Исследовать функцию 1 5х. Исследование функций и построение графиков
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 -∞
Полное исследование функций и построение их графиков удобно выполнять по следующей схеме:
1) найти область определения функции;
2) выяснить, не является ли функция чётной или нечётной, периодической;
3) исследовать непрерывность, найти точки разрыва и выяснить характер разрывов;
4) найти асимптоты графика функции;
5) исследовать монотонность функции и найти ее экстремумы;
6) найти точки перегиба, установить интервалы выпуклости и вогнутости графика функции;
7) обозначить дополнительные точки графика функции, например, точки его пересечения с осями координат.
Результат каждого пункта должен сразу отражаться на графике и согласовываться с результатами исследования по предыдущим пунктам.
Пример 1 .
Провести полное исследование функции и построить график .
1. Функция определена в интервалах хÎ (-¥; 1) È (-1; +¥).
2. Функция не может быть четной или нечетной, т.к. ее область определения не является симметричной относительно 0. Следовательно, данная функция общего вида, т.е. свойством четности не обладает. Также функция не является периодической.
Напомним определения:
Функция называется четной , если выполняются два условия:
a) ее область определения симметрична относительно нуля,
b) для всех значений х из области определения выполняется равенство .
График четной функции имеет осевую симметрию относительно оси OY .
Функция называется нечетной , если
a) ее область определения функции симметрична относительно нуля,
b) при "х из области определения.
График нечетной функции имеет центральную симметрию относительно начала координат.
Функция называется периодической , если существует число Т > 0 , такое что выполняется равенство для "х из области определения.
Число Т называется периодом функции , а ее график достаточно построить на любом промежутке длиной Т , а затем периодически продолжить на всю область определения.
3. Функция является непрерывной при всех хÎ (-¥; -1) È (-1; +¥).
Данная функция является элементарной, которая образована делением двух непрерывных основных элементарных функций и . Поэтому, по свойствам непрерывных функций, данная функция непрерывна во всех точках, в которых она определена.
Точка х = -1 является точкой разрыва, т.к. в ней данная функция не определена. Чтобы определить характер (тип) разрыва, вычислим . Следовательно, при х = -1 функция имеет бесконечный разрыв (разрыв II рода).
4. Асимптоты графика функции.
Вертикальной асимптотой является прямая х = -1 (это следует из исследования разрыва функции).
Наклонные асимптоты ищем уравнением , где
Таким образом, - это уравнение наклонной асимптоты (при х® ±¥).
5. Монотонность и экстремумы функции определим с помощью ее первой производной:
Критические точки определяем из условий:
y max =y(-3)= .
6. Интервалы выпуклости и вогнутости графика функции, ее точки перегиба находим с помощью второй производной:
Подозрительные на перегиб точки определяем из условий:
Достаточные условия выпуклости, вогнутости и точек перегиба:
Точка О(0; 0) является точкой перегиба графика.
Часто результаты исследования функции с помощью первой и второй производной оформляют в виде общей таблицы, отражающей основные свойства графика функции:
| x | (-¥;-3) | -3 | (-3;-1) | -1 | (-1;0) | (0;+¥) | |
| + | - | не существует | + | + | |||
| - | - | - | не существует | - | + | ||
| возрастает, вогнута | max | Убывает, вогнута | не существует | возрастает, вогнута | = 0 точка перегиба | возрастает, выпукла |
Все полученные результаты исследования функции отражаются ее графиком.
Пример 2 .
ООФ: хÎ (-¥; - ) È (- ; ) È ( ;+¥).
Функция является нечетной, так как ее область определения симметрична относительно нуля и для "х Î ООФ выполняется равенство:
Поэтому график функции имеет центральную симметрию относительно начала координат.
Функция является непрерывной при всех хÎ (-¥; - ) È (- ; ) È ( ; +¥), т.к. элементарная функция непрерывна на своей ООФ. Точки х=- и х= являются точками бесконечного разрыва, так как ,
Вертикальными асимптотами графика являются прямые х = - и х = .
Наклонные асимптоты: , где
= = 0 .
Это уравнение наклонной асимптоты.
Интервалы возрастания и убывания функции, ее экстремумы.
Необходимые условия экстремумов:
Þ х 1 = 0, х 2 = 3, х 3 = -3 - критические точки.
Достаточные условия монотонности и экстремумов:
y max =y(-3)= ;
y min =y(3)= .
Интервалы выпуклости, вогнутости графика функции и точки перегибов:
Точка х = 0 подозрительная на перегиб.
Достаточные условия:
Точка О(0; 0) является точкой перегиба.
Общую таблицу основных свойств графика для данной функции можно составить только для хÎ ; 2) числа /(а) и f{b) противоположны по знаку: 3) на отрезке [а, 6] существуют производные f"(x) и f"(x), сохраняющие на этом отрезке постоянный знак. Из условий 1) и 2) в силу теоремы Больцано-Коши (с. 220) следует, что функция /(ж) обращается в нуль по крайней мере в одной точке £ € (а, Ь), т. е. уравнение (1) имеет по крайней мере один действительный корень £ в интервале (а, 6). Так как в силу условия 3) производная /"(х) на [а, Ь\ сохраняет постоянный знак, то f(x) монотонна на [а, Ь] и поэтому в интервале (а, Ь) уравнение (1) имеет только один действительный корень Рассмотрим метод вычисления приближенного значения этого единственного действительного корня £ € (а, 6) уравнения (I) с любой степенью точности. Возможны четыре случая (рис. 40): 1) Рис. 40 Возьмем для определенности случай, когда f\x) > 0, f"(x) > 0 на отрезке [а, 6) (рис.41). Соединим точки А(а, /(а)) и В(Ь, f(b)) хордой А В. Это отрезок прямой, проходящей через точки А и В, уравнение которой Точка aj, в которой хорда АВ пересекает ось Ох, расположена между аи(и является лучшим приближением к чем а. Полагая в (2) у = 0, найдем Из рис. 41 нетрудно заметить, что точка а\ будет всегда расположена с той стороны от в которой знаки f(x) и f"(x) противоположны. Проведем теперь касательную к кривой у = /(х) в точке B(b, f(b)), т. е. в том конце дуги ^АВ, в котором f(x) и /"(я) имеют один и тот же знак. Это существенное условие: без его соблюдения точка пересечения касательной с осью Ох может вовсе не давать приближение к искомому корню. Точка Ь\, в которой касательная пересекает ось Ох, расположена между £ и b с той же стороны, что и 6, и является лучшим приближением к чем Ь. Касательная эта определяется уравнением Полагая в (3) у = 0, найдем Ь\: Схема построения графика функции Исследование функций на экстремум с помощью производных высшего порядка Вычисление корней уравнений методами хорд и касательных Таким образом, имеем Пусть абсолютная погрешность приближения С корня £ задана заранее. За абсолютную погрешность приближенных значений aj и 6, корня £ можно взять величину |6i - ai|. Если эта погрешность больше допустимой, то, принимая отрезок за исходный, найдем следующие приближения корня где. Продолжая этот процесс, получим две последовательности приближенных значений Последовательности {ап} и {bn} монотонные и ограниченные и, значит, имеют пределы. Пусть Можно показать, что если выполнены сформулированные выше условия 1 единственному корню уравнения / Пример. Найти корень (уравнения г2 - 1=0 на отрезке . Таким образом, выполнены все условия, обеспечивающие существование единственного корня (уравнения х2 - 1 = 0 на отрезке . и метод должен сработать. 8 нашем случае а = 0, b = 2. При п = I из (4) и (5) находим При п = 2 получаем что дает приближение к точному значению корня (с абсолютной погрешностью Упражнения Постройте графики функций: Найдите наибольшее и наименьшее значение функций на заданных отрезках: Исследуйте поведение функций в окрестностях заданных точек с помощью производных высших порядков: Ответы
