Действия для определения горизонтальной асимптоты. Как найти асимптоты графика функции? Сколько асимптот может быть у графика функции
Асимптотой графика функции y = f(x) называется прямая, обладающая тем свойством, что расстояние от точки (х, f(x)) до этой прямой стремится к нулю при неограниченном удалении точки графика от начала координат.
На рисунке 3.10. приведены графические примеры вертикальной , горизонтальных и наклонной асимптот.
Нахождение асимптот графика основано на следующих трех теоремах.
Теорема о вертикальной асимптоте. Пусть функция у = f(х) определена в некоторой окрестности точки x 0 (исключая, возможно, саму эту точку) и хотя бы один из односторонних пределов функции равен бесконечности, т.е. Тогда прямая x = x 0 является вертикальной асимптотой графика функции у = f(х).
Очевидно, что прямая х = х 0 не может быть вертикальной асимптотой, если функция непрерывна в точке х 0 , так как в этом случае . Следовательно, вертикальные асимптоты следует искать в точках разрыва функции или на концах ее области определения.
Теорема о горизонтальной асимптоте. Пусть функция у = f(х) определена при достаточно больших х и существует конечный предел функции . Тогда прямая у = b есть горизонтальная асимптота графика функции.
Замечание. Если конечен только один из пределов , то функция имеет соответственно левостороннюю либо правостороннюю горизонтальную асимптоту.
В том случае, если , функция может иметь наклонную асимптоту.
Теорема о наклонной асимптоте. Пусть функция у = f(х) определена при достаточно больших х и существуют конечные пределы . Тогда прямая y = kx + b является наклонной асимптотой графика функции.
Без доказательства.
Наклонная асимптота, так же, как и горизонтальная, может быть правосторонней или левосторонней, если в базе соответствующих пределов стоит бесконечность определенного знака.
Исследование функций и построение их графиков обычно включает следующие этапы:
1. Найти область определения функции.
2. Исследовать функцию на четность-нечетность.
3. Найти вертикальные асимптоты, исследовав точки разрыва и поведение функции на границах области определения, если они конечны.
4. Найти горизонтальные или наклонные асимптоты, исследовав поведение функции в бесконечности.
5. Найти экстремумы и интервалы монотонности функции.
6. Найти интервалы выпуклости функции и точки перегиба.
7. Найти точки пересечения с осями координат и, возможно, некоторые дополнительные точки, уточняющие график.
Дифференциал функции
Можно доказать, что если функция имеет при некоторой базе предел, равный конечному числу, то ее можно представить в виде суммы этого числа и бесконечно малой величины при той же базе (и наоборот): .
Применим это теорему к дифференцируемой функции: .
Таким образом, приращение функции Dу состоит из двух слагаемых: 1) линейного относительно Dх, т.е. f `(x)Dх; 2) нелинейного относительно Dх, т.е. a(Dx)Dх. При этом, так как , это второе слагаемое представляет собой бесконечно малую более высокого порядка, чем Dх (при стремлении Dх к нулю оно стремится к нулю еще быстрее).
Дифференциалом функции называется главная, линейная относительно Dх часть приращения функции, равная произведению производной на приращение независимой переменной dy = f `(x)Dх.
Найдем дифференциал функции у = х.
Так как dy = f `(x)Dх = x`Dх = Dх, то dx = Dх, т.е. дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной.
Поэтому формулу для дифференциала функции можно записать в виде dy = f `(x)dх. Именно поэтому одно из обозначений производной представляет собой дробь dy/dх.
Геометрический смысл дифференциала проиллюстрирован
рисунком 3.11. Возьмем на графике функции y = f(x) произвольную точку М(х, у). Дадим аргументу х приращение Dх. Тогда функция y = f(x) получит приращение Dy = f(x + Dх) - f(x). Проведем касательную к графику функции в точке М, которая образует угол a с положительным направлением оси абсцисс, т.е. f `(x) = tg a. Из прямоугольного треугольника MKN
KN = MN*tg a = Dх*tg a = f `(x)Dх = dy.
Таким образом, дифференциал функции есть приращение ординаты касательной, проведенной к графику функции в данной точке, когда х получает приращение Dх.
Свойства дифференциала в основном аналогичны свойствам производной:
3. d(u ± v) = du ± dv.
4. d(uv) = v du + u dv.
5. d(u/v) = (v du - u dv)/v 2 .
Однако, существует важное свойство дифференциала функции, которым не обладает ее производная – это инвариантность формы дифференциала .
Из определения дифференциала для функции y = f(x) дифференциал dy = f `(x)dх. Если эта функция y является сложной, т.е. y = f(u), где u = j(х), то y = f и f `(x) = f `(u)*u`. Тогда dy = f `(u)*u`dх. Но для функции
u = j(х) дифференциал du = u`dх. Отсюда dy = f `(u)*du.
Сравнивая между собой равенства dy = f `(x)dх и dy = f `(u)*du, убедимся, что формула дифференциала не изменяется, если вместо функции от независимой переменной х рассматривать функцию от зависимой переменной u. Это свойство дифференциала и получило название инвариантности (т.е. неизменности) формы (или формулы) дифференциала.
Однако в этих двух формулах все же есть различие: в первой из них дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной, т.е. dx = Dx, а во в торой дифференциал функции du есть лишь линейная часть приращения этой функции Du и только при малых Dх du » Du.
- Понятие асимптот
Одним из важных этапов построения графиков функций является поиск асимптот. С асимптотами мы встречались неоднократно: при построении графиков функций , y=tgx , y=сtgx . Мы определяли их как линии, к которым «стремится» график функции, но никогда их не пересечет. Пришло время дать точное определение асимптот.
Асимптоты бывают трех видов: вертикальная, горизонтальная и наклонная. На чертеже асимптоты принято обозначать пунктирными линиями.
Рассмотрим следующий искусственно составленный график функции (рис. 16.1), на примере которого хорошо видны все виды асимптот:
Дадим определение каждому виду асимптот:
1. Прямая х=а называется вертикальной асимптотой функции , если .
2. Прямая у=с называется горизонтальной асимптотой функции , если .
3. Прямая у=kx+b называется наклонной асимптотой функции , если .
Геометрически определение наклонной асимптоты означает, что при →∞ график функции сколь угодно близко подходит к прямой у=kx+b , т.е. они практически совпадают. Разность практически одинаковых выражений стремится к нулю.
Отметим, что горизонтальные и наклонные асимптоты рассматриваются только при условии →∞. Иногда их различают на горизонтальные и наклонные асимптоты при →+∞ и →-∞.
- Алгоритм поиска асимптот
Для поиска асимптот можно использовать следующий алгоритм:
Вертикальных асимптот может быть одна, несколько или не быть совсем.
- Если с – число, то у=с – горизонтальная асимптота;
- Если с – бесконечность, то горизонтальных асимптот нет.
Если функция представляет собой отношение двух многочленов, то при наличии у функции горизонтальных асимптот наклонные асимптоты искать не будем – их нет.
Рассмотрим примеры нахождения асимптот функции:
Пример 16.1. Найдите асимптоты кривой .
Решение х -1≠0; х ≠1.
Проверим, является ли прямая х= 1 вертикальной асимптотой. Для этого вычислим предел функции в точке х= 1: .
х= 1 - вертикальная асимптота.
с = .
с = = . Т.к. с =2 (число), то у=2 – горизонтальная асимптота.
Так как функция представляет собой отношение многочленов, то при наличии горизонтальных асимптот утверждаем, что наклонных асимптот нет.
х= 1 и горизонтальную асимптоту у=2. Для наглядности график данной функции представлен на рис. 16.2.
Пример 16.2 . Найдите асимптоты кривой .
Решение . 1. Найдем область определения функции: х -2≠0; х ≠2.
Проверим, является ли прямая х= 2 вертикальной асимптотой. Для этого вычислим предел функции в точке х= 2: .
Получили, что , следовательно, х= 2 - вертикальная асимптота.
2. Для поиска горизонтальных асимптот находим : с = .
Поскольку в пределе фигурирует неопределенность , воспользуемся правилом Лопиталя: с = = . Т.к. с – бесконечность, то горизонтальных асимптот нет.
3. Для поиска наклонных асимптот находим :
Получили неопределенность вида , воспользуемся правилом Лопиталя: = =1.Итак, 1. Найдем b по формуле: .
b= = =
Получили, что b= 2. Тогда у=kx+b – наклонная асимптота. В нашем случае она имеет вид: у=x+2.
|
Лекция 17. ОБЩАЯ СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ И ПОСТРОЕНИЯ ГРАФИКА
В данной лекции мы подведем итог всему ранее изученному материалу. Конечная цель нашего долгого пути – уметь исследовать любую аналитически заданную функцию и строить ее график. Важными звеньями нашего исследования будут исследование функции на экстремумы, определение интервалов монотонности, выпуклости и вогнутости графика, поиск точек перегиба, асимптот графика функции.
С учетом всех вышеперечисленных аспектов приведем схему исследования функции и построения графика .
1. Найти область определения функции.
2. Исследовать функцию на четность-нечетность:
· если , то функция четная (график четной функции симметричен относительно оси Оу );
· если , то функция нечетная (график нечетной функции симметричен относительно начала координат);
· в противном случае функция ни четная, ни нечетная.
3. Исследовать функцию на периодичность (среди изучаемых нами функций периодическими могут быть только тригонометрические функции).
4. Найти точки пересечения графика функции с осями координат:
· Ох : у =0 (решаем уравнение лишь в том случае, если можем использовать известные нам методы);
· Оу : х =0.
5. Найти первую производную функции и критические точки первого рода.
6. Найти интервалы монотонности и экстремумы функции.
7. Найти вторую производную функции и критические точки второго рода.
8. Найти интервалы выпуклости-вогнутости графика функции и точки перегиба.
9. Найти асимптоты графика функции.
10. Построить график функции. При построении следует учесть случаи возможного расположения графика вблизи асимптот :
11. При необходимости выбрать контрольные точки для более точного построения.
Рассмотрим схему исследования функции и построения ее графика на конкретных примерах:
Пример 17.1 . Постройте график функции .
Решение . 1. Данная функция определена на всей числовой прямой за исключением х =3, т.к. в этой точке знаменатель обращается в ноль.
2. Для определения четности и нечетности функции найдем :
Видим, что и , следовательно, функция ни четная, ни нечетная.
3. Функция непериодическая.
4. Найдем точки пересечения с осями координат. Для нахождения точки пересечения с осью Ох примем у =0. Получим уравнение: . Итак, точка (0; 0) – точка пересечения с осями координат.
5. Найдем производную функции по правилу дифференцирования дроби: = = = = .
Для нахождения критических точек найдем точки, в которых производная функции равна 0 или не существует.
Если =0, следовательно, . Произведение тогда равно 0, когда хотя бы один из множителей равен 0: или .
х -3) 2 равен 0, т.е. не существует при х =3.
Итак, функция имеет три критические точки первого рода: ; ; .
6. На числовой оси отметим критические точки первого рода, причем точку отмечаем выколотой точкой, т.к. в ней функция не определена.
Расставляем знаки производной = на каждом промежутке:
|
|
На промежутках, где , исходная функция возрастает (при (-∞;0] ), где - убывает (при ).
Точка х =0 является точкой максимума функции. Для нахождения максимума функции найдем значение функции в точке 0: .
Точка х =6 является точкой минимума функции. Для нахождения минимума функции найдем значение функции в точке 6: .
Результаты исследований можно занести в таблицу. Число строк в таблице фиксировано и равно четырем, а число столбцов зависит от исследуемой функции. В ячейки первой строки последовательно заносят интервалы, на которые критические точки разбивают область определения функции, включая сами критические точки. Во избежание ошибок при построении точки, не принадлежащие области определения, можно в таблицу не включать.
Во второй строке таблицы расставляются знаки производной на каждом из рассматриваемых промежутков и значение производной в критических точках. В соответствии со знаками производной функции в третьей строке отмечаются промежутки возрастания, убывания, экстремумы функции.
Последняя строка служит для обозначения максимума и минимума функции.
х | (-∞;0) | (0;3) | (3;6) | (6;+ ∞) | |||
+ | - | - | + | ||||
f(x) | |||||||
Выводы | max | min |
7. Найдем вторую производную функции как производную от первой производной: = =
Вынесем в числителе х -3 за скобки и выполним сокращение:
Приведем в числителе подобные слагаемые: .
Найдем критические точки второго рода: точки, в которых вторая производная функции равна нулю или не существует.
0, если =0. Данная дробь не может равняться нулю, следовательно, точек, в которых вторая производная функции равна нулю, нет.
Не существует, если знаменатель (х -3) 3 равен 0, т.е. не существует при х =3. :Ох , Оу , начало отсчета, единицы измерения по каждой оси.
Прежде чем строить график функции, нужно:
· провести асимптоты пунктирными линиями;
· отметить точки пересечения с осями координат;
|
· пользуясь полученными данными о промежутках возрастания, убывания, выпуклости и вогнутости, построить график функции. Ветви графика должны «стремиться» к асимптотам, но их не пересекать.
· проверить, соответствует ли график функции проведенному исследованию: если функция четная или нечетная, то соблюдена ли симметрия; соответствуют ли теоретически найденным промежутки возрастания и убывания, выпуклости и вогнутости, точки перегиба.
11. Для более точного построения можно выбрать несколько контрольных точек. Например, найдем значения функции в точках -2 и 7:
Корректируем график с учетом контрольных точек.
Контрольные вопросы:
- Каков алгоритм построения графика функции?
- Может ли функция иметь экстремум в точках, не принадлежащих области определении?
ГЛАВА 3. 3. ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ
Асимптоты графика функции
Призрак асимптоты давно бродил по сайту чтобы, наконец, материализоваться в отдельно взятой статье и привести в особый восторг читателей, озадаченных полным исследованием функции . Нахождение асимптот графика – одна из немногих частей указанного задания, которая освещается в школьном курсе лишь в обзорном порядке, поскольку события вращаются вокруг вычисления пределов функций , а они относятся всё-таки к высшей математике. Посетители, слабо разбирающиеся в математическом анализе, намёк, думаю, понятен;-) …стоп-стоп, вы куда? Пределы – это легко!
Примеры асимптот встретились сразу же на первом уроке о графиках элементарных функций , и сейчас тема получает детальное рассмотрение.
Итак, что такое асимптота?
Представьте переменную точку , которая «ездит» по графику функции. Асимптота – это прямая , к которой неограниченно близко приближается график функции при удалении его переменной точки в бесконечность.
Примечание : определение содержательно, если вам необходима формулировка в обозначениях математического анализа, пожалуйста, обратитесь к учебнику.
На плоскости асимптоты классифицируют по их естественному расположению:
1) Вертикальные асимптоты
, которые задаются уравнением вида , где «альфа» – действительное число. Популярная представительница определяет саму ось ординат,
с приступом лёгкой тошноты вспоминаем гиперболу .
2) Наклонные асимптоты традиционно записываются уравнением прямой с угловым коэффициентом . Иногда отдельной группой выделяют частный случай – горизонтальные асимптоты . Например, та же гипербола с асимптотой .
Резво пошло-поехало, ударим по теме короткой автоматной очередью:
Сколько асимптот может быть у графика функции?
Ни одной, одна, две, три,… или бесконечно много. За примерами далеко ходить не будем, вспомним элементарные функции . Парабола, кубическая парабола, синусоида вовсе не имеют асимптот. График экспоненциальной, логарифмической функции обладает единственной асимптотой. У арктангенса, арккотангенса их две, а у тангенса, котангенса – бесконечно много. Не редкость, когда график укомплектован и горизонтальными и вертикальными асимптотами. Гипербола, will always love you.
Что значит ?
Вертикальные асимптоты графика функции
Вертикальная асимптота графика, как правило, находится в точке бесконечного разрыва функции. Всё просто: если в точке функция терпит бесконечный разрыв, то прямая, заданная уравнением является вертикальной асимптотой графика.
Примечание : обратите внимание, что запись используется для обозначения двух совершенно разных понятий. Точка подразумевается или уравнение прямой – зависит от контекста.
Таким образом, чтобы установить наличие вертикальной асимптоты в точке достаточно показать, что хотя бы один из односторонних пределов бесконечен. Чаще всего это точка, где знаменатель функции равен нулю. По существу, мы уже находили вертикальные асимптоты в последних примерах урока о непрерывности функции . Но в ряде случаев существует только один односторонний предел, и, если он бесконечен, то снова – любите и жалуйте вертикальную асимптоту. Простейшая иллюстрация: и ось ординат (см. Графики и свойства элементарных функций ).
Из вышесказанного также следует очевидный факт: если функция непрерывна на , то вертикальные асимптоты отсутствуют . На ум почему-то пришла парабола. Действительно, где тут «воткнёшь» прямую? …да… понимаю… последователи дядюшки Фрейда забились в истерике =)
Обратное утверждение в общем случае неверно: так, функция не определена на всей числовой прямой, однако совершенно обделена асимптотами.
Наклонные асимптоты графика функции
Наклонные (как частный случай – горизонтальные) асимптоты могут нарисоваться, если аргумент функции стремится к «плюс бесконечности» или к «минус бесконечности». Поэтому график функции не может иметь больше двух наклонных асимптот . Например, график экспоненциальной функции обладает единственной горизонтальной асимптотой при , а график арктангенса при – двумя такими асимптотами, причём различными.
Когда график и там и там сближается с единственной наклонной асимптотой, то «бесконечности» принято объединять под единой записью . Например, …правильно догадались: .
Общее практическое правило :
Если существуют два конечных предела , то прямая является наклонной асимптотой графика функции при . Если хотя бы один из перечисленных пределов бесконечен, то наклонная асимптота отсутствует.
Примечание : формулы остаются справедливыми, если «икс» стремится только к «плюс бесконечности» или только к «минус бесконечности».
Покажем, что у параболы нет наклонных асимптот:
Предел бесконечен, значит, наклонная асимптота отсутствует. Заметьте, что в нахождении предела необходимость отпала, поскольку ответ уже получен.
Примечание
: если у вас возникли (или возникнут) трудности с пониманием знаков «плюс-минус», «минус-плюс», пожалуйста, посмотрите справку в начале урока
о бесконечно малых функциях
, где я рассказал, как правильно интерпретировать данные знаки.
Очевидно, что у любой квадратичной, кубической функции, многочлена 4-й и высших степеней также нет наклонных асимптот.
А теперь убедимся, что при у графика тоже нет наклонной асимптоты. Для раскрытия неопределённости используем правило Лопиталя
:
, что и требовалось проверить.
При функция неограниченно растёт, однако не существует такой прямой, к которой бы её график приближался бесконечно близко .
Переходим к практической части урока:
Как найти асимптоты графика функции?
Именно так формулируется типовое задание, и оно предполагает нахождение ВСЕХ асимптот графика (вертикальных, наклонных/горизонтальных). Хотя, если быть более точным в постановке вопроса – речь идёт об исследовании на наличие асимптот (ведь таковых может и вовсе не оказаться). Начнём с чего-нибудь простого:
Пример 1
Найти асимптоты графика функции
Решение удобно разбить на два пункта:
1) Сначала проверяем, есть ли вертикальные асимптоты. Знаменатель обращается в ноль при , и сразу понятно, что в данной точке функция терпит бесконечный разрыв
, а прямая, заданная уравнением , является вертикальной асимптотой графика функции . Но, прежде чем оформить такой вывод, необходимо найти односторонние пределы:
Напоминаю технику вычислений, на которой я подобно останавливался в статье Непрерывность функции. Точки разрыва
. В выражение под знаком предела вместо «икса» подставляем . В числителе ничего интересного:
.
А вот в знаменателе получается бесконечно малое отрицательное число
:
, оно и определяет судьбу предела.
Левосторонний предел бесконечный, и, в принципе уже можно вынести вердикт о наличии вертикальной асимптоты. Но односторонние пределы нужны не только для этого – они ПОМОГАЮТ ПОНЯТЬ, КАК
расположен график функции и построить его КОРРЕКТНО
. Поэтому обязательно вычислим и правосторонний предел:
Вывод : односторонние пределы бесконечны, значит, прямая является вертикальной асимптотой графика функции при .
Первый предел конечен
, значит, необходимо «продолжить разговор» и найти второй предел:
Второй предел тоже конечен
.
Таким образом, наша асимптота:
Вывод : прямая, заданная уравнением является горизонтальной асимптотой графика функции при .
Для нахождения горизонтальной асимптоты
можно пользоваться упрощенной формулой
:
Если существует конечный предел , то прямая является горизонтальной асимптотой графика функции при .
Нетрудно заметить, что числитель и знаменатель функции одного порядка роста
, а значит, искомый предел будет конечным:
Ответ :
По условию не нужно выполнять чертёж, но если в самом разгаре исследование функции
, то на черновике сразу же делаем набросок:
Исходя из трёх найденных пределов , попытайтесь самостоятельно прикинуть, как может располагаться график функции . Совсем трудно? Найдите 5-6-7-8 точек и отметьте их на чертеже. Впрочем, график данной функции строится с помощью преобразований графика элементарной функции
, и читатели, внимательно рассмотревшие Пример 21 указанной статьи легко догадаются, что это за кривая.
Пример 2
Найти асимптоты графика функции
Это пример для самостоятельного решения. Процесс, напоминаю, удобно разбить на два пункта – вертикальные асимптоты и наклонные асимптоты. В образце решения горизонтальная асимптота найдена по упрощенной схеме.
На практике чаще всего встречаются дробно-рациональные функции, и после тренировки на гиперболах усложним задание:
Пример 3
Найти асимптоты графика функции
Решение : Раз, два и готово:
1) Вертикальные асимптоты находятся в точках бесконечного разрыва
, поэтому нужно проверить, обращается ли знаменатель в ноль. Решим квадратное уравнение
:
Дискриминант положителен, поэтому уравнение имеет два действительных корня, и работы значительно прибавляется =)
В целях дальнейшего нахождения односторонних пределов квадратный трёхчлен удобно разложить на множители
:
(для компактной записи «минус» внесли в первую скобку). Для подстраховки выполним проверку, мысленно либо на черновике раскрыв скобки.
Перепишем функцию в виде
Найдём односторонние пределы в точке :
И в точке :
Таким образом, прямые являются вертикальными асимптотами графика рассматриваемой функции.
2) Если посмотреть на функцию , то совершенно очевидно, что предел будет конечным и у нас горизонтальная асимптота. Покажем её наличие коротким способом:
Таким образом, прямая (ось абсцисс) является горизонтальной асимптотой графика данной функции.
Ответ :
Найденные пределы и асимптоты дают немало информации о графике функции. Постарайтесь мысленно представить чертёж с учётом следующих фактов:
Схематично изобразите вашу версию графика на черновике.
Конечно, найденные пределы однозначно не определяют вид графика, и возможно, вы допустите ошибку, но само упражнение окажет неоценимую помощь в ходе полного исследования функции . Правильная картинка – в конце урока.
Пример 4
Найти асимптоты графика функции
Пример 5
Найти асимптоты графика функции
Это задания для самостоятельного решения. Оба графика снова обладают горизонтальными асимптотами, которые немедленно детектируются по следующим признакам: в Примере 4 порядок роста знаменателя больше , чем порядок роста числителя, а в Примере 5 числитель и знаменатель одного порядка роста . В образце решения первая функция исследована на наличие наклонных асимптот полным путём, а вторая – через предел .
Горизонтальные асимптоты, по моему субъективному впечатлению, встречаются заметно чаще, чем те, которые «по-настоящему наклонены». Долгожданный общий случай:
Пример 6
Найти асимптоты графика функции
Решение : классика жанра:
1) Поскольку знаменатель положителен, то функция непрерывна на всей числовой прямой, и вертикальные асимптоты отсутствуют. …Хорошо ли это? Не то слово – отлично! Пункт №1 закрыт.
2) Проверим наличие наклонных асимптот:
Первый предел конечен
, поэтому едем дальше. В ходе вычисления второго предела для устранения неопределённости «бесконечность минус бесконечность»
приводим выражение к общему знаменателю:
Второй предел тоже конечен
, следовательно, у графика рассматриваемой функции существует наклонная асимптота:
Вывод :
Таким образом, при график функции бесконечно близко
приближается к прямой :
Заметьте, что он пересекает свою наклонную асимптоту в начале координат, и такие точки пересечения вполне допустимы – важно, чтобы «всё было нормально» на бесконечности (собственно, речь об асимптотах и заходит именно там).
Пример 7
Найти асимптоты графика функции
Решение : комментировать особо нечего, поэтому оформлю примерный образец чистового решения:
1) Вертикальные асимптоты. Исследуем точку .
Прямая является вертикальной асимптотой для графика при .
2) Наклонные асимптоты:
Прямая является наклонной асимптотой для графика при .
Ответ :
Найдённые односторонние пределы и асимптоты с высокой достоверностью позволяют предположить, как выглядит график данной функции. Корректный чертёж в конце урока.
Пример 8
Найти асимптоты графика функции
Это пример для самостоятельного решения, для удобства вычисления некоторых пределов можно почленно разделить числитель на знаменатель. И снова, анализируя полученные результаты, постарайтесь начертить график данной функции.
Очевидно, что обладателями «настоящих» наклонных асимптот являются графики тех дробно-рациональных функций, у которых старшая степень числителя на единицу больше старшей степени знаменателя. Если больше – наклонной асимптоты уже не будет (например, ).
Но в жизни происходят и другие чудеса:
Пример 9
Пример 11
Исследовать график функции на наличие асимптот
Решение : очевидно, что , поэтому рассматриваем только правую полуплоскость, где есть график функции.
Таким образом, прямая (ось ординат) является вертикальной асимптотой для графика функции при .
2) Исследование на наклонную асимптоту можно провести по полной схеме, но в статье Правила Лопиталя мы выяснили, что линейная функция более высокого порядка роста, чем логарифмическая, следовательно: (см. Пример 1 того же урока).
Вывод: ось абсцисс является горизонтальной асимптотой графика функции при .
Ответ
:
, если ;
, если .
Чертёж для наглядности:
Интересно, что у вроде бы похожей функции асимптот нет вообще (желающие могут это проверить).
Два заключительных примера для самостоятельного изучения:
Пример 12
Исследовать график функции на наличие асимптот
Если расстояние d от точки кривой у = f (х), имеющей бесконечную ветвь, до некоторой определенной прямой по мере удаления точки по этой кривой в бесконечность стремится к нулю, то прямая называется асимптотой кривой.
Различают асимптоты: 1) горизонтальные, 2) вертикальные и 3) наклонные.
1. Кривая у = f (х) имеет горизонтальную асимптоту у =b только в том случае, когда существует конечный предел функции f (х) при , и этот предел равен b , т. е. если
2. Кривая у = f (х) имеет вертикальную асимптоту х = а, если при . Для определения вертикальных асимптот надо отыскать те значения аргумента, вблизи которых f (х) неограниченно возрастает по абсолютной величине. Если такими значениями аргумента являются а1, а2, …, то уравнения вертикальных асимптот будут
х = а1, х =а2…
3. Для определения наклонной асимптоты у = kx + b кривой у = f (х) надо найти числа k и b из формул
(следует отдельно рассматривать случаи ). Наклонные асимптоты у кривой у = f (х) существуют в том и только в том случае, когда эти пределы имеют конечное значение. При определении этих пределов удобно пользоваться правилом Лопиталя.
Пример.
Найти асимптоты кривой
Решение. Горизонтальных асимптот нет. Вертикальную асимптоту находим из условия
2х
+ 3 = 0 => х = - 3/2, при этом у
,
когда
,
у
,
когда
.
Определим наклонные асимптоты, уравнение
которых имеет вид: у = kx + b
Так
как k и b имеют конечные значения и равны
между собой при х
и при х
,
то имеется единственная наклонная
асимптота, уравнение которой
Общее исследование функции
Под полным исследованием функции обычно понимается решение таких вопросов:
Определение области существования функции.
Выявление вопроса о четности и нечетности функции.
Определение точек разрыва функции.
Определение асимптот графика функции.
Определение интервалов возрастания и убывания функции.
Определение экстремума функции.
Определение интервалов выпуклости и вогнутости графика функции.
Определение точек перегиба.
Нахождение пересечения с осями координат.
Построение графика функции.
Пример.
Исследуем функцию
D
(y) = (
).
Функция непрерывна на всей области
определения. Точек разрыва нет.
Функция не является ни четной, ни нечетной, ни периодической.
Точек разрыва нет.
Вертикальных
асимптот нет;
,
наклонных асимптот нет.
5,
6.
.
Критические точки х = -2, х = 0.
( |
( |
||||
Знак |
= 0 | ||||
Поведение функции |
Возрастает |
3 |
Возрастает |
7,
8.
,
при
х = 1,
не существует при х = 0.
( |
( |
||||
Знак
|
=
|
= 0 | |||
Поведение функции |
Выпукла верх |
Не является точкой перегиба |
Выпукла верх |
Точка перегиба |
Выпукла вниз |
9.
х
=0 и х = -5.
Задание 1
Вычислить определитель матрицы А второго порядка
Вычислить определитель матрицы В третьего порядка
Вычислить определитель матрицы В, разложив его по какой-либо строке и какому либо столбцу
Вычислить определитель матрицы В, пользуясь свойствами определителей. Свести вычисление определителя третьего порядка к вычислению одного определителя второго порядка
Вариант 1 | ||||||||||||||||||
Вариант 2 | ||||||||||||||||||
Вариант 3 | ||||||||||||||||||
Вариант 4 | ||||||||||||||||||
Вариант 5 | ||||||||||||||||||
Вариант 6 | ||||||||||||||||||
Вариант 7 | ||||||||||||||||||
Вариант 8 | |||||||||||
Вариант 9 | |||||||||||
Вариант 10 | |||||||||||
Задание 2
1. Решить методом Крамера систему уравнений Ах = а
Решить методом Крамера систему уравнений В x = b
Решить методом Гаусса систему уравнений В x = b
Задание 3.
Ах = а
Решить матричным методом систему уравнений В x = b
Задание 4.
Вычислить ранг матрицы.
1.,
2.
;
3.
4.
5.
6.
7.
8
9.
10.
Задание 5
Даны две вершины треугольника Δ АВС: А (х 1 ,у 1 ), В (х 2 ,у 2 ) и точка D (x 3 , y 3 )пересечения высот:
а) составить уравнение высот, медиан, биссектрис треугольника Δ АВС .
б) найти уравнения прямых, проходящих через вершины треугольника и параллельных сторонам.
в) определить длины высот треугольника и расстояние от точки М (х 4 , у 4 ) до сторон треугольника.
x 1 |
y 1 |
x 2 |
y 2 |
x 3 |
y 3 |
x 4 |
y 4 |
|
Задание 6.
Даны координаты вершин пирамиды АВС D : А (х 1 ,у 1 , z 1 ), В (х 2 ,у 2 , z 3 ) ,C (x 2 , y 2 , z 2 ) ,D (х 4 , у 4 , z 3 )
1) длину ребра АВ; .
2) угол между ребрами АВ и А D ;
3) угол меду ребром AD и гранью ABC ;
4) площадь грани ABC ;
5) объем пирамиды;
6) уравнение прямой AB ;
7) уравнение плоскости ABC ;
8) уравнение высоты, опущенной из вершиныD на грань ABC .
n |
x 1 |
y 1 |
z 1 |
x 2 |
y 2 |
z 2 |
x 3 |
y 3 |
z 3 |
x 4 |
y 4 |
z 4 |
Задание 7.
Задание 8. Найти область определения функции
5.
7.
8.
9.
10.
Задание 9.Построить график функции
1.
2.
3.
4
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Задание 10 .Найти пределы функции
1.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
2.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
3.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
4.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
5.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
6.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
7.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
8.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
9.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
10.а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
Задание 11. Найти производную
1.
,
б),
в)
,
г)
,
д)
,
е)
2.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,е)
3.
а),
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
e)
4.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
e)
5.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
е)
6.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
е)
7.
а)
,
б),
в)
,
г)
,
д)
,
е)
8.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
е)
9.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
е)
10.
а)
,
б)
,
в)
,
г)
,
д)
,
е)
Задание 12. Показать, что функция удовлетворяет равенству
Задание 13. Найти вторую производную функции, заданной параметрически.
1 .
6.
2.
7
3.
8
4.
9.
5.
10.
Задание 14. Найти пределы, пользуясь правилом Лопиталя
Задание 15. Найти экстремумы заданных функций.
1.
6.
2.
7.
3.
8.
4.
9.
5.
10.
Задание 16. Найти наибольшее и наименьшее значение на указанных отрезках и на указанных интервалах.
Задание 17. Провести полное исследование данных функций и начертить их графики.
1.
6.
2.
7.
3.
8.
4.
9.
5.
10.
Литература:
Баврин И.И. Курс высшей математики.-М.:Просвящение,1992.-400 с.
Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М, 1967г,608 с
Общий курс высшей математики для экономистов, под ред В.И.Ермакова-М. «Инфра-М».1999 г.-655 с.
Теуш В.Л. Курс высшей математики. - М.: Советская наука, 1958г, 270 с.
Шипачев В.С. Высшая математика: Учебное пособие М. Высшая школа,1990.-479с.
Высшая математика для экономистов: Учебник для вузов/Н.Ш.Кремер, Б.А.Путко и др.; М: ЮНИТИ, 2002. – 461 с.
Валєєв К.Г, Джалладова І.А Вища математика: Навч. Посібник.
Решение удобно разбить на два пункта:
1) Сначала проверяем, есть ли вертикальные асимптоты. Знаменатель обращается в ноль при, и сразу понятно, что в данной точке функция терпит бесконечный разрыв, а прямая, заданная уравнением, является вертикальной асимптотой графика функции. Но, прежде чем оформить такой вывод, необходимо найти односторонние пределы:
Напоминаю технику вычислений, на которой я подобно останавливался в статье Непрерывность функции. Точки разрыва. В выражение под знаком предела вместо «икса» подставляем. В числителе ничего интересного:
А вот в знаменателе получается бесконечно малое отрицательное число:
Оно и определяет судьбу предела.
Левосторонний предел бесконечный, и, в принципе уже можно вынести вердикт о наличии вертикальной асимптоты. Но односторонние пределы нужны не только для этого - они ПОМОГАЮТ ПОНЯТЬ, КАК расположен график функции и построить его КОРРЕКТНО. Поэтому обязательно вычислим и правосторонний предел:
Вывод: односторонние пределы бесконечны, значит, прямая является вертикальной асимптотой графика функции при.
Первый предел конечен, значит, необходимо «продолжить разговор» и найти второй предел:
Второй предел тоже конечен.
Таким образом, наша асимптота:
Вывод: прямая, заданная уравнением является горизонтальной асимптотой графика функции при.
Для нахождения горизонтальной асимптоты можно пользоваться упрощенной формулой:
Если существует конечный предел, то прямая является горизонтальной асимптотой графика функции при.
Нетрудно заметить, что числитель и знаменатель функции одного порядка роста, а значит, искомый предел будет конечным:
По условию не нужно выполнять чертёж, но если в самом разгаре исследование функции, то на черновике сразу же делаем набросок:
Исходя из трёх найденных пределов, попытайтесь самостоятельно прикинуть, как может располагаться график функции. Совсем трудно? Найдите 5-6-7-8 точек и отметьте их на чертеже. Впрочем, график данной функции строится с помощью преобразований графика элементарной функции, и читатели, внимательно рассмотревшие Пример 21 указанной статьи легко догадаются, что это за кривая.
Это пример для самостоятельного решения. Процесс, напоминаю, удобно разбить на два пункта - вертикальные асимптоты и наклонные асимптоты. В образце решения горизонтальная асимптота найдёна по упрощенной схеме.
На практике чаще всего встречаются дробно-рациональные функции, и после тренировки на гиперболах усложним задание:
Найти асимптоты графика функции
Решение: Раз, два и готово:
1) Вертикальные асимптоты находятся в точках бесконечного разрыва, поэтому нужно проверить, обращается ли знаменатель в ноль. Решим квадратное уравнение:
Дискриминант положителен, поэтому уравнение имеет два действительных корня, и работы значительно прибавляется
В целях дальнейшего нахождения односторонних пределов квадратный трёхчлен удобно разложить на множители:
(для компактной записи «минус» внесли в первую скобку). Для подстраховки выполним проверку, мысленно либо на черновике раскрыв скобки.
Перепишем функцию в виде
Найдём односторонние пределы в точке:
асимптота график функция предел
И в точке:
Таким образом, прямые являются вертикальными асимптотами графика рассматриваемой функции.
2) Если посмотреть на функцию, то совершенно очевидно, что предел будет конечным и у нас горизонтальная асимптота. Покажем её наличие коротким способом:
Таким образом, прямая (ось абсцисс) является горизонтальной асимптотой графика данной функции.
Найденные пределы и асимптоты дают немало информации о графике функции. Постарайтесь мысленно представить чертёж с учётом следующих фактов:
Схематично изобразите вашу версию графика на черновике.
Конечно, найденные пределы однозначно не определяют вид графика, и возможно, вы допустите ошибку, но само упражнение окажет неоценимую помощь в ходе полного исследования функции. Правильная картинка - в конце урока.
Найти асимптоты графика функции
Найти асимптоты графика функции
Это задания для самостоятельного решения. Оба графика снова обладают горизонтальными асимптотами, которые немедленно детектируются по следующим признакам: в Примере 4порядок роста знаменателя больше, чем порядок роста числителя, а в Примере 5 числитель и знаменатель одного порядка роста. В образце решения первая функция исследована на наличие наклонных асимптот полным путём, а вторая - через предел.
Горизонтальные асимптоты, по моему субъективному впечатлению, встречаются заметно чаще, чем те, которые «по-настоящему наклонены». Долгожданный общий случай:
Найти асимптоты графика функции
Решение: классика жанра:
- 1) Поскольку знаменатель положителен, то функция непрерывна на всей числовой прямой, и вертикальные асимптоты отсутствуют. …Хорошо ли это? Не то слово - отлично! Пункт №1 закрыт.
- 2) Проверим наличие наклонных асимптот:
Второй предел тоже конечен, следовательно, у графика рассматриваемой функции существует наклонная асимптота:
Таким образом, при график функции бесконечно близко приближается к прямой.
Заметьте, что он пересекает свою наклонную асимптоту в начале координат, и такие точки пересечения вполне допустимы - важно, чтобы «всё было нормально» на бесконечности (собственно, речь об асимптотах и заходит именно там).
Найти асимптоты графика функции
Решение: комментировать особо нечего, поэтому оформлю примерный образец чистового решения:
1) Вертикальные асимптоты. Исследуем точку.
Прямая является вертикальной асимптотой для графика при.
2) Наклонные асимптоты:
Прямая является наклонной асимптотой для графика при.
Найдённые односторонние пределы и асимптоты с высокой достоверностью позволяют предположить, как выглядит график данной функции.
Найти асимптоты графика функции
Это пример для самостоятельного решения, для удобства вычисления некоторых пределов можно почленно разделить числитель на знаменатель. И снова, анализируя полученные результаты, постарайтесь начертить график данной функции.
Очевидно, что обладателями «настоящих» наклонных асимптот являются графики тех дробно-рациональных функций, у которых старшая степень числителя на единицу больше старшей степени знаменателя. Если больше - наклонной асимптоты уже не будет (например,).
Но в жизни происходят и другие чудеса.