Одна из возможных схем исследования функции и построения се графика разлагается на следующие этапы решения задачи: 1. Область определения функции (О.О.Ф.). 2. Точки разрыва функции, их характер. Вертикальные асимптоты. 3. Четность, нечетность, периодичность функции. 4. Точки пересечения графика с осями координат. 5. Поведение функции на бесконечности. Горизонтальные и наклонные асимптоты. 6. Интервалы монотонности функции, точки максимума и минимума. 7. Направления выпуклости кривой. Точки перегиба. 8. График функции. Пример 1. Построить график функции у = 1 . (верэиора или локон Марии Аньеэи). - вся числовая ось. 2. Точек разрыва нет; вертикальных асимптот нет. 3. Функция четная: , так что график ее симметричен относительно оси Оу\ непериодическая. Из четности функции следует, что достато^о построить ее график на полупрямой х ^ О, а затем зеркально отразить его в оси Оу. 4. При х = 0 имеем Ух, так что график функции лежит в верхней полуплоскости у > 0. Схема построения графика функции Исследование функций на экстремум с помощью производных высшего порядка Вычисление корней уравнений методами хорд и касательных что график имеет горизонтальную асимптоту у = О, наклонных асимптот нет. Так то функция возрастает при и убывает, когда. Точка х = 0 - критическая. При переходе х через точку х = 0 производная у"(х) меняет знак с минуса на плюс. Следовательно, точка х = 0 - точка максимума, y(Q) = I. Результат этот достаточно очевиден: /(х) = T^IV*. Вторая производная обращается в нуль в точках х = . Исследуем точку х = 4- (далее соображение симметрии). При имеем. кривая выпукла вниз; при получаем (кривая выпукла вверх). Следовательно, точка х = = - - точка перегиба графика функции. Результаты исследования сведем в таблицу: Точка перегиба max Точка перегиба В таблице стрелка У» указывает на возрастание функции, стрелка «\» - на ее убывание. График функции изображен на рис. 33. Пример 2. Построить график функции (трезубец Ньютона). - вся числовая ось, исключая точку 2. Точка разрыва функции. Имеем так что прямая х = 0 - вертикальная асимптота. 3. Функция не является ни четной, ни нечетной [функция общего положения), непериодическая. Полагая получаем график функции пересекает ось Ох в точке (-1,0). наклонных и гори- зонтальных асимптот нет. откуда критическая точка. Вторая производная функции в точке, так что х = - точка минимума. Вторая производная обращается в ууль в точке и меняет свой знак при переходе через эту точку. Следовательно, точка - точка перегиба кривой. Для) имеем е. выпуклость кривой направлена вниз; для -I имеем. выпуклость кривой направлена вверх. Результаты исследования сводим в таблицу: Не существует Не существует Точка перегиба Не существует. Вертикальная асимптота торая производная обращается в нуль при х = е,/2. и при переходе х через эту точку у" меняет знак Следовательно, - абсцисса точки перегиба кривой. Результаты исследования сводим в таблицу: Точка перегиба. График функции изображен на рис. 37. Пример 4. Построить график функции вся числовая ось, исключая точку Точка точка разрыва 2-го рода функции. Так как Km . то прямая вертикальная асимптота графика функции. Функция общего положения, непериодическая. Полагая у = 0, имеем, откуда так что график функции пересекает ось Ох в точке Следовательно, график функции имеет наклонную асимптоту Из условия получаем - критическая точка. Вторая производная функции у" = Д > 0 всюду в области определения, в частности, в точке - точка минимума функции. 7. Поскольку, то всюду в области определения функции выпуклость ее графика направлена вниз. Результаты исследования сводим в таблицу: Не существует Не существует Не существует. х = 0 -вертикальная асимптота График функции изображен на рис. Пример 5. Построить график функции вся числовая ось. 2. Непрерывна всюду. Вертикальных асимптот нет. 3. Общего положения, непериодическая. 4. Функция обращается в нуль при 5. Таким образом, график функции имеет наклонную асимптоту Производная обращается в нуль в точке и не существует при. При переходе х через точку) производная не меняет знак, так что в точке х = 0 экстремума нет. При переходе точки х через точку производная) меняет знак с « + » на Значит в функция имеет максимум. При переходе х через точку х = 3 (х > I) производная у"(х) меняет знак т. е. в точсе х = 3 функция имеет минимум. 7. Находим вторую производную Схема построения графика функции Исследование функций на экстремум с помощью производных высшего порядка Вычисление корней уравнений методами хорд и касательных Вторая производная у"(х) не существует в точке х = 0 и при переходе х через точку х = 0 у" меняет знак с + на так что точка (0,0) кривой - точка перегиба с вертикальной касательной. В точке х = 3 перегиба графика нет. Всюду в полуплоскости х > 0 выпуклость кривой направлена вверх. Результаты исследования сводим в таблицу: Не существует Не существует Не существует Не существует Точка перегиба (0.0) с вертикальной касательной График функции представлен на рис. 39. §7. Исследование функций на экстремум с помощью производных высшего порядка Для отыскания точек максимума и минимума функций может быть использована формула Тейлора. Теорема It. Пусть функция /(х) в некоторой окрестности точки xq имеет производную п-го порядка, непрерывную в точке хо- Пусть 0. Тогда если число п - нечетное, то функция f{x) в точке х0 не имеет экстремума; когда же п - четное, то в точке х0 функция f(x) имеет максимум, если /(п)(х0) < 0, и минимум, если /. В силу определения точек максимума и минимума вопрос о том, имеет ли функция f(x) в точке х0 экстремум, сводится к тому, существует ли такое <5 > 0, что в интервале, разность - /(х0) сохраняет знак. По формуле Тейлора как по условию, то из (1) получаем 1оусловию/(п*(г) непрерывна вточкего и Ф Поэтому в силуустойчивости нака непрерывной функции существует такое, что в интервале () не меняется и совпадает со знаком /(п)(хо). Рассмотрим возможные случаи: 1) п - четное число и / Тогда I потому в силу (2) . Согласно определению это означает, что точка го есть точка минимума функции /(г). 2) п - четное и. Тогда будем иметь i вместе с этим и Поэтому точка го будет в этом:лучае точкой максимума функции /(г). 3) п - нечетное число, /- Тогда при х > х0 знак >удет совпадать со знаком /(п)(го), а при г го будет противоположным. Поэтому 1ри сколь угодно малом 0 знак разности /(г) - /(го) не будет одним и тем же 1ля всех х е (го - 6, го + £). Следовательно, в этом случае функция /(г) в точке го жстремума не имеет. Пример. Рассмотрим функции Л Легко видеть, что точка х = 0 является критической точкой обеих функций. Для функции у = х4 первая из отличных от нуля производных в точке х = 0 есть производная 4-го порядка: Таким образом, здесь п = 4 - четное и. Следовательно, в точке х = 0 функция у = х4 имеет минимум. Для функции у = х} первая из отличных от нуля в точке х = 0 производных есть производная 3-го порядка. Так что в этом случае п = 3 - нечетное, и в точке х = 0 функция у = х3 экстремума не имеет. Замечание. С помошью формулы Тейлора можно доказать следующую теорему, выражающую достаточные условия точки перегиба. "еорема 12. Пусть функция /(г) в некоторой окрестности точки г0 имеет производп-го порядка, непрерывную в точке xq. Пусть, но /(п)(*о) Ф 0- Тогда, если п - нечетное число, то точка Мо(х0, f(xо)) есть точка перегиба графика функции у = f(x). Простейший пример доставляет функция. §8. Вычисление корней уравнений методами хорд и касательных Задача состоит в нахождении действительного корня уравнения Предположим, что выполнены следующие условия: 1) функция f(x) непрерывна на отрезке [а, 6]; 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
Процесс исследования функции состоит из нескольких этапов. Для наиболее полного представления о поведении функции и характере ее графика необходимо отыскать:
Область существования функции.
Это понятие включает в себя и область значений и область определения функции.
Точки разрыва. (Если они имеются).
Интервалы возрастания и убывания.
Точки максимума и минимума.
Максимальное и минимальное значение функции на ее области определения.
Области выпуклости и вогнутости.
Точки перегиба.(Если они имеются).
Асимптоты.(Если они имеются).
Построение графика.
Применение этой схемы рассмотрим на примере.
Пример. Исследовать функцию и построить ее график.
Находим область существования функции. Очевидно, что областью определения функции является область (-; -1) (-1; 1) (1; ).
В свою очередь, видно, что прямые х = 1, х = -1 являются вертикальными асимптотами кривой.
Областью значений данной функции является интервал (-; ).
Точками разрыва функции являются точки х = 1, х = -1.
Находим критические точки .
Найдем производную функции
Критические точки: x = 0; x = -;x = ;x = -1; x = 1.
Найдем вторую производную функции
Определим выпуклость и вогнутость кривой на промежутках.
- < x < -,y < 0, кривая выпуклая
- 1 < x
< 0, y
> 0, кривая вогнутая 0 < x
< 1, y
< 0, кривая выпуклая 1 < x
<
,y
> 0, кривая вогнутая < x
< ,
y
> 0, кривая вогнутая Находим
промежутки возрастания
и убывания
функции. Для этого определяем знаки
производной функции на промежутках. -
< x
< -,y
> 0, функция возрастает - 1 < x
< 0, y
< 0, функция убывает 0 < x
< 1, y
< 0, функция убывает 1 < x
<
,y
< 0, функция убывает < x
< ,
y
> 0, функция возрастает Видно,
что точка х = -является точкоймаксимума
,
а точка х =
является точкойминимума
.
Значения функции в этих точках равны
соответственно 3/2
и -3/2. Про
вертикальные асимптоты
было уже сказано выше. Теперь найдем
наклонные
асимптоты
. Итого,
уравнение наклонной асимптоты – y
= x. Построим
график
функции: Ниже
рассмотрим несколько примеров исследования
методами дифференциального исчисления
различных типов функций. Пример:
Методами дифференциального исчисления 1. Областью
определения данной функции являются
все действительные числа (-;
). 3. Точки
пересечения с координатными осями: c
осью Оу: x
= 0; y
= 1; с осью Ох: y
= 0; x
= 1; 4. Точки
разрыва и асимптоты: Вертикальных
асимптот нет. Наклонные
асимптоты: общее уравнение y
= kx
+ b; Итого:
у = -х – наклонная асимптота. 5.
Возрастание и убывание функции, точки
экстремума. Видно, что у
0 при любом х
0, следовательно, функция убывает на
всей области определения и не имеет
экстремумов. В точке х = 0 первая производная
функции равна нулю, однако в этой точке
убывание не сменяется на возрастание,
следовательно, в точке х = 0 функция
скорее всего имеет перегиб. Для нахождения
точек перегиба, находим вторую производную
функции. y
= 0 при х =0 и y
=
при х = 1. Точки
(0,1) и (1,0) являются точками перегиба, т.к.
y(1-h)
< 0; y(1+h)
>0; y(-h)
> 0; y(h)
< 0 для любого h
> 0. 6. Построим
график функции. Пример:
Исследовать функцию
и построить ее график. 1. Областью
определения функции являются все
значения х, кроме х = 0. 2. Функция
является функцией общего вида в смысле
четности и нечетности. 3. Точки
пересечения с координатными осями: c
осью Ох: y
= 0; x
=
с осью Оу: x
= 0; y
– не существует. 4. Точка
х = 0 является точкой разрыва
,
следовательно, прямая х = 0 является
вертикальной асимптотой. Наклонные
асимптоты ищем в виде: y
= kx
+ b. Наклонная
асимптота у = х. 5. Находим
точки экстремума функции. ;
y
= 0 при х = 2, у
=
при х = 0. y
> 0 при х
(-,
0) – функция возрастает, y
< 0 при х
(0, 2) – функция убывает, у
> 0 при х
(2, )
– функция возрастает. Таким
образом, точка (2, 3) является точкой
минимума. Для
определения характера выпуклости/вогнутости
функции находим вторую производную. > 0 при любом х
0, следовательно, функция вогнутая на
всей области определения. 6. Построим
график функции. Пример:
Исследовать функцию
и построить ее график. Областью
определения данной функции является
промежуток х
(-,
). В
смысле четности и нечетности функция
является функцией общего вида. Точки
пересечения с осями координат: с осью
Оу:
x = 0, y = 0; с
осью Ох: y
= 0, x
= 0, x
= 1. Асимптоты
кривой. Вертикальных
асимптот нет. Попробуем
найти наклонные асимптоты в виде y
= kx
+ b. Находим
точки экстремума. Для
нахождения критических точек следует
решить уравнение 4х 3
– 9х 2
+6х –1 = 0. Для
этого разложим данный многочлен третьей
степени на множители. Подбором
можно определить, что одним из корней
этого уравнения является число х = 1.
Тогда: 4x 3
– 9x 2
+ 6x
– 1 x
- 1
4x 3
– 4x 2
4x 2
– 5x
+ 1 Тогда
можно записать (х – 1)(4х 2
– 5х + 1) = 0. Окончательно получаем две
критические точки: x
= 1 и x
= ¼. Примечание.
Операции деления многочленов можно
было избежать, если при нахождении
производной воспользоваться формулой
производной произведения: Найдем
вторую производную функции: 12x 2
– 18x
+ 6. Приравнивая к нулю, находим: Систематизируем
полученную информацию в таблице: вып. вниз возрастает вып. вниз возрастает вып.вверх возрастает вып. вниз Построим
график 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. 3. Исследуем функцию
на наличие наклонных и горизонтальных
асимптот. Прямая
Прямая
4. Функция
является четной т.к.
5. Найдём интервалы
монотонности и экстремумы функции. Найдём критические
точки, т.е. точки в которых производная
равна 0 или не существует:
На
интервалах (-∞; -1) и (-1; 0) функция
возрастает, на интервалах (0; 1)
и
(1 ; +∞) ─ убывает. При переходе
через точку
6.
Найдём интервалы выпуклости, точки
перегиба. Найдём точки, в
которых
Точки
Таким
образом, кривая на интервалах
7.
Найдем точки пересечения с осями. С осью
График заданной
функции изображён на рисунке 1. Рисунок 1 ─ График
функции
Для
исследования экономических процессов
и решения других прикладных задач часто
используется понятие эластичности
функции. Определение.
Эластичностью функции
Эластичность
функции показывает приближённо, на
сколько процентов изменится функция
Эластичность
функции применяется при анализе спроса
и потребления. Если эластичность спроса
(по абсолютной величине)
Пример
10
Рассчитать эластичность функции
Решение: по
формуле (VII)
эластичность функции: Пусть х=3,
тогда
Пример
11
Пусть функция спроса
Решение: рассчитаем
эластичность функции спроса по формуле
(VII) Полагая
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: 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: 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: 3) Нули функции и интервалы знакопостоянства. Сначала найдём точку пересечения графика с осью ординат. Это просто. Необходимо вычислить значение функции при : 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 : 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 Алгоритм деления многочлена на многочлен детально разобран в первом примере урока Сложные пределы
. В итоге левая часть исходного уравнения А теперь немного о здоровом образе жизни. Я, конечно же, понимаю, что квадратные уравнения
нужно решать каждый день, но сегодня сделаем исключение: уравнение На числовой прямой отложим найденные значения Полученные выводы позволяют детализировать наш макет, и второе приближение графика выглядит следующим образом: 4) Возрастание, убывание и экстремумы функции. Найдём критические точки: Данное уравнение имеет два действительных корня . Отложим их на числовой прямой и определим знаки производной: Установленные факты загоняют наш шаблон в довольно жёсткие рамки: 5) Выпуклость, вогнутость и точки перегиба. Найдём критические точки второй производной: Определим знаки : 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: 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. 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
: . 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 , 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 : 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: – критическая точка. Определим знаки : 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: 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: 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»: 4) Возрастание, убывание, экстремумы функции. Точки симметричны относительно нуля, как оно и должно быть. Определим знаки производной: В точке функция достигает максимума: В силу свойства 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. Симметрия точек сохраняется, и, скорее всего, мы не ошибаемся. Определим знаки : 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: 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
- наклонных
асимптот не существует.
,
;
;
,
─
вертикальная асимптота.
;
,
─
вертикальная асимптота.
─
наклонная асимптота, если
,
.
,
.
─ горизонтальная асимптота.
.
Чётность функции указывает на
симметричность графика относительно
оси ординат.
;
.
Имеем три точки
;
.
Эти точки разбивают всю действительную
ось на четыре промежутка. Определим
знаки
на каждом из них.
производная меняет знак с плюса на
минус, следовательно, в этой
точке
функция имеет максимум
.
равна 0, или не существует.
не имеет действительных
корней.
,
,
и
разбивают действительную ось на три
интервала. Определим знак
на каждом промежутке.
и
выпуклая вниз, на интервале (-1;1) выпуклая
вверх; точек перегиба нет, т. к. функция
в точках
и
не определена.
график
функции пересекается в точке (0; -1), а с
осью
график
не пересекается, т.к. числитель данной
функции не имеет действительных корней.
Применение понятия производной в экономике. Эластичность функции
называется предел отношения относительного
приращения функции
к относительному приращению переменной
при
,
. (VII)
при изменении независимой переменной
на 1%.
,
то спрос
считают
эластичным, если
─
нейтральным, если
─
неэластичным
относительно цены (или дохода).
и найти
значение
показателя эластичности для
= 3.
.Это
означает, что если независимая
переменная
возрастёт на 1%, то значение
зависимой переменной увеличится на
1,42 %.
относительно цены
имеет вид
,
где
─ постоянный коэффициент. Найти значение
показателя эластичности функции спроса
при цене х = 3 ден. ед.
ден.ед., получим
.
Это означает, что при
цене
ден.ед. повышение цены на 1% вызовет
снижение спроса на 6%, т.е. спрос эластичен.Как исследовать функцию и построить её график?
, значит, данная функция не является чётной или нечётной.
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
. 
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?
Полтора над уровнем моря.
– не подходит;
– есть!
на без остатка:
раскладывается в произведение:
имеет два действительных корня .
и методом интервалов
определим знаки функции:
ог Таким образом, на интервалах 
график расположен
ниже оси абсцисс , а на интервалах 
– выше данной оси .
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
.
Следовательно, функция возрастает на 
и убывает на .
В точке функция достигает максимума: 
.
В точке функция достигает минимума: 
.
Что и говорить, дифференциальное исчисление – штука мощная. Давайте окончательно разберёмся с формой графика:
График функции является выпуклым на и вогнутым на . Вычислим ординату точки перегиба: .
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.
, значит, данная функция не является четной или нечетной.
а прямая (ось ) является вертикальной асимптотой
графика .
, если ;
, если 
.
Собственно, это уже проделывалось при нахождении асимптот.
возрастает на 
и убывает на 
.
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).
График проходит через начало координат.
, если ;
, если .
– критические точки.
Функция возрастает на интервале и убывает на интервалах 
.
(нечётности функции) минимум можно не вычислять:
– критические точки.
График функции является выпуклым на 
и вогнутым на 
.