Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dukhon2.pdf
Скачиваний:
202
Добавлен:
09.06.2015
Размер:
1.34 Mб
Скачать

2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ПРОИЗВОДНОЙ

Связь между монотонностью функции и ее производной

Теорема 2.9. Пусть функция f (x) дифференцируема на не-

котором промежутке. Тогда для того, чтобы функция f (x) возрас-

тала (убывала) на этом промежутке, необходимо и достаточно, чтобы в каждой точке этого промежутка ее производная была положительна (отрицательна).

Соответственно, для того чтобы функция была неубывающей (невозрастающей) на некотором промежутке, необходимо и достаточно, чтобы в каждой точке этого промежутка ее производная была неотрицательна (неположительна).

Пример 2.3.1. Исследовать на монотонность функцию f (x)= x2 6 x + 5.

Решение. Найдем производную функции f (x). f (x)= (x2 6 x + 5)= 2 x 6.

Приравняем производную к нулю и решим полученное урав-

нение.

2 x 6 = 0 x = 3.

Разобьем в точке x = 3 область определения функции (в данном примере – это множество всех действительных чисел) на интер-

валы (рис.2.3.1.).

Рис. 2.3.1

102

Вычислив значение производной в одной из внутренних точек каждого интервала, мы определим знак производной на каждом интервале. Например,

f (0)= 2 0 6 = −6 < 0 , f (5)= 2 5 6 = 4 > 0 .

В соответствии с теоремой 2.3.1. на интервале (−∞; 3) функ-

ция убывает; на интервале (3;+∞) функция возрастает.

Пример 2.3.2. Исследовать на монотонность функцию

 

f (x)=

 

1

x3 4 x2

+ 15 x + 2.

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x).

Решение. Найдем производную функции

 

 

1

 

3

 

 

 

 

2

 

2

 

f (x)=

 

 

x

 

4 x

 

+ 15 x + 2 = x

 

8 x + 15.

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приравняем производную к нулю и решим полученное урав-

нение.

x2 8 x + 15 = 0.

Корнями этого уравнения являются числа x1 = 3 и x2 = 5. Разобьем в точках x1 = 3 и x2 = 5 область определения

функции (в данном примере – это множество всех действительных чисел) на интервалы (рис.2.3.2).

Вычислив значения производной во внутренних точках каждого интервала, определим знак производной на каждом интервале.

f (0)= 02 8 0 + 15 = 15 > 0. f (4)= 42 8 4 + 15 = −1 < 0.

Рис. 2.3.2

103

f (6 )= 62 8 6 + 15 = 3 > 0.

Следовательно, в силу теоремы 2.3.1 функция возрастает на множестве (−∞; 3)U (5;+∞); функция убывает на множестве

(3;5).

Экстремумы функции. Точка x0 называется точкой локаль-

ного максимума (минимума) функции f (x), если в некоторой окре-

стности этой точки (т. е. на интервале (x ε , x +ε ), где ε > 0 ) зна-

чение функции в этой точке f (x0 ) является наибольшим (наимень-

шим). Точки локального максимума и минимума функции называют-

ся точками экстремума.

Теорема 2.10. (необходимое условие экстремума). Пусть функция f (x) непрерывна в некоторой окрестности точки x0 . Для

того, чтобы в точке x0 функция f (x) имела локальный экстремум

(максимум или минимум), необходимо, чтобы производная функции в этой точке равнялась нулю.

Точка, в которой производная функции равна нулю (или не существует), называется критической точкой функции. В критической точке функция может иметь максимум, может иметь минимум, но может не иметь ни того ни другого, т. е. в этой точке экстремума может и не быть. Для того, чтобы исследовать характер критической точки, используются достаточные условия экстремума.

Теорема 2.11. (первое достаточное условие экстремума). Пусть x0 – критическая точка функции f (x). Тогда возможны три

случая:

1) Если в некоторой окрестности точки x0 слева от нее производная f (x) положительна, а справа – отрицательна, то в точке x0 функция имеет максимум.

104

2)

Если в некоторой окрестности точки x0 слева от нее про-

изводная

f (x) отрицательна, а справа – положительна, то в точке

x0 функция имеет минимум.

3)

Если в некоторой окрестности точки x0 слева и справа от

нее производная f (x)

имеет одинаковый знак, то функция f (x) в

точке x0

экстремума не имеет.

Теорема 2.12. (второе достаточное условие экстремума).

Пусть x0

– критическая точка функции f (x). Тогда возможны три

случая:

 

x0

вторая производная функции f (x) отри-

1)

Если в точке

цательна ( f ′′(x)< 0 ),

то в точке x0 функция имеет максимум.

2)

Если в точке

x0

вторая производная функции f (x) по-

ложительна ( f ′′(x)> 0 ),

то в точке x0 функция имеет минимум.

3)

Если в точке x0

вторая производная функции f (x) равна

нулю ( f ′′(x)= 0 ), то функция f (x) в точке x0 экстремума не

имеет.

Второе достаточное условие экстремума не может быть использовано в тех случаях, когда первая производная в критической точке не существует.

Пример 2.3.3. Исследовать функцию

f (x)= 31 x3 3x2 + 8 x 1

на монотонность и экстремумы.

Решение. Найдем производную функции f (x).

 

1

 

3

 

2

 

2

 

f (x)=

 

x

 

3x

 

+ 8 x 1

 

= x

 

6 x + 8.

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

105

x1 = 2 .

Приравняем производную к нулю и решим полученное урав-

нение:

x2 6 x + 8 = 0.

Корнями этого уравнения, а следовательно и критическими точками функции f (x) являются числа x1 = 2 и x2 = 4.

Разобьем область определения функции (т. е. множество всех действительных чисел) в точках x1 = 2 и x2 = 4 на интервалы (рис. 2.3.3).

Рис. 2.3.3

 

Таким образом,

функция f (x) возрастает на множестве

(−∞; 2)U (4;+∞) и убывает на множестве (2;4).

В точке x1 = 2

производная меняет свой знак с “плюс” на

“минус” и, следовательно, в соответствии с теоремой 2.11, это точка максимума. Найдем значение функции в точке

f(2)= 31 23 3 22 + 8 2 1 = 83 12 + 16 1 = 5 23 .

Вточке x2 = 4 производная меняет свой знак с “минус” на

“плюс” и, следовательно, в соответствии с теоремой 2.11, это точка минимума. Найдем значение функции в точке x2 = 4 .

f (4)= 31 43 3 42 + 8 4 1 = 643 48 + 32 1 = 4 13 .

106

 

 

 

 

 

 

2

 

Таким образом,

в точке A

2;5

 

функция

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

мум, в точке B

4;4

 

 

функция имеет минимум.

3

 

 

 

 

 

 

 

Можно

предложить следующий

алгоритм

функции на монотонность и экстремумы.

имеет макси-

исследования

1)Найти область определения функции.

2)Найти производную функции.

3)Приравнять производную к нулю решить полученное уравнение. Корни этого уравнения, а также точки, в которых производная не существует (если они входят в область определения функции), являются критическими точками функции.

4)Разбить область определения на интервалы в критических точках функции.

5)Определить знак производной на каждом из полученных интервалов.

6)Интервалы, на которых производная положительна, являются интервалами возрастания, а интервалы, на которых производная отрицательна, являются интервалами убывания. Критические точки, в которых производная меняет знак с “плюс” на “минус”, являются точками максимума; точки, в которых производная меняет знак с “минус” на “плюс”, являются точками минимума; точки, в которых производная не меняет знак, не являются точками экстремума.

Пример 2.3.4. Исследовать функцию f (x)= (x 3) x .

на монотонность и экстремумы.

Решение.

1)Областью определения функции f (x) является множест-

во [0;+∞).

2)Найдем производную функции f (x).

107

f (x)= ((x 3) x )= (x 3)x +(x 3) ( x )=

=

x +

 

x 3

=

2 x + x 3

 

=

3x 3

=

3(x 1)

.

 

2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

2 x

 

2 x

 

2 x

3) Приравняем производную к нулю и решим полученное

уравнение.

 

 

 

 

(x 1)= 0,

 

 

 

 

 

3(x 1)

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

x = 1.

 

2

x

x 0;

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, критическими точками функции являются точки x = 1 , а также точка x = 0 , в которой производная не существует.

4) Разобьем область определения функции f (x) на интервалы в точках x = 0 и x = 1 (рис. 2.3.4).

Рис. 2.3.4

5) Определим знак производной на каждом из полученных интервалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

3

 

 

 

1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

=

 

 

 

= −

 

< 0.

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2 2

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3(4 1)

 

9

 

 

f

(4)= 2 4 = 4 > 0.

 

 

 

108

6) Функция f (x) возрастает на множестве (1;+∞), убыва-

ет на множестве (0;1), в точке M (1;2) функция имеет минимум.

Пример 2.3.5. Исследовать функцию f (x)= x 6 3 x2 .

на монотонность и экстремумы.

Решение.

1)Областью определения функции является множество всех действительных чисел.

2)Найдем производную функции.

f (x)=

(

3

2

)

 

2

 

1

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

x 6 x

 

 

 

 

 

= 1 6 x

3

= 1

 

 

.

 

 

 

3

x

 

 

 

 

= x 6 x 3

 

 

 

3) Приравняем производную к нулю и решим полученное уравнение.

1 36x = 0 3 x = 6 x = 216.

Критическими точками функции являются точки x = 0, в ко-

торой производная не существует (но существует сама функция) и точка x = 216.

4) Разобьем область определения функции (т. е. множество всех действительных чисел) на интервалы в точках x = 0 и x = 216

(рис. 2.3.5).

Рис. 2.3.5

5) Определим знак производной функции на каждом из интер-

валов.

109

 

 

(1)= 1

 

 

 

6

 

 

 

 

 

f

3

1 =7 > 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(1)= 1 3 1 = −5 < 0.

 

 

 

 

 

 

(343)= 1

 

 

 

6

 

 

1

 

f

3

343 = 7 > 0.

 

 

 

6) Таким образом, функция

f (x)

возрастает на множестве

(−∞;0)U (216;+∞), убывает на

 

множестве (0; 216 ), в точке

M (0;0) функция имеет максимум, в точке N (216;0)

функция

имеет минимум.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Направления выпуклости функции. Точки перегиба. Если

в некоторой окрестности точки

x0 график функции f (x)

располо-

жен не ниже (не выше) касательной к графику этой функции в точке x0 , то говорят, что график функции f (x) в точке x0 имеет выпук-

лость вниз (вверх).

у

О

x0

х

Рис. 2.3.6

110

у

О

x0

х

Рис. 2.3.7

 

 

Точка

x0 называется точкой перегиба функции f (x), если

существует окрестность точки x0 такая, что в этой окрестности слева от x0 (т. е. при x < x0 ) и справа от этой точки (т. е. при x > x0 ) функция f (x) имеет разное направление выпуклости.

Для определения направления выпуклости графика функции можно воспользоваться следующей теоремой.

Теорема 2.13. Пусть функция f (x) определена и непрерывна на некотором интервале. Если в каждой точке этого интервала вторая производная функции f (x) неотрицательна (неположительна), то график функции на этом интервале имеет выпуклость вниз (вверх).

Теорема 2.14 (необходимое условие точки перегиба). Пусть график функции f (x) имеет точку перегиба x0 , причем существует

111

непрерывная производная второго порядка f ′′(x) в некоторой окрестности точки x0 . Тогда f ′′(x)= 0.

Теорема 2.15 (достаточное условие точки перегиба). Пусть

f ′′(x0 )= 0 или f ′′(x0 )

не существует. Если f ′′(x)

меняет знак

при переходе через точку

x0 , то в этой точке график функции имеет

перегиб.

 

 

Пример 2.3.6. Исследовать на выпуклость (вогнутость) функ-

цию

 

 

f (x)= x3 6 x2 + 2 x 1.

 

Решение. Найдем вторую производную функции

f (x).

f (x)= (x3 6 x2 + 2 x 1)= 3x2 12 x + 2.

f ′′(x)= (3x2 12 x + 2)= 6 x 12.

Приравняем вторую производную к нулю и решим полученное уравнение.

6 x 12 = 0 x = 2.

График функции имеет единственную точку перегиба x0 = 2. Разобьем область определения функции, т. е. множество всех действительных чисел на интервалы в точке x0 (рис. 2.3.8).

Рис. 2.3.8

112

Определим знак второй производной функции f (x) на каж-

дом из интервалов.

f ′′(0)= 6 0 12 = −12 < 0. f ′′(3)= 6 3 12 = 6 > 0.

Таким образом, график функции является выпуклым вверх на множестве (−∞; 2) и выпуклым вниз на множестве (2;+∞). Точка

P (2;1) является точкой перегиба функции f (x).

Пример 2.3.7. Исследовать на выпуклость (вогнутость) функ-

цию

f (x)= x3 x+ 8 .

Решение. Областью определения функции f (x) является

множество (−∞;0)U (0;+∞).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем вторую производную функции

f (x).

 

 

x3

+ 8

 

 

2

 

8

 

 

8

 

f (x)=

 

 

=

x

 

 

+

 

= 2x

 

 

.

 

x

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

f ′′(x)

 

 

8

 

 

 

 

16

 

 

 

=

2 x

 

 

 

 

 

= 2 +

 

3 .

 

 

 

 

x

2

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приравняем вторую производную к нулю и решим полученное уравнение.

2 + 16x3 = 0 x3 = −8 x = −2.

Таким образом, точкой перегиба функции f (x) является точка P (2;0).

Разобьем область определения функции на интервалы в точке x0 = −2 (рис. 2.3.9).

113

Рис. 2.3.9

Определим знак второй производной на каждом интервале.

f ′′(4)= 2 +

16

 

 

= 2

1

= 7 > 0.

(4)3

4

 

 

 

 

 

4

f ′′(1)

= 2 +

 

 

16

 

 

= 2 16 = −14 < 0.

(1)3

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′′(1)= 2 +

 

16

 

= 2 + 16 = 18 > 0.

(1)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, график функции имеет выпуклость вверх на

множестве (2;0)

и

 

 

выпуклость

 

вниз на множестве

(−∞;2)U (0;+∞). Точкой перегиба является точка P (2;0).

Асимптоты функции. Если график функции как угодно близко приближается к некоторой прямой, то такая прямая называет-

ся асимптотой функции.

Существует три вида асимптот: вертикальные, горизонтальные и наклонные.

1. Вертикальные асимптоты. Для того чтобы составить уравнения вертикальных асимптот функции f (x) (или убедиться в

их отсутствии), нужно:

а) Выявить точки, в которых возможно существование вертикальной асимптоты. К таким точкам относятся изолированные точки разрыва и крайние точки открытых интервалов области определения.

114

б) Пусть такой точкой является точка x0 . Исследовать пове-

дение функции в каждой из выявленных точек. Для этого нужно найти оба односторонних предела функции в этой точке. Если хотя бы

один из односторонних пределов в точке x0 бесконечен, то функция имеет вертикальную асимптоту, уравнение которой x = x0 .

Пример 2.3.8. Исследовать на наличие вертикальных асимптот функцию

f (x)= x2x+ 1 .

Решение. Функция f (x) имеет единственную точку разрыва x0 = 0. Исследуем поведение функции f (x) в окрестности точки x0 . Найдем односторонние пределы в этой точке.

lim f (x)=

 

x2

+ 1

 

 

 

1

 

 

 

lim

 

 

 

= lim

x +

 

 

 

= −∞.

 

x

x

x00

x00

 

 

x00

 

 

 

 

lim f (x)=

 

x2

+ 1

 

 

 

1

 

 

 

lim

 

 

 

= lim

x +

 

 

 

= +∞.

 

x

 

 

 

x0+0

x0+0

 

 

x0+0

 

x

 

Функция f (x)

имеет вертикальную асимптоту, уравнение

которой x = 0 (ось ординат).

Пример 2.3.9. Исследовать на наличие вертикальных асимптот функцию

f (x)= ln x.

Решение. Областью определения функции f (x) является от-

крытый интервал (0;+∞). Крайней точкой этого интервала является точка x = 0. Найдем правый предел функции f (x) в этой точке

(левый предел, очевидно, отсутствует).

lim ln x = −∞.

x0+0

115

y = 2.
x → +∞.
y = b.
f (x)

Функция f (x) имеет вертикальную асимптоту, уравнение которой x = 0 (ось абсцисс).

2. Горизонтальные асимптоты. Для того чтобы составить уравнения вертикальных асимптот функции f (x) (или убедиться в их отсутствии), нужно:

а) Найти предел функции при x → −∞. Если этот

предел существует, конечен и равен числу b, то функция имеет горизонтальную асимптоту, уравнение которой

б) Провести аналогичное исследование при

Пример 2.3.10. Исследовать на наличие горизонтальных асимптот функцию

f(x)= 2 x2 1 .

x2 + 1

Решение. Найдем пределы функции при x → −∞ и при x → +∞.

lim

f (x)= lim

2 x2

1

= 2.

x→−∞

x→−∞

x2

+ 1

 

lim

f (x)= lim

2 x2

1

= 2.

x→+∞

x→+∞

x2

+ 1

 

Функция f (x) имеет единственную горизонтальную асимптоту (как слева, так и справа), уравнение которой

Пример 2.3.11. Исследовать на наличие горизонтальных асимптот функцию

f (x)= arctgx.

Решение. Найдем пределы функции при x → −∞ и при x → +∞.

lim

f (x)= lim arctgx = −

π .

x→−∞

x→−∞

2

116

lim

f (x)= lim arctgx =

π .

x→+∞

x→+∞

2

Функция f (x)

имеет две горизонтальные асимптоты, урав-

нения которых

y = −π2 (слева) и y = π2 (справа).

3. Наклонные асимптоты. Для того, чтобы составить уравнения наклонных асимптот функции f (x) (или убедиться в их отсутствии), нужно:

а) Найти предел функции f (xx) при x → −∞. Если этот

предел существует, конечен и равен числу k 0 , то следует найти еще один предел:

lim ( f (x)kx).

x→−∞

Если и этот предел существует, конечен и равен числу b , то функция f (x) имеет наклонную асимптоту, уравнение которой y = kx + b.

б) Провести аналогичное исследование при x → +∞.

Пример 2.3.12. Исследовать на наличие наклонных асимптот

функцию f (x)=

3x2 + 1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

f (x)

 

 

Решение. Найдем предел функции

 

при x → −∞.

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

x

 

lim

=

lim

3x2 + 1

=

lim

3x2 + 1

= 3.

 

 

 

x→−∞

x

x→−∞ x (x 2)

 

x→−∞ x2 2 x

 

Итак, k = 3. Найдем еще один предел:

117

 

( f (x)kx)=

 

3x

2

+ 1

 

 

 

3x

2

+ 1 3x

2

+6 x

 

 

lim

lim

 

3x

=

lim

 

 

 

=

x 2

 

 

x 2

 

 

x→−∞

 

x→−∞

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

= xlim→−∞ 6xx+21 = 6.

 

Слева (т. е. при

x → −∞) функция имеет наклонную асим-

птоту, уравнение которой

y = 3x +6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем предел функции

 

f (x)

 

при x → +∞.

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

=

lim

 

 

3x2 + 1

= lim

3x2 + 1

= 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

x

x→+∞ x (x 2)

 

x→+∞ x2 2 x

 

 

 

 

 

 

Итак, k = 3. Найдем еще один предел:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( f (x)kx)= lim

 

3x

2

+ 1

 

 

 

 

3x

2

+

1 3x

2

+6 x

 

 

lim

 

 

 

3x

 

= lim

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

x→+∞

 

x→+∞

x 2

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

= xlim→+∞ 6xx+21 = 6.

Справа (т. е. при x → +∞) функция имеет ту же наклонную асимптоту, уравнение которой y = 3x +6.

Пример 2.3.13. Исследовать на наличие асимптот функцию

f (x)=

x2

.

 

 

 

 

x2 1

f (x) является

Решение. Областью определения функции

множество (−∞;1)U (1;+∞). Точками, в которых возможны вер-

тикальные асимптоты, являются точки x1 = −1 и x2

= 1 . Исследуем

поведение функции в окрестности этих точек.

 

118

lim

f (x)= lim

 

x2

 

 

=

 

 

 

(1 0)2

 

 

 

 

=

 

 

 

1

 

 

 

 

 

= +∞.

 

x2

1

 

(1 0)2 1

 

1 + 2 0 +02 1

x→−10

 

 

x→−10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x)= lim

 

 

x2

 

 

 

=

 

 

 

(1 +0)2

 

=

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

= +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1+0

 

 

x1+0

 

x2 1

 

 

 

(1 +0)2 1

1 + 2

0 +02 1

 

 

 

Функция имеет две вертикальных асимптоты, уравнения ко-

торых x = −1 и x = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем пределы функции при x → −∞ и при x → +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim f

(x)=

lim

 

 

x2

 

 

= +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim f

(x)=

lim

 

 

x2

 

 

= +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горизонтальных асимптот функция не имеет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем предел функции

f (x)

при x → −∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

= lim

 

x2

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

x

 

 

 

 

 

= lim

 

 

1

 

 

= 1.

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 1

 

 

 

1

 

x→−∞

 

x→−∞ x x2 1

 

x→−∞

 

 

 

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k = 1. Найдем еще один предел:

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( f

(x)kx)=

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 x x2

1

 

lim

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

=

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−∞

 

 

 

x

1

 

 

x→−∞

x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−∞

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Слева (т.е. при x → −∞) функция имеет наклонную асимптоту, уравнение которой y = x.

119

 

Найдем предел функции

 

f (x)

при x → +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

=

lim

 

 

 

 

x2

 

 

= lim

 

 

x

 

= lim

 

1

 

 

 

= 1.

 

x

 

 

 

 

x2 1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x→+∞

 

x→+∞ x

 

x→+∞ x2 1 x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k = 1. Найдем еще один предел:

x2

 

 

 

 

 

Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( f (x)kx)=

 

 

x2

 

 

 

 

x2

x x2 1

 

 

lim

lim

 

 

 

 

 

 

 

x =

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

x

1

 

 

 

x→+∞

x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x → +∞)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Справа (т.е. при

функция имеет наклонную асим-

птоту, уравнение которой y = x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общая схема исследования графика функции. При иссле-

довании функции и построении ее графика рекомендуется пользоваться следующей схемой:

1.Найти область определения функции.

2.Исследовать функцию на четность и нечетность.

3.Найти точки пересечения графика с осями координат, интервалы знакопостоянства.

4.С помощью первой производной исследовать функцию на монотонность и экстремумы.

5.С помощью второй производной исследовать функцию на выпуклость и найти точки перегиба.

6.Исследовать функцию на наличие асимптот.

7.Построить график функции.

Пример 2.3.14. Исследовать функцию и построить график: f (x)= 10 3x x2 .

120

Решение.

1)Областью определения функции является множество всех действительных чисел: D ( f )= R.

2)Проверим функцию на четность:

f (x)= 10 3(x)(x)2 = 10 + 3x x2 .

Функция f (x) – функция общего вида.

3) Найдем нули функции:

10 3x x2 = 0 x2 + 3x 10 = 0 .

Корнями этого уравнения являются числа x1 = −5 и x2 = 2. Они и являются нулями функции. График функции f (x)

пересекается с осью абсцисс в точках A1 (5;0) и A2 (2;0). Найдем f (0).

f (0)= 10 3 0 02 = 10.

График пересекается с осью ординат в точке B (0;10).

Определим интервалы знакопостоянства. Разобьем числовую прямую (область определения функции) на интервалы в точках

x1 = −5 и x2 = 2 (нули функции) (рис. 2.3.10).

Рис. 2.3.10

Найдем знаки функции f (x) на каждом интервале. f (6 )= 10 3 (6 )(6 )2 = 10 + 18 36 = −8 < 0.

f (1)= 10 3 (1)(1)2 = 10 + 3 1 = 12 > 0. f (3)= 10 3 3 32 = 10 9 9 = −8 < 0.

121

Таким образом, функция положительна при x (5; 2) и отрицательна при x (−∞;5)U (2;+∞).

4) Найдем производную функции f (x):

f (x)= (10 3x x2 )= −3 2 x.

Приравняем производную к нулю и решим полученное урав-

нение.

3 2 x = 0 x = −1,5.

Это критическая точка функции. Разобьем в этой точке область определения на интервалы (рис. 2.3.11).

Рис. 2.3.11

Найдем знак производной на каждом из интервалов. f (2)= −3 2 (2)= 1 > 0.

f (0)= −3 2 (0)= −3 < 0.

Таким образом, функция возрастает на интервале (−∞;1,5) и убывает на интервале (1,5;+∞). Точка M (1,5;12,25) является точкой максимума.

5) Найдем вторую производную функции f (x). f ′′(x)= (3 2 x)= −2.

122

График функции f (x) является выпуклым на всей числовой

прямой, так как вторая производная отрицательна. Точек перегиба нет.

6) Вертикальных асимптот нет, поскольку областью определения является множество всех действительных чисел.

Найдем пределы функции при x → −∞ и при x → +∞

lim

f (x)= lim

(

10 3x x

2

)

= −∞.

x→−∞

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x)= lim

(

10 3x x

2

)

= −∞.

x→+∞

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

Горизонтальных асимптот нет.

f (x)

 

 

 

 

Найдем пределы

функции

 

 

при x → −∞ и при

 

 

x

x → +∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

= lim

 

10

3 x

= +∞.

 

x

x

x→−∞

 

x→−∞

 

 

 

 

 

lim

 

f (x)

= lim

 

10

3 x

= −∞.

 

x

x

x→+∞

 

x→+∞

 

 

 

 

 

Наклонных асимптот нет. Таким образом, функция f (x)

асимптот не вообще имеет. 7) График функции.

Рис. 2.3.12

123

Пример 2.3.15. Исследовать функцию и построить график: f (x)= 16 8 x2 .

Решение.

1) Областью определения функции является множество

(−∞;4)U (4;4)U (4;+∞).

2)Проверим функцию на четность.

f (x)=

 

8

=

 

8

= f (x).

 

(x)2

16

x2

16

 

 

Функция четная.

3) Найдем нули функции. Уравнение

8

= 0

16 x2

 

не имеет решений. С осью абсцисс график не пересекается. Найдем f (0).

f(0)= 16 802 = 0,5.

Сосью ординат график пересекается в точке B (0;0,5).

Рассмотрим область определения функции (нулей у функции нет) и определим знак функции на каждом из интервалов (рис. 2.3.13).

Рис. 2.3.13

124

f (5)=

 

 

 

 

8

 

 

 

= −

8 < 0.

16

(5)2

 

 

 

 

9

f (0)

=

 

8

 

=

 

1

> 0.

16 02

2

 

 

 

 

 

 

 

 

f (5)=

 

 

8

 

= − 8

< 0.

16 52

 

 

 

 

 

9

 

Функция положительна при x (4;4) и отрицательна при x (−∞;4)U (4;+∞).

4) Найдем производную функции:

 

8

 

16 x

 

 

f (x)=

 

 

 

=

 

 

.

16 x

2

(16 x2 )

2

 

 

 

 

 

 

Приравняем производную к нулю и решим полученное урав-

нение:

16 x

= 0 x = 0.

(16 x2 )2

Разобьем область определения на интервалы в критической точке x = 0 (рис.2.3.14)

Рис. 2.3.14

Функция убывает на множестве (−∞;4)U (4;0) и воз-

растает на множестве (0;4)U (4;+∞).

5) Найдем вторую производную функции f (x).

125

 

 

 

 

16 x

 

16 (16 x

2

)

2

32 x (16

x

2

)(2 x)

 

f

′′

(x)=

 

 

=

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(16 x2 )2

 

 

 

(16 x2 )4

 

 

 

 

16 (16 x2 )+64 x2

 

 

256 + 48 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

=

(16 x2 )3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

(16 x2 )3

 

 

 

 

 

 

 

 

Приравняем вторую производную к нулю и решим полученное уравнение.

256 + 48 x2 = (16 x2 )3 0.

Это уравнение корней не имеет и, следовательно, нет точек перегиба. Рассмотрим область определения (за отсутствием точек перегиба).

Рис. 2.3.15

График функции является выпуклым вверх на множестве (−∞;4)U (4;+∞) и выпуклым вниз на множестве (4;4). Точек

перегиба нет.

 

 

 

 

 

 

 

 

6) Проверим на наличие вертикальной асимптоты точки раз-

рыва x1 = −4 и x2

= 4.

 

 

 

 

 

 

lim

f (x)= lim

8

=

8

=

8

 

= −∞.

16 x2

16 (4 0)2

16 16

8 0 02

x→−40

x→−40

 

 

 

126

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]