- •III. Производная и исследование функций
- •§ 6. Основы дифференцирования функций
- •Производные от основных элементарных функций
- •Обобщённая таблица основных производных
- •Дополнительные примеры поиска производных
- •Примеры поиска производных для функций тройной вложенности
- •§ 7. Логарифмическое дифференцирование
- •§ 8. Правило Лопиталя – Бернулли
- •§ 9. Исследование функций и построение графиков
- •Общая схема исследования функции
- •1) Элементарное исследование:
- •2) Монотонность и экстремум:
- •3) Выпуклость и перегиб:
- •Замечание о поиске 2-х производных
§ 9. Исследование функций и построение графиков
Учиться строить графики по результатам исследования функций лучше всего на занятиях вместе с группой. Возможны разные способы построения графика по уже проведённому исследованию, например,
– постепенное уточнение: «монотонность – выпуклость – асимптоты»;
– уточнение: «поведение на краях – асимптоты – монотонность – выпуклость»;
– соединение отрезков, на которых ничего не меняется (выпуклое убывание, выпуклое возрастание и т.д. – метод, популярный в средней школе).
Общая схема исследования функции
1) Элементарное исследование:
а) найти область определения (обязательно), область значений;
б) точки пересечения с осями координат;
в) чётность и (или) периодичность;
2) Монотонность и экстремум:
а) найти корни производной и разместить их на числовой оси;
б) выяснить знак производной на каждом полученном интервале;
в) определить интервалы возрастания, убывания;
г) найти точки минимума и максимума;
3) Выпуклость и перегиб:
а) найти 2-ю производную, найти её корни и расставить их на числовой оси;
б) – г) по аналогии с 2) определить интервалы выпуклости «вниз», «вверх»,
точки перегиба;
4) асимптоты графика (для многочленов этот шаг не имеет смысла);
5) график функции строится по всем особенным точкам и линиям, полученным
на предыдущих шагах.
Замечание 1. Под точкой минимума или перегиба подразумевается как абсцисса (значение переменной), так и ордината (значение функции в этой переменной). Таким образом, речь идёт о точках графика, а не точках числовой оси. В литературе в этом отношении часто встречаются противоречия в текстах.
Исследование на выпуклость обычно связано с вычислительными трудностями. Далее показано, как при помощи небольшого рассуждения упростить построение графика, обходясь без 2-й производной.
Пример 1. Посмотрим, как можно построить график функции .
Замечаем, что функция не пересекает ось OX (уравнение не имеет корней). Кроме того, функция чётная – значит, график симметричен относительно оси OY.
С ростом x от до 0 величина убывает от до 1. Обратная к ней величина соответственно возрастает от до : |
|
С другой стороны, растёт от 1 при до при , тогда обратная величина убывает от при до при : |
|
Подтверждается замечание о симметричности графика относительно вертикали. Объединяя графики, получаем такой набросок:
Однако график должен быть плавный, поскольку 1-я производная определена во всех точках. Поэтому с каждой стороны от оси OY график обязательно перегнётся: |
|
|
Здесь решающую роль сыграло то, что график не пересекает ось OX. Иначе была бы возможна любая ситуация, например, такая: |
|
Пример 2. Функция нечётная, и её график симметричен относительно начала координат. Посмотрим, что происходит при . Заметим, что график пересекает ось OX в точке , и только в ней.
При функция , не пересекая ось OX. Также при функция положительна. Получается, что где-то при функция достигает максимума, и потом убывает: |
|
Но если функция будет выпукла вверх, она пересечёт ось OX при , а этого быть не должно. Значит, где-то после точки максимума график перегнётся и пойдёт выпуклостью вниз: |
|
Учитывая симметрию относительно начала координат, получаем примерно такой график: Здесь центр рисунка соответствует началу координат. |
|
Поиск производных нужен, если интересуют конкретные координаты точек экстремума или перегиба. Кроме того, приведённые рассуждения определяют число точек экстремума или перегиба с точностью до чётного числа.
Так, в примере 2 при могла быть не 1, а 3 точки перегиба (но не 2 и не 4!), не 1 максимум, а 2 максимума и 1 минимум между ними, и т.д.
Замечание 2. В строгой математической литературе нередко «выпуклая функция» – это функция, график которой обращён «выпуклостью вниз» (например, парабола). Соответственно функции типа квадратного корня оказываются «вогнутыми». Это противоположно студенческой (и преподавательской) традиции, поэтому при обращении к старым учебникам необходимо внимательно следить, о каких функциях речь.
ИФ1. Постройте графики квадратичных функций по стандартной схеме исследования. Сравните с тем, что получается при построении по школьной схеме:
1) ;
2) ;
Примечание: Школьная (элементарная) схема – это поиск вершины параболы, точек пересечений с осями координат и определение направления ветвей.
ИФ2. Исследуйте функции и постройте графики многочленов:
1) ;
2) ;
3) ;
4) .
ИФ3. Исследуйте функции, упростив производные, и постройте графики:
1) ;
2) .
Пояснение: Производную в ИФ3 удобно найти, не раскрывая скобок:
.
Здесь применена формула .
Для поиска корней 1-й производной, а затем для поиска 2-й производной скобки лучше раскрыть:
.
ИФ4. Исследуйте дробно-рациональные функции и постройте их графики:
1) ;
2) ;
3) ;
4) ;
5) ;
6) ;
7) ;
8) ;
9) ;
10) ;
11) ;
12) ;
13) .
ИФ 5. Постройте графики функций
1) ;
2) ;
3) .