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
знаки
на 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 функции
к относительному приращению переменной
при
,
. (VII)
Эластичность
функции показывает приближённо, на
сколько процентов изменится функция
при изменении независимой переменной
на 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 цены
имеет 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.
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:
- Область определения.
- Непрерывность.
- Четность или нечетность.
- Периодичность.
- Асимптоты.
- Нули.
- Знакопостоянство.
- Возрастание и убывание.
- Экстремумы.
- 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.
