пример, когда зависимость не будет функцией. Допустим, эти же ребята рассказывали, на какие специальности они подали документы:

Здесь у нас совершенно другая ситуация: один человек может спокойно подать документы как на одно, так и на несколько направлений. То есть одному элементу множества ставится в соответствие несколько элементов множества. Соответственно, это не функция.

Проверим твои знания на практике.

Определи по рисункам, что является функцией, а что нет:

Разобрался? А вот и ответы :

• Функцией является - В,Е.
• Функцией не является - А, Б, Г, Д.

Ты спросишь почему? Да вот почему:

На всех рисунках кроме В) и Е) на один приходится несколько!

Уверена, теперь, ты с легкостью отличишь функцию от не функции, скажешь, что такое аргумент и что такое зависимая переменная, а так же определишь область допустимых значений аргумента и область определения функции. Приступаем к следующему разделу - как задать функцию?

Способы задания функции

Как ты думаешь, что означают слова «задать функцию» ? Правильно, это значит объяснить всем желающим, о какой функции в данном случае идет речь. Причем объяснить так, чтобы каждый понял тебя правильно и нарисованные людьми по твоему объяснению графики функций были одинаковы.

Как это можно сделать? Как задать функцию? Самый простой способ, который уже не раз применялся в этой статье - с помощью формулы. Мы пишем формулу, и, подставляя в нее значение, высчитываем значение. А как ты помнишь, формула - это закон, правило, по которому нам и другому человеку становится ясно, как икс превращается в игрек.

Обычно, именно так и делают - в заданиях мы видим уже готовые функции, заданные формулами, однако, существуют и другие способы задать функцию, про которые все забывают, в связи с чем вопрос «как еще можно задать функцию?» ставит в тупик. Разберемся во всем по порядку, а начнем с аналитического способа.

Аналитический способ задания функции

Аналитический способ это и есть задание функции с помощью формулы. Это самый универсальный и исчерпывающий и однозначный способ. Если у тебя есть формула, то ты знаешь о функции абсолютно все - ты можешь составить по ней табличку значений, можешь построить график, определить, где функция возрастает, а где убывает, в общем, исследовать ее по полной программе.

Рассмотрим функцию. Чему равно?

«Что это значит?» - спросишь ты. Сейчас объясню.

Напомню, что в записи выражение в скобках называется аргументом. И этот аргумент может быть любым выражением, не обязательно просто. Соответственно, каким бы ни был аргумент (выражение в скобках), мы его запишем вместо в выражении.

В нашем примере получится так:

Рассмотрим еще задание, связанное с аналитическим способом задания функции, которое будет у тебя на экзамене.

Найдите значение выражения, при.

Уверена, что сначала, ты испугался, увидев такое выражение, но в нем нет абсолютно ничего страшного!

Все как и в прошлом примере: каким бы ни был аргумент (выражение в скобках), мы его запишем вместо в выражении. Например, для функции.

Что же нужно сделать в нашем примере? Вместо надо написать, а вместо - :

сократить получившееся выражение:

Вот и все!

Самостоятельная работа

Теперь попробуй самостоятельно найти значение следующих выражений:

1. , если
2. , если

Справился? Сравним наши ответы: Мы привыкли, что функция имеет вид

Даже в наших примерах мы задаем функцию именно таким образом, однако аналитически можно задать функцию в неявном виде, например.

Попробуй построить эту функцию самостоятельно.

Справился?

Вот как строила ее я.

Какое уравнение мы в итоге вывели?

Правильно! Линейное, а это значит, что графиком будет прямая линия. Сделаем табличку, чтобы определить, какие точки принадлежат нашей прямой:

Вот как раз то, о чем мы говорили… Одному соответствует несколько.

Попробуем нарисовать то, что получилось:

Является ли то, что у нас получилось функцией?

Правильно, нет! Почему? Попробуй ответить на этот вопрос с помощью рисунка. Что у тебя вышло?

«Потому что одному значению соответствует несколько значений!»

Какой вывод мы можем из этого сделать?

Правильно, функция не всегда может быть выражена явно, и не всегда то, что «замаскировано» под функцию является функцией!

Табличный способ задания функции

Как следует из названия, этот способ представляет собой простую табличку. Да, да. Наподобие той, которой мы с тобой уже составляли. Например:

Здесь ты сразу подметил закономерность - игрек в три раза больше чем икс. А теперь задание на «очень хорошо подумать»: как ты считаешь, равносильная ли функция, заданная в виде таблицы, функции?

Не будем долго рассуждать, а будем рисовать!

Итак. Рисуем функцию, заданную обоями способами:

Видишь разницу? Дело совсем не в отмеченных точках! Присмотрись внимательнее:

Теперь увидел? Когда мы задаем функцию табличным способом, мы на графике отражаем только те точки, которые есть у нас в таблице и линия (как в нашем случае) проходит только через них. Когда мы задаем функцию аналитическим способом, мы можем взять любые точки, и наша функция ими не ограничивается. Вот такая вот особенность. Запоминай!

Графический способ построения функции

Графический способ построения функции не менее удобен. Мы рисуем нашу функцию, а другой заинтересованный человек может найти чему равен игрек при определенном икс и так далее. Графический и аналитический способы одни из самых распространенных.

Однако, здесь нужно помнить о чем мы с тобой говорили в самом начале - не каждая «загогулина» нарисованная в системе координат является функцией! Вспомнил? На всякий случай скопирую тебе сюда определение, что функцией является:

Как правило, люди обычно называют именно те три способа задания функции, которые мы разобрали - аналитический (с помощью формулы), табличный и графический, напрочь забывая о том, что функцию можно словесно описать. Как это? Да очень просто!

Словесное описание функции

Как же описать функцию словесно? Возьмем наш недавний пример - . Данную функцию можно описать «каждому действительному значению икс соответствует его утроенное значение». Вот и все. Ничего сложного. Ты, конечно, возразишь - «есть настолько сложные функции, которые словесно задать просто невозможно!» Да, есть и такие, но есть функции, которые описать словесно легче, чем задать формулой. Например: «каждому натуральному значению икс соответствует разница между цифрами, из которых он состоит, при этом за уменьшаемое берется наибольшее цифра, содержащиеся в записи числа». Теперь рассмотрим, как наше словесное описание функции реализуется на практике:

Наибольшая цифра в данном числе - , соответственно, - уменьшаемое, тогда:

Основные виды функций

Теперь перейдем к самому интересному - рассмотрим основные виды функций, с которыми ты работал/работаешь и будешь работать в курсе школьной и институтской математики, то есть познакомимся с ними, так сказать и дадим им краткую характеристику. Более подробно про каждую функцию читай в соответствующем разделе.

Линейная функция

Функция вида, где, - действительные числа.

Графиком данной функции служит прямая, поэтому построение линейной функции сводится к нахождению координат двух точек.

Положение прямой на координатной плоскости зависит от углового коэффициента.

Область определения функции (aka область допустимых значений аргумента) - .

Область значений - .

Квадратичная функция

Функция вида, где

Графиком функции является парабола, при ветви параболы направлены вниз, при — вверх.

Многие свойства квадратичной функции зависят от значения дискриминанта. Дискриминант вычисляется по формуле

Положение параболы на координатной плоскости относительно значения и коэффициента показаны на рисунке:

Область определения

Область значений зависит от экстремума данной функции (точки вершины параболы) и коэффициента (направления ветвей параболы)

Обратная пропорциональность

Функция, задаваемая формулой, где

Число называется коэффициентом обратной пропорциональности. В зависимости от того, какое значение, ветви гиперболы находятся в разных квадратах:

Область определения - .

Область значений - .

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. Функцией называется правило, по которому каждому элементу множества ставится в соответствие единственный элемент множества.

• - это формула, обозначающая функцию, то есть зависимость одной переменной от другой;
• - переменная величина, или, аргумент;
• - зависимая величина - изменяется при изменении аргумента, то есть согласно какой-либо определенной формуле, отражающей зависимость одной величины от другой.

2. Допустимые значения аргумента , или область определения функции - это то, что связано с возможными, при которых функция имеет смысл.

3. Область значений функции - это то, какие значения принимает, при допустимых значениях.

4. Существует 4 способа задания функции:

• аналитический (с помощью формул);
• табличный;
• графический
• словесное описание.

5. Основные виды функций:

• : , где, - действительные числа;
• : , где;
• : , где.

Достаточно часто в курсе математического анализа можно встретить задание со следующей формулировкой: «исследовать функцию и построить график» . Данная формулировка говорит сама за себя и разбивает задачу на два этапа:

• Этап 1: исследование функции;
• Этап 2: построение графика исследуемой функции.

Первый этап наиболее объемный и включает в себя отыскание областей определения и значений, экстремумов функции, точек перегиба графика и т.д.

Полный план исследования функции $y=f(x)$, предваряющий цель построение графика, имеет следующие пункты:

• Поиск области определения функции $D_{y} $ и области допустимых значений $E_{y} $ функции.
• Определение вида функции: четная, нечетная, общего вида.
• Определение точек пересечения графика функции с осями координат.
• Нахождение асимптот графика функции (вертикальные, наклонные, горизонтальные).
• Нахождение интервалов монотонности функции и точек экстремума.
• Нахождение промежутков выпуклости, вогнутости графика и точек перегиба.

Поиск области определения функции $D_{y} $ подразумевает нахождение интервалов, на которых данная функция существует (определена). Как правило, данная задача сводится к отысканию ОДЗ (область допустимых значений), на основании которых формируется $D_{y} $.

Пример 1

Найти область определения функции $y=\frac{x}{x-1} $.

Найдем ОДЗ рассматриваемой функции, т.е. значения переменной, при которых знаменатель не обращается в ноль.

ОДЗ: $x-1\ne 0\Rightarrow x\ne 1$

Запишем область определения: $D_{y} =\{ x\in R|x\ne 1\} $.

Определение 1

Функция $y=f(x)$ является четной в случае, если выполняется следующее равенство $f(-x)=f(x)$ $\forall x\in D_{y} $.

Определение 2

Функция $y=f(x)$ является нечетной в случае, если выполняется следующее равенство $f(-x)=-f(x)$ $\forall x\in D_{y} $.

Определение 3

Функция, не являющаяся ни четной, ни нечетной, называется функцией общего вида.

Пример 2

Определить вид функций: 1) $y=\frac{x}{x-1} $, 2) $y=\frac{x^{2} }{x^{2} -1} $; 3) $y=\frac{x}{x^{2} -1} $.

1) $y=\frac{x}{x-1} $

$f(-x)\ne f(x);f(-x)\ne -f(x)$, следовательно, имеем функцию общего вида.

2) $y=\frac{x^{2} }{x^{2} -1} $

$f(-x)=f(x)$, следовательно, имеем четную функцию.

3) $y=\frac{x}{x^{2} -1} $.

$f(-x)\ne -f(x)$, следовательно, имеем нечетную функцию.

Определение точек пересечения графика функции с осями координат включает нахождение точек пересечения: с осью ОХ ($y=0$), с осью OY ($x=0$).

Пример 3

Найти точки пересечения с осями координат функции $y=\frac{x+2}{x-1} $.

1. с осью ОХ ($y=0$)

$\frac{x+2}{x-1} =0\Rightarrow x+2=0\Rightarrow x=-2$; получаем точку (-2;0)

1. с осью ОY ($x=0$)

$y(0)=\frac{0+2}{0-1} =-2$, получаем точку (0;-2)

На основе результатов, полученных на этапе исследования функции, строится график. Иногда для построения графика функции недостаточно точек, полученных на первом этапе, тогда необходимо найти дополнительные точки.

Пример 4

Исследовать функцию и построить ее график: $y=x^{3} -6x^{2} +2x+1$.

1. Область определения: $D_{y} =\{ x|x\in R\} $.
2. Область значений: $E_{y} =\{ y|y\in R\} $.
3. Четность, нечетность функции :\ \

Функция общего вида, т.е. не является ни четной, ни нечетной.

4) Пересечение с осями координат:

с осью OY: $y(0)=0^{3} -6\cdot 0^{2} +2\cdot 0+1=1$, следовательно, график проходит через точку (0;1).

с осью OХ: $x^{3} -6x^{2} +2x+1=0$ (рациональных корней нет)

5) Асимптоты графика:

Вертикальных асимптот нет, так как $D_{y} =\{ x|x\in R\} $

Наклонные асимптоты будем искать в виде $y=kx+b$.

$k=\mathop{\lim }\limits_{x\to \infty } \frac{y(x)}{x} =\mathop{\lim }\limits_{x\to \infty } \frac{x^{3} -6x^{2} +2x+1}{x} =\infty $. Следовательно, наклонных асимптот нет.

6) Возрастание, убывание функции; экстремумы:

\ \[\begin{array}{l} {y"=0\Rightarrow 3x^{2} -12x+2=0} \\ {D=144-24=120} \\ {x_{1,2} =\frac{12\pm \sqrt{120} }{6} } \end{array}\]

Отметим точки на числовой оси, расставим знаки первой производной и отметим поведение функции:

Рисунок 1.

Функция возрастает на $\left(-\infty ;\frac{12-\sqrt{120} }{6} \right]$ и $\left[\frac{12+\sqrt{120} }{6} ;\infty \right)$, убывает на $\left[\frac{12-\sqrt{120} }{6} ;\frac{12+\sqrt{120} }{6} \right]$.

$x=\frac{12-\sqrt{120} }{6} $ - точка максимума; $y\left(\frac{12-\sqrt{120} }{6} \right)=1,172$

$x=\frac{12+\sqrt{120} }{6} $ - точка минимума; $y\left(\frac{12+\sqrt{120} }{6} \right)=-23,172$

7) Выпуклость, вогнутость графика:

\ \[\begin{array}{l} {y""=(3x^{2} -12x+2)"=6x-12} \\ {y""=0\Rightarrow 6x-12=0\Rightarrow x=2} \end{array}\]

Отметим точки на числовой оси, расставим знаки второй производной и отметим поведение графика функции:

Рисунок 2.

График направлен выпуклостью вверх на $(-\infty ;2]$, вниз на $

8) График функции:

Рисунок 3.

Сегодня мы предлагаем вместе с нами исследовать и построить график функции. После внимательного изучения данной статьи вам не придется долго потеть над выполнением подобного рода задания. Исследовать и построить график функции нелегко, работа объемная, требующая максимального внимания и точности вычислений. Для облегчения восприятия материала мы будем поэтапно изучать одну и ту же функцию, объясним все наши действия и вычисления. Добро пожаловать в удивительный и увлекательный мир математики! Поехали!

Область определения

Для того чтобы исследовать и построить график функции, необходимо знать несколько определений. Функция является одним из основных (базовых) понятий в математике. Она отражает зависимость между несколькими переменными (двумя, тремя и более) при изменениях. Так же функция показывает зависимость множеств.

Представьте, что у нас есть две переменные, которые имеют определенный диапазон изменения. Так вот, у - это функция от х, при условии, что каждому значению второй переменной соответствует одно значение второй. При этом переменная у - зависима, ее и называют функцией. Принято говорить, что переменные х и у находятся в Для большей наглядности данной зависимости строят график функции. Что такое график функции? Это множество точек на координатной плоскости, где каждому значению х соответствует одно значение у. Графики могут быть разные - прямая линия, гипербола, парабола, синусоида и так далее.

График функции невозможно построить без исследования. Сегодня мы научимся проводить исследование и построим график функции. Очень важно в ходе исследования на наносить пометки. Так справиться с задачей будет намного проще. Наиболее удобный план исследования:

1. Область определения.
2. Непрерывность.
3. Четность или нечетность.
4. Периодичность.
5. Асимптоты.
6. Нули.
7. Знакопостоянство.
8. Возрастание и убывание.
9. Экстремумы.
10. Выпуклость и вогнутость.

Начнем с первого пункта. Найдем область определения, то есть на каких промежутках существует наша функция: у=1/3(х^3-14х^2+49х-36). В нашем случае, функция существует при любых значениях х, то есть область определения равна R. Записать это можно следующим образом хÎR.

Непрерывность

Сейчас мы с вами будем исследовать функцию на разрыв. В математике термин «непрерывность» появился в результате изучения законов движения. Что является бесконечным? Пространство, время, некоторые зависимости (примером может служить зависимость переменных S и t в задачах на движение), температура нагреваемого объекта (воды, сковороды, термометра и так далее), непрерывная линия (то есть та, которую можно нарисовать, не отрывая от листа карандаш).

Непрерывным считается график, который не разрывается в некоторой точке. Одним из самых наглядных примеров такого графика является синусоида, которую вы можете увидеть на картинке в данном разделе. Функция непрерывна в некоторой точке х0, если соблюден ряд условий:

• в данной точке определена функция;
• правый и левый предел в точке равны;
• предел равен значению функции в точке х0.

При несоблюдении хотя бы одного условия говорят, что функция терпит разрыв. А точки, в которых разрывается функция, принято называть точками разрыва. Примером функции, которая при графическом отображении будет «разрываться», может служить: у=(х+4)/(х-3). При этом у не существует в точке х=3 (так как на нуль делить нельзя).

В функции, которую исследуем мы (у=1/3(х^3-14х^2+49х-36)) оказалось все просто, так как график будет являться непрерывным.

Четность, нечетность

Теперь исследуйте функцию на четность. Для начала немного теории. Четной называют ту функцию, которая удовлетворяет условию f(-x)=f(x) при любом значении переменной х (из области значений). Примерами могут служить:

• модуль х (график похож на галку, биссектриса первой и второй четверти графика);
• х в квадрате (парабола);
• косинус х (косинусоида).

Обратите внимание на то, что все эти графики симметричны, если рассматривать это относительно оси ординат (то есть у).

А что же тогда называют нечетной функцией? Таковыми являются те функции, которые удовлетворяют условию: f(-х)=-f(х) при любом значении переменной х. Примеры:

• гипербола;
• кубическая парабола;
• синусоида;
• тангенсоида и так далее.

Обратите внимание на то, что данные функции имеют симметрию относительно точки (0:0), то есть начала координат. Исходя из того, что было сказано в данном разделе статьи, четная и нечетная функция должна обладать свойством: х принадлежит множеству определения и -х тоже.

Исследуем функцию на четность. Мы можем заметить, что она не подходит ни под одно из описаний. Следовательно, наша функция не является ни четной, ни нечетной.

Асимптоты

Начнем с определения. Асимптота - это кривая, которая максимально приближена к графику, то есть расстояние от некоторой точки стремится к нулю. Всего выделяют три вида асимптот:

• вертикальные, то есть параллельные оси у;
• горизонтальные, то есть параллельные оси х;
• наклонные.

Что касается первого вида, то данные прямые стоит искать в некоторых точках:

• разрыв;
• концы области определения.

В нашем случае функция непрерывна, а область определения равна R. Следовательно, вертикальные асимптоты отсутствуют.

Горизонтальная асимптота есть у графика функции, который отвечает следующему требованию: если х стремится к бесконечности или минус бесконечности, а предел равен некоторому числу (например, а). В данном случае у=а - это и есть горизонтальная асимптота. В исследуемой нами функции горизонтальных асимптот нет.

Наклонная асимптота существует только в том случае, если соблюдены два условия:

• lim (f(x))/x=k;
• lim f(x)-kx=b.

Тогда ее можно найти по формуле: у=kx+b. Опять же, в нашем случае наклонных асимптот нет.

Нули функции

Следующим этапом нам необходимо исследовать график функции на нули. Очень важно отметить и то, что задание, связанное с нахождением нулей функции, встречается не только при исследовании и построении графика функции, но и как самостоятельное задание, и как способ решения неравенств. От вас могут потребовать найти нули функции на графике или использовать математическую запись.

Нахождение данных значений поможет вам более точно составить график функции. Если говорить простым языком, то нуль функции - это значение переменной х, при которой у=0. Если вы ищите нули функции на графике, то стоит обратить внимание на точки, в которых происходит пересечение графика с осью абсцисс.

Чтобы найти нули функции, необходимо решить следующее уравнение: у=1/3(х^3-14х^2+49х-36)=0. После проведения необходимых вычислений, мы получаем следующий ответ:

Знакопостоянство

Следующий этап исследования и построения функции (графика) - это нахождение промежутков знакопостоянства. Это значит, что мы должны определить, на каких промежутках функция принимает положительное значение, а на каких - отрицательное. Это нам помогут сделать найденные в прошлом разделе нули функции. Итак, нам нужно построить прямую (отдельно от графика) и в правильном порядке распределить по ней нули функции от меньшего к большему. Теперь нужно определить, какой из полученных промежутков имеет знак «+», а какой «-».

В нашем случае, функция принимает положительное значение на промежутках:

• от 1 до 4;
• от 9 до бесконечности.

Отрицательное значение:

• от минус бесконечности до 1;
• от 4 до 9.

Это определить достаточно просто. Подставьте любое число из промежутка в функцию и посмотрите с каким знаком получился ответ (минус или плюс).

Возрастание и убывание функции

Для того чтобы исследовать и построить функцию, нам необходимо узнать, где график будет возрастать (идти вверх по Оу), а где будет падать (ползти вниз по оси ординат).

Функция возрастает только в том случае, если большему значению переменной х соответствует большее значение у. То есть х2 больше х1, а f(х2) больше f(x1). И совершенно обратное явление мы наблюдаем у убывающей функции (чем больше х, тем меньше у). Для определения промежутков возрастания и убывания необходимо найти следующее:

• область определения (у нас уже есть);
• производную (в нашем случае: 1/3(3х^2-28х+49);
• решить уравнение 1/3(3х^2-28х+49)=0.

После вычислений мы получаем результат:

Получаем: функция возрастает на промежутках от минуса бесконечности до 7/3 и от 7 до бесконечности, а убывает на промежутке от 7/3 до 7.

Экстремумы

Исследуемая функция y=1/3(х^3-14х^2+49х-36) является непрерывной и существует при любых значениях переменной х. Точка экстремума показывает максимум и минимум данной функции. В нашем случае таковых не имеется, что значительно упрощает задачу построения. В противном случае так же находятся при помощи производной функции. После нахождения не забывайте отмечать их на графике.

Выпуклость и вогнутость

Продолжаем далее исследовать функцию y(x). Сейчас нам нужно проверить ее на выпуклость и вогнутость. Определения этих понятий достаточно тяжело воспринять, лучше все проанализировать на примерах. Для теста: функция выпуклая, если является неубывающей функции. Согласитесь, это непонятно!

Нам нужно найти производную от функции второго порядка. Мы получаем: у=1/3(6х-28). Теперь приравняем правую часть к нулю и решим уравнение. Ответ: х=14/3. Мы нашли точку перегиба, то есть место, где график меняет выпуклость на вогнутость или наоборот. На промежутке от минус бесконечности до 14/3 функция выпукла, а от 14/3 до плюс бесконечности - вогнута. Очень важно отметить и то, что точка перегиба на графике должна быть плавной и мягкой, никаких острых углов присутствовать не должно.

Определение дополнительных точек

Наша задача - исследовать и построить график функции. Мы закончили исследование, построить график функции теперь не составит труда. Для более точного и детального воспроизведения кривой или прямой на координатной плоскости можно найти несколько вспомогательных точек. Их вычислить довольно просто. Например, мы возьмем х=3, решаем полученное уравнение и находим у=4. Или х=5, а у=-5 и так далее. Дополнительных точек вы можете брать столько, сколько вам необходимо для построения. Минимум их находят 3-5.

Построение графика

Нам необходимо было исследовать функцию (x^3-14х^2+49х-36)*1/3=у. Все необходимые пометки в ходе вычислений были нанесены на координатной плоскости. Все что осталось сделать - построить график, то есть соединить все точки между собой. Соединять точки стоит плавно и аккуратно, это дело мастерства - немного практики и ваш график будет идеальным.

Как исследовать функцию и построить её график?

Похоже, я начинаю понимать одухотворённо-проникновенный лик вождя мирового пролетариата, автора собрания сочинений в 55 томах…. Нескорый путь начался элементарными сведениями о функциях и графиках , и вот сейчас работа над трудоемкой темой заканчивается закономерным результатом – статьёй о полном исследовании функции . Долгожданное задание формулируется следующим образом:

Исследовать функцию методами дифференциального исчисления и на основании результатов исследования построить её график

Или короче: исследовать функцию и построить график.

Зачем исследовать? В простых случаях нас не затруднит разобраться с элементарными функциями, начертить график, полученный с помощью элементарных геометрических преобразований и т.п. Однако свойства и графические изображения более сложных функций далеко не очевидны, именно поэтому и необходимо целое исследование.

Основные этапы решения сведены в справочном материале Схема исследования функции , это ваш путеводитель по разделу. Чайникам требуется пошаговое объяснение темы, некоторые читатели не знают с чего начать и как организовать исследование, а продвинутым студентам, возможно, будут интересны лишь некоторые моменты. Но кем бы вы ни были, уважаемый посетитель, предложенный конспект с указателями на различные уроки в кратчайший срок сориентирует и направит Вас в интересующем направлении. Роботы прослезились =) Руководство свёрстано в виде pdf-файла и заняло заслуженное место на странице Математические формулы и таблицы .

Исследование функции я привык разбивать на 5-6 пунктов:

6) Дополнительные точки и график по результатам исследования.

На счёт заключительного действия, думаю, всем всё понятно – будет очень обидно, если в считанные секунды его перечеркнут и вернут задание на доработку. ПРАВИЛЬНЫЙ И АККУРАТНЫЙ ЧЕРТЁЖ – это основной результат решения! Он с большой вероятностью «прикроет» аналитические оплошности, в то время как некорректный и/или небрежный график доставит проблемы даже при идеально проведённом исследовании.

Следует отметить, что в других источниках количество пунктов исследования, порядок их выполнения и стиль оформления могут существенно отличаться от предложенной мной схемы, но в большинстве случаев её вполне достаточно. Простейшая версия задачи состоит всего из 2-3 этапов и формулируется примерно так: «исследовать функцию с помощью производной и построить график» либо «исследовать функцию с помощью 1-й и 2-й производной, построить график».

Естественно – если в вашей методичке подробно разобран другой алгоритм или ваш преподаватель строго требует придерживаться его лекций, то придётся внести некоторые коррективы в решение. Не сложнее, чем заменить вилку бензопилой ложкой.

Проверим функцию на чётность/нечётность:

После чего следует шаблонная отписка:
, значит, данная функция не является чётной или нечётной.

Так как функция непрерывна на , то вертикальные асимптоты отсутствуют.

Нет и наклонных асимптот.

Примечание : напоминаю, что более высокого порядка роста , чем , поэтому итоговый предел равен именно «плюс бесконечности».

Выясним, как ведёт себя функция на бесконечности:

Иными словами, если идём вправо, то график уходит бесконечно далеко вверх, если влево – бесконечно далеко вниз. Да, здесь тоже два предела под единой записью. Если у вас возникли трудности с расшифровкой знаков , пожалуйста, посетите урок о бесконечно малых функциях .

Таким образом, функция не ограничена сверху и не ограничена снизу . Учитывая, что у нас нет точек разрыва, становится понятна и область значений функции : – тоже любое действительное число.

ПОЛЕЗНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРИЁМ

Каждый этап задания приносит новую информацию о графике функции , поэтому в ходе решения удобно использовать своеобразный МАКЕТ. Изобразим на черновике декартову систему координат. Что уже точно известно? Во-первых, у графика нет асимптот, следовательно, прямые чертить не нужно. Во-вторых, мы знаем, как функция ведёт себя на бесконечности. Согласно проведённому анализу, нарисуем первое приближение:

Заметьте, что в силу непрерывности функции на и того факта, что , график должен, по меньшей мере, один раз пересечь ось . А может быть точек пересечения несколько?

3) Нули функции и интервалы знакопостоянства.

Сначала найдём точку пересечения графика с осью ординат. Это просто. Необходимо вычислить значение функции при :

Полтора над уровнем моря.

Чтобы найти точки пересечения с осью (нули функции) требуется решить уравнение , и тут нас поджидает неприятный сюрприз:

В конце притаился свободный член, который существенно затрудняет задачу.

Такое уравнение имеет, как минимум, один действительный корень, и чаще всего этот корень иррационален. В худшей же сказке нас поджидают три поросёнка. Уравнение разрешимо с помощью так называемых формул Кардано , но порча бумаги сопоставима чуть ли не со всем исследованием. В этой связи разумнее устно либо на черновике попытаться подобрать хотя бы один целый корень. Проверим, не являются ли оными числа :
– не подходит;
– есть!

Здесь повезло. В случае неудачи можно протестировать ещё и , а если и эти числа не подошли, то шансов на выгодное решение уравнения, боюсь, очень мало. Тогда пункт исследования лучше полностью пропустить – авось станет что-нибудь понятнее на завершающем шаге, когда будут пробиваться дополнительные точки. И если таки корень (корни) явно «нехорошие», то об интервалах знакопостоянства лучше вообще скромно умолчать да поаккуратнее выполнить чертёж.

Однако у нас есть красивый корень , поэтому делим многочлен на без остатка:

Алгоритм деления многочлена на многочлен детально разобран в первом примере урока Сложные пределы .

В итоге левая часть исходного уравнения раскладывается в произведение:

А теперь немного о здоровом образе жизни. Я, конечно же, понимаю, что квадратные уравнения нужно решать каждый день, но сегодня сделаем исключение: уравнение имеет два действительных корня .

На числовой прямой отложим найденные значения и методом интервалов определим знаки функции:


ог Таким образом, на интервалах график расположен
ниже оси абсцисс , а на интервалах – выше данной оси .

Полученные выводы позволяют детализировать наш макет, и второе приближение графика выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что на интервале функция обязательно должна иметь хотя бы один максимум, а на интервале – хотя бы один минимум. Но сколько раз, где и когда будет «петлять» график, мы пока не знаем. К слову, функция может иметь и бесконечно много экстремумов .

4) Возрастание, убывание и экстремумы функции.

Найдём критические точки:

Данное уравнение имеет два действительных корня . Отложим их на числовой прямой и определим знаки производной:


Следовательно, функция возрастает на и убывает на .
В точке функция достигает максимума: .
В точке функция достигает минимума: .

Установленные факты загоняют наш шаблон в довольно жёсткие рамки:

Что и говорить, дифференциальное исчисление – штука мощная. Давайте окончательно разберёмся с формой графика:

5) Выпуклость, вогнутость и точки перегиба.

Найдём критические точки второй производной:

Определим знаки :


График функции является выпуклым на и вогнутым на . Вычислим ординату точки перегиба: .

Практически всё прояснилось.

6) Осталось найти дополнительные точки, которые помогут точнее построить график и выполнить самопроверку. В данном случае их мало, но пренебрегать не будем:

Выполним чертёж:

Зелёным цветом отмечена точка перегиба, крестиками – дополнительные точки. График кубической функции симметричен относительно своей точки перегиба, которая всегда расположена строго посередине между максимумом и минимумом.

По ходу выполнения задания я привёл три гипотетических промежуточных чертежа. На практике же достаточно нарисовать систему координат, отмечать найденные точки и после каждого пункта исследования мысленно прикидывать, как может выглядеть график функции. Студентам с хорошим уровнем подготовки не составит труда провести такой анализ исключительно в уме без привлечения черновика.

Для самостоятельного решения:

Пример 2

Исследовать функцию и построить график.

Тут всё быстрее и веселее, примерный образец чистового оформления в конце урока.

Немало секретов раскрывает исследование дробно-рациональных функций:

Пример 3

Методами дифференциального исчисления исследовать функцию и на основании результатов исследования построить её график.

Решение : первый этап исследования не отличается чем-то примечательным, за исключением дырки в области определения:

1) Функция определена и непрерывна на всей числовой прямой кроме точки , область определения : .

, значит, данная функция не является четной или нечетной.

Очевидно, что функция непериодическая.

График функции представляет собой две непрерывные ветви, расположенные в левой и правой полуплоскости – это, пожалуй, самый важный вывод 1-го пункта.

2) Асимптоты, поведение функции на бесконечности.

а) С помощью односторонних пределов исследуем поведение функции вблизи подозрительной точки, где явно должна быть вертикальная асимптота:

Действительно, функции терпит бесконечный разрыв в точке ,
а прямая (ось ) является вертикальной асимптотой графика .

б) Проверим, существуют ли наклонные асимптоты:

Да, прямая является наклонной асимптотой графика , если .

Пределы анализировать смысла не имеет, поскольку и так понятно, что функция в обнимку со своей наклонной асимптотой не ограничена сверху и не ограничена снизу .

Второй пункт исследования принёс много важной информации о функции. Выполним черновой набросок:

Вывод №1 касается интервалов знакопостоянства. На «минус бесконечности» график функции однозначно расположен ниже оси абсцисс, а на «плюс бесконечности» – выше данной оси. Кроме того, односторонние пределы сообщили нам, что и слева и справа от точки функция тоже больше нуля. Обратите внимание, что в левой полуплоскости график, по меньшей мере, один раз обязан пересечь ось абсцисс. В правой полуплоскости нулей функции может и не быть.

Вывод №2 состоит в том, что функция возрастает на и слева от точки (идёт «снизу вверх»). Справа же от данной точки – функция убывает (идёт «сверху вниз»). У правой ветви графика непременно должен быть хотя бы один минимум. Слева экстремумы не гарантированы.

Вывод №3 даёт достоверную информацию о вогнутости графика в окрестности точки . О выпуклости/вогнутости на бесконечностях мы пока ничего сказать не можем, поскольку линия может прижиматься к своей асимптоте как сверху, так и снизу. Вообще говоря, есть аналитический способ выяснить это прямо сейчас, но форма графика «даром» прояснится на более поздних этапах.

Зачем столько слов? Чтобы контролировать последующие пункты исследования и не допустить ошибок! Дальнейшие выкладки не должны противоречить сделанным выводам.

3) Точки пересечения графика с координатными осями, интервалы знакопостоянства функции.

График функции не пересекает ось .

Методом интервалов определим знаки :

, если ;
, если .

Результаты пункта полностью соответствуют Выводу №1. После каждого этапа смотрите на черновик, мысленно сверяйтесь с исследованием и дорисовывайте график функции.

В рассматриваемом примере числитель почленно делится на знаменатель, что очень выгодно для дифференцирования:

Собственно, это уже проделывалось при нахождении асимптот.

– критическая точка.

Определим знаки :

возрастает на и убывает на

В точке функция достигает минимума: .

Разночтений с Выводом №2 также не обнаружилось, и, вероятнее всего, мы на правильном пути.

Значит, график функции является вогнутым на всей области определения.

Отлично – и чертить ничего не надо.

Точки перегиба отсутствуют.

Вогнутость согласуется с Выводом №3, более того, указывает, что на бесконечности (и там и там) график функции расположен выше своей наклонной асимптоты.

6) Добросовестно приколотим задание дополнительными точками. Вот здесь придётся изрядно потрудиться, поскольку из исследования нам известны только две точки.

И картинка, которую, наверное, многие давно представили:

В ходе выполнения задания нужно тщательно следить за тем, чтобы не возникало противоречий между этапами исследования, но иногда ситуация бывает экстренной или даже отчаянно-тупиковой. Вот «не сходится» аналитика – и всё тут. В этом случае рекомендую аварийный приём: находим как можно больше точек, принадлежащих графику (сколько хватит терпения), и отмечаем их на координатной плоскости. Графический анализ найденных значений в большинстве случаев подскажет, где правда, а где ложь. Кроме того, график можно предварительно построить с помощью какой-нибудь программы, например, в том же Экселе (понятно, для этого нужны навыки).

Пример 4

Методами дифференциального исчисления исследовать функцию и построить её график.

Это пример для самостоятельного решения. В нём самоконтроль усиливается чётностью функции – график симметричен относительно оси , и если в вашем исследовании что-то противоречит данному факту, ищите ошибку.

Чётную или нечётную функцию можно исследовать только при , а потом пользоваться симметрией графика. Такое решение оптимально, однако выглядит, по моему мнению, весьма непривычно. Лично я рассматриваю всю числовую ось, но дополнительные точки нахожу всё же лишь справа:

Пример 5

Провести полное исследование функции и построить её график.

Решение : понеслась нелёгкая:

1) Функция определена и непрерывна на всей числовой прямой: .

Значит, данная функция является нечетной, её график симметричен относительно начала координат.

Очевидно, что функция непериодическая.

2) Асимптоты, поведение функции на бесконечности.

Так как функция непрерывна на , то вертикальные асимптоты отсутствуют

Для функции, содержащей экспоненту, типично раздельное исследование «плюс» и «минус бесконечности», однако нашу жизнь облегчает как раз симметрия графика – либо и слева и справа есть асимптота, либо её нет. Поэтому оба бесконечных предела можно оформить под единой записью. В ходе решения используем правило Лопиталя :

Прямая (ось ) является горизонтальной асимптотой графика при .

Обратите внимание, как я хитро избежал полного алгоритма нахождения наклонной асимптоты: предел вполне легален и проясняет поведение функции на бесконечности, а горизонтальная асимптота обнаружилась «как бы заодно».

Из непрерывности на и существования горизонтальной асимптоты следует тот факт, что функция ограничена сверху и ограничена снизу .

3) Точки пересечения графика с координатными осями, интервалы знакопостоянства.

Здесь тоже сокращаем решение:
График проходит через начало координат.

Других точек пересечения с координатными осями нет. Более того, интервалы знакопостоянства очевидны, и ось можно не чертить: , а значит, знак функции зависит только от «икса»:
, если ;
, если .

4) Возрастание, убывание, экстремумы функции.


– критические точки.

Точки симметричны относительно нуля, как оно и должно быть.

Определим знаки производной:


Функция возрастает на интервале и убывает на интервалах

В точке функция достигает максимума: .

В силу свойства (нечётности функции) минимум можно не вычислять:

Поскольку функция убывает на интервале , то, очевидно, на «минус бесконечности» график расположен под своей асимптотой. На интервале функция тоже убывает, но здесь всё наоборот – после перехода через точку максимума линия приближается к оси уже сверху.

Из вышесказанного также следует, что график функции является выпуклым на «минус бесконечности» и вогнутым на «плюс бесконечности».

После этого пункта исследования прорисовалась и область значений функции:

Если у вас возникло недопонимание каких-либо моментов, ещё раз призываю начертить в тетради координатные оси и с карандашом в руках заново проанализировать каждый вывод задания.

5) Выпуклость, вогнутость, перегибы графика.

– критические точки.

Симметрия точек сохраняется, и, скорее всего, мы не ошибаемся.

Определим знаки :


График функции является выпуклым на и вогнутым на .

Выпуклость/вогнутость на крайних интервалах подтвердилась.

Во всех критических точках существуют перегибы графика. Найдём ординаты точек перегиба, при этом снова сократим количество вычислений, используя нечётность функции:

Для полного исследования функции и построения её графика рекомендуется использовать следующую схему:

1) найти область определения функции;

2) найти точки разрыва функции и вертикальные асимптоты (если они существуют);

3) исследовать поведение функции в бесконечности, найти горизонтальные и наклонные асимптоты;

4) исследовать функцию на чётность (нечётность) и на периодичность (для тригонометрических функций);

5) найти экстремумы и интервалы монотонности функции;

6) определить интервалы выпуклости и точки перегиба;

7) найти точки пересечения с осями координат, если возможно и некоторые дополнительные точки, уточняющие график.

Исследование функции проводится одновременно с построением её графика.

Пример 9 Исследовать функцию и построить график.

1. Область определения: ;

2. Функция терпит разрывв точках
,
;

Исследуем функцию на наличие вертикальных асимптот.

;
,
─ вертикальная асимптота.

;
,
─ вертикальная асимптота.

3. Исследуем функцию на наличие наклонных и горизонтальных асимптот.

Прямая
─ наклонная асимптота, если
,
.

,
.

Прямая
─ горизонтальная асимптота.

4. Функция является четной т.к.
. Чётность функции указывает на симметричность графика относительно оси ординат.

5. Найдём интервалы монотонности и экстремумы функции.

Найдём критические точки, т.е. точки в которых производная равна 0 или не существует:
;
. Имеем три точки
;

. Эти точки разбивают всю действительную ось на четыре промежутка. Определим знакина каждом из них.

На интервалах (-∞; -1) и (-1; 0) функция возрастает, на интервалах (0; 1) и (1 ; +∞) ─ убывает. При переходе через точку
производная меняет знак с плюса на минус, следовательно, в этой точке функция имеет максимум
.

6. Найдём интервалы выпуклости, точки перегиба.

Найдём точки, в которых равна 0, или не существует.

не имеет действительных корней.
,
,

Точки
и
разбивают действительную ось на три интервала. Определим знак на каждом промежутке.

Таким образом, кривая на интервалах
и
выпуклая вниз, на интервале (-1;1) выпуклая вверх; точек перегиба нет, т. к. функция в точках
и
не определена.

7. Найдем точки пересечения с осями.

С осью
график функции пересекается в точке (0; -1), а с осью
график не пересекается, т.к. числитель данной функции не имеет действительных корней.

График заданной функции изображён на рисунке 1.

Рисунок 1 ─ График функции

Применение понятия производной в экономике. Эластичность функции

Для исследования экономических процессов и решения других прикладных задач часто используется понятие эластичности функции.

Определение. Эластичностью функции
называется предел отношения относительного приращения функциик относительному приращению переменнойпри
, . (VII)

Эластичность функции показывает приближённо, на сколько процентов изменится функция
при изменении независимой переменнойна 1%.

Эластичность функции применяется при анализе спроса и потребления. Если эластичность спроса (по абсолютной величине)
, то спрос считают эластичным, если
─ нейтральным, если
─ неэластичным относительно цены (или дохода).

Пример 10 Рассчитать эластичность функции
и найти значение показателя эластичности для = 3.

Решение: по формуле (VII) эластичность функции:

Пусть х=3, тогда
.Это означает, что если независимая переменная возрастёт на 1%, то значение зависимой переменной увеличится на 1,42 %.

Пример 11 Пусть функция спроса относительно ценыимеет вид
, где─ постоянный коэффициент. Найти значение показателя эластичности функции спроса при цене х = 3 ден. ед.

Решение: рассчитаем эластичность функции спроса по формуле (VII)

Полагая
ден.ед., получим
. Это означает, что при цене
ден.ед. повышение цены на 1% вызовет снижение спроса на 6%, т.е. спрос эластичен.