Алгоритм полного исследования функции. Общая схема исследования функции и построения графика

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 знакина 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 функциик относительному приращению переменнойпри
, . (VII)

Эластичность функции показывает приближённо, на сколько процентов изменится функция
при изменении независимой переменнойна 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 ценыимеет 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.

Соблюдение Вашей конфиденциальности важно для нас. По этой причине, мы разработали Политику Конфиденциальности, которая описывает, как мы используем и храним Вашу информацию. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими правилами соблюдения конфиденциальности и сообщите нам, если у вас возникнут какие-либо вопросы.

Сбор и использование персональной информации

Под персональной информацией понимаются данные, которые могут быть использованы для идентификации определенного лица либо связи с ним.

От вас может быть запрошено предоставление вашей персональной информации в любой момент, когда вы связываетесь с нами.

Ниже приведены некоторые примеры типов персональной информации, которую мы можем собирать, и как мы можем использовать такую информацию.

Какую персональную информацию мы собираем:

• Когда вы оставляете заявку на сайте, мы можем собирать различную информацию, включая ваши имя, номер телефона, адрес электронной почты и т.д.

Как мы используем вашу персональную информацию:

• Собираемая нами персональная информация позволяет нам связываться с вами и сообщать об уникальных предложениях, акциях и других мероприятиях и ближайших событиях.
• Время от времени, мы можем использовать вашу персональную информацию для отправки важных уведомлений и сообщений.
• Мы также можем использовать персональную информацию для внутренних целей, таких как проведения аудита, анализа данных и различных исследований в целях улучшения услуг предоставляемых нами и предоставления Вам рекомендаций относительно наших услуг.
• Если вы принимаете участие в розыгрыше призов, конкурсе или сходном стимулирующем мероприятии, мы можем использовать предоставляемую вами информацию для управления такими программами.

Раскрытие информации третьим лицам

Мы не раскрываем полученную от Вас информацию третьим лицам.

Исключения:

• В случае если необходимо - в соответствии с законом, судебным порядком, в судебном разбирательстве, и/или на основании публичных запросов или запросов от государственных органов на территории РФ - раскрыть вашу персональную информацию. Мы также можем раскрывать информацию о вас если мы определим, что такое раскрытие необходимо или уместно в целях безопасности, поддержания правопорядка, или иных общественно важных случаях.
• В случае реорганизации, слияния или продажи мы можем передать собираемую нами персональную информацию соответствующему третьему лицу – правопреемнику.

Защита персональной информации

Мы предпринимаем меры предосторожности - включая административные, технические и физические - для защиты вашей персональной информации от утраты, кражи, и недобросовестного использования, а также от несанкционированного доступа, раскрытия, изменения и уничтожения.

Соблюдение вашей конфиденциальности на уровне компании

Для того чтобы убедиться, что ваша персональная информация находится в безопасности, мы доводим нормы соблюдения конфиденциальности и безопасности до наших сотрудников, и строго следим за исполнением мер соблюдения конфиденциальности.

Инструкция

Найдите область определения функции. Например, функция sin(x) определена на всем интервале от -∞ до +∞, а функция 1/x - от -∞ до +∞ за исключением точки x = 0.

Определите области непрерывности и точки разрыва. Обычно функция непрерывна в той же самой области, где она определена. Чтобы обнаружить разрывы, нужно вычислить при приближении аргумента к изолированным точкам внутри области определения. Например, функция 1/x стремится к бесконечности, когда x→0+, и к минус бесконечности, когда x→0-. Это значит, что в точке x = 0 она имеет разрыв второго рода.
Если пределы в точке разрыва конечны, но не равны, то это разрыв первого рода. Если же они равны, то функция считается непрерывной, хотя в изолированной точке она и не определена.

Найдите вертикальные асимптоты, если они есть. Здесь вам помогут вычисления предыдущего шага, поскольку вертикальная асимптота практически всегда находится в точке разрыва второго рода. Однако иногда из области определения исключены не отдельные точки, а целые интервалы точек, и тогда вертикальные асимптоты могут располагаться на краях этих интервалов.

Проверьте, обладает ли функция особыми свойствами: четностью, нечетностью и периодичностью.
Функция будет четной, если для любого x в области определения f(x) = f(-x). Например, cos(x) и x^2 - четные функции.

Периодичность - свойство, говорящее о том, что есть некое число T, называемое периодом, что для любого x f(x) = f(x + T). Например, все основные тригонометрические функции (синус, косинус, тангенс) - периодические.

Найдите точки . Для этого вычислите производную от заданной функции и найдите те значения x, где она обращается в ноль. Например, функция f(x) = x^3 + 9x^2 -15 имеет производную g(x) = 3x^2 + 18x, которая обращается в ноль при x = 0 и x = -6.

Чтобы определить, какие точки экстремума являются максимумами, а какие минимумами, отследите изменение знаков производной в найденных нулях. g(x) меняет знак с плюса в точке x = -6, а в точке x = 0 обратно с минуса на плюс. Следовательно, функция f(x) в первой точке имеет , а во второй - минимум.

Таким образом, вы нашли и области монотонности: f(x) монотонно возрастает на промежутке -∞;-6, монотонно убывает на -6;0 и снова возрастает на 0;+∞.

Найдите вторую производную. Ее корни покажут, где график заданной функции будет выпуклым, а где - вогнутым. Например, второй производной от функции f(x) будет h(x) = 6x + 18. Она обращается в ноль при x = -3, меняя при этом знак с минуса на плюс. Следовательно, график f(x) до этой точки будет выпуклым, после нее - вогнутым, а сама эта точка будет точкой перегиба.

У функции могут быть и другие асимптоты, кроме вертикальных, но только в том случае, если в ее область определения входит . Чтобы их найти, вычислите предел f(x), когда x→∞ или x→-∞. Если он конечен, то вы нашли горизонтальную асимптоту.

Наклонная асимптота - прямая вида kx + b. Чтобы найти k, вычислите предел f(x)/x при x→∞. Чтобы найти b - предел (f(x) – kx) при том же x→∞.

Постройте график функции по вычисленным данным. Обозначьте асимптоты, если они есть. Отметьте точки экстремума и значения функции в них. Для большей точности графика вычислите значения функции еще в нескольких промежуточных точках. Исследование завершено.

Исследуем функцию \(y= \frac{x^3}{1-x} \) и построим ее график.

1. Область определения.
Областью определения рациональной функции (дробь) будет: знаменатель не равен нулю, т.е. \(1 -x \ne 0 => x \ne 1\). Область определения $$D_f= (-\infty; 1) \cup (1;+\infty)$$

2. Точки разрыва функции и их классификация.
Функция имеет одну точку разрыва x = 1
исследуем точку x= 1. Найдем предел функции справа и слева от точки разрыва, справа $$ \lim_{x \to 1+0} (\frac{x^3}{1-x}) = -\infty $$ и слева от точки $$ \lim_{x \to 1-0}(\frac{x^3}{1-x}) = +\infty $$ Это точка разрыва второго рода т.к. односторонние пределы равны \(\infty\).

Прямая \(x = 1\) является вертикальной асимптотой.

3. Четность функции.
Проверяем на четность \(f(-x) = \frac{(-x)^3}{1+x} \) функция не является ни четной ни нечетной.

4. Нули функции (точки пересечения с осью Ox). Интервалы знакопостоянства функции .
Нули функции (точка пересечения с осью Ox) : приравняем \(y=0\), получим \(\frac{x^3}{1-x} = 0 => x=0 \). Кривая имеет одну точку пересечения с осью Ox с координатами \((0;0)\).

Интервалы знакопостоянства функции.
На рассматриваемых интервалах \((-\infty; 1) \cup (1;+\infty)\) кривая имеет одну точку пересечения с осью Ox , поэтому будем рассматривать на трех интервалах области определения.

Определим знак функции на интервалах области определения:
интервал \((-\infty; 0) \) найдем значение функции в любой точке \(f(-4) = \frac{x^3}{1-x} < 0 \), на этом интервале функция отрицательная \(f(x) < 0 \), т.е. находится ниже оси Ox
интервал \((0; 1) \) найдем значение функции в любой точке \(f(0.5) = \frac{x^3}{1-x} > 0 \), на этом интервале функция положительная \(f(x) > 0 \), т.е. находится выше оси Ox.
интервал \((1;+\infty) \) найдем значение функции в любой точке \(f(4) = \frac{x^3}{1-x} < 0 \), на этом интервале функция отрицательная \(f(x) < 0 \), т.е. находится ниже оси Ox

5. Точки пересечения с осью Oy : приравняем \(x=0 \), получаем \(f(0) = \frac{x^3}{1-x} = 0\). Координаты точки пересечения с осью Oy \((0; 0)\)

6. Интервалы монотонности. Экстремумы функции.
Найдем критические (стационарные) точки, для этого найдем первую производную и приравняем ее к нулю $$ y" = (\frac{x^3}{1-x})" = \frac{3x^2(1-x) +x^3}{ (1-x)^2} = \frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2} $$ приравняем к 0 $$ \frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2} = 0 => x_1 = 0 \quad x_2= \frac{3}{2}$$ Найдем значение функции в этой точке \(f(0) = 0\) и \(f(\frac{3}{2}) = -6.75\). Получили две критические точки с координатами \((0;0)\) и \((1.5;-6.75)\)

Интервалы монотонности.
Функция имеет две критические точки (точек возможного экстремума), поэтому монотонность будем рассматривать на четырех интервалах:
интервал \((-\infty; 0) \) найдем значение первой производной в любой точке интервала \(f(-4) = \frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2} >
интервал \((0;1)\) найдем значение первой производной в любой точке интервала \(f(0.5) = \frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2} > 0\), на этом интервале функция возрастает.
интервал \((1;1.5)\) найдем значение первой производной в любой точке интервала \(f(1.2) = \frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2} > 0\), на этом интервале функция возрастает.
интервал \((1.5; +\infty)\) найдем значение первой производной в любой точке интервала \(f(4) = \frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2} < 0\), на этом интервале функция убывает.

Экстремумы функции.

При исследовании функции получили на интервале области определения две критические (стационарные) точки. Определим, являются ли они экстремумами. Рассмотрим изменение знака производной при переходе через критические точки:

точка \(x = 0\) производная меняет знак с \(\quad +\quad 0 \quad + \quad\) - точка экстремумом не является.
точка \(x = 1.5\) производная меняет знак с \(\quad +\quad 0 \quad - \quad\) - точка является точкой максимума.

7. Интервалы выпуклости и вогнутости. Точки перегиба.

Для нахождения интервалов выпуклости и вогнутости найдем вторую производную функции и приравняем ее к нулю $$y"" = (\frac{x^2(3-2x)}{ (1-x)^2})"= \frac{2x(x^2-3x+3)}{(1-x)^3} $$Приравняем к нулю $$ \frac{2x(x^2-3x+3)}{(1-x)^3}= 0 => 2x(x^2-3x+3) =0 => x=0$$ Функция имеет одну критическую точку второго рода с координатами \((0;0)\).
Определим выпуклость на интервалах области определения с учетом критической точки второго рода (точки возможного перегиба).

интервал \((-\infty; 0)\) найдем значение второй производной в любой точке \(f""(-4) = \frac{2x(x^2-3x+3)}{(1-x)^3} < 0 \), на этом интервале вторая производная функции отрицательная \(f""(x) < 0 \) - функция выпуклая вверх (вогнутая).
интервал \((0; 1)\) найдем значение второй производной в любой точке \(f""(0.5) = \frac{2x(x^2-3x+3)}{(1-x)^3} > 0 \), на этом интервале вторая производная функции положительная \(f""(x) > 0 \) функция выпуклая вниз (выпуклая).
интервал \((1; \infty)\) найдем значение второй производной в любой точке \(f""(4) = \frac{2x(x^2-3x+3)}{(1-x)^3} < 0 \), на этом интервале вторая производная функции отрицательная \(f""(x) < 0 \) - функция выпуклая вверх (вогнутая).

Точки перегиба.

Рассмотрим изменение знака второй производной при переходе через критическую точку второго рода:
В точке \(x =0\) вторая производная меняет знак с \(\quad - \quad 0 \quad + \quad\), график функции меняет выпуклость, т.е. это точка перегиба с координатами \((0;0)\).

8. Асимптоты.

Вертикальная асимптота . График функции имеет одну вертикальную асимптоту \(x =1\) (см. п.2).
Наклонная асимптота.
Для того, чтобы график функции \(у= \frac{x^3}{1-x} \) при \(x \to \infty\) имел наклонную асимптота \(y = kx+b\), необходимо и достаточно, чтобы существовали два предела $$\lim_{x \to +\infty}=\frac{f(x)}{x} =k $$находим его $$ \lim_{x \to \infty} (\frac{x^3}{x(1-x)}) = \infty => k= \infty $$ и второй предел $$ \lim_{x \to +\infty}(f(x) - kx) = b$$, т.к. \(k = \infty\) - наклонной асимптоты нет.

Горизонтальная асимптота: для того, чтобы существовала горизонтальная асимптота, необходимо, чтобы существовал предел $$\lim_{x \to \infty}f(x) = b$$ найдем его $$ \lim_{x \to +\infty}(\frac{x^3}{1-x})= -\infty$$$$ \lim_{x \to -\infty}(\frac{x^3}{1-x})= -\infty$$
Горизонтальной асимптоты нет.

9. График 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