Priebeh funkcie
Príklad 1
Vyšetrite priebeh funkcie
f a nakreslite jej graf.
f: y=16x(x-1)^3
Riešenie:
I. Z predpisu funkcie určujeme:
- 1. definičný obor funkcie,
- 2. párnosť, nepárnosť funkcie,
- 3. priesečníky so súradnicovými osami,
- 4. asymptoty so smernicou, asymtoty bez smernice
1. definičný obor funkcie
D(f)=\mathrm{R}
2. párnosť, nepárnosť funkcie
Funkcia je párna vtedy a len vtedy, ak spĺňa dve nasledujúce podmienky:
- Ak x\in D(f), tak -x\in D(f), t.j. definičný obor je symetrický.
- f(-x)=f(x) , t.j. graf funkcie je symetrický podľa osi o_y.
Funkcia je nepárna vtedy a len vtedy, ak spĺňa:
- Ak x\in D(f), tak -x\in D(f), t.j. definičný obor je symetrický.
- f(-x)=-f(x) , t.j. graf funkcie je symetrický podľa bodu [0,0].
Keďže definičný obor je symetrický, prvá podmienka je splnená. Ostáva overiť druhú podmienku a teda čomu sa rovná funkčná hodnota funkcie
f v bode
-x;
f(-x)=16(-x)(-x-1)^3=16x(x+1)
Funkcia nie je ani párna ani nepárna.
3. priesečníky s osou x a osou y
Priesečník
s osou
x (osou
y) je bod, v ktorom funkcia
f pretne x-ovú (y-ovú)
súradnicovú os. Tento bod má súradnice
[x,0] (resp.
[0,y]).
Najprv určíme priesečník s osou
x, teda
[x,0]. Hľadaný bod
x spĺňa rovnosť:
0=16x(x-1)^3
Tento výraz sa rovná nule vtedy, ak
\begin{array}{rclcrcl}
16x&=& 0 &\text{alebo}& (x-1)^3&=&0 \\
x&=& 0& &x&=& 1\\
&& & &x&=& 0\\
\end{array}
Priesečníky so súradnicovou osou
x sú body so súradnicami
[0,0] a
[1,0].
Priesečník so súradnicovou osou
y má
súradnice
[0,f(0)], kde funkčnú hodnotu v čísle
0 získame dosadením
x=0 do predpisu funkcie
f.
f(0)= 16\cdot 0\cdot (0-1)^3
Vidíme,
že priesečník s osou
y je zároveň aj priesečníkom s osou
x (graf
funkcie
f pretne súradnicové osi v bode
[0,0]). Iné
priesečníky graf funkcie
f so súradnicovými osami nemá.
4. Asymptoty so smernicou, asymptoty bez smernice
Funkcia
f nemá asymptoty bez smernice, keďže nemá žiadne body nespojitosti.
Asymptoty
so smernicou sú vo všeobecnosti dve priamky, ku ktorým sa graf funkcie
limitne približuje v "krajných bodoch", t.j. plus a mínus nekonečne.
Všeobecné
rovnice týchto priamok sú:
y=k_1\cdot x + q_1 a
y=k_2\cdot x +
q_2, kde
k_1, k_2 (označované tiež ako smernice priamok) a
q_1, q_2
sú parametre, ktoré sa v závislosti od typu funkcie menia. Tieto
parametre je možné vypočítať podľa nasledujúcich vzťahov:
\begin{array}{ccl}
k_1&=& \lim\limits_{x\rightarrow \infty} \frac{f(x)}{x}\\
q_1 &=&\lim\limits_{x\rightarrow \infty} (f(x)-k_1\cdot x)\\
\end{array}
\begin{array}{ccl}
k_2&= &\lim\limits_{x\rightarrow -\infty} \frac{f(x)}{x}\\
q_2 &=&\lim\limits_{x\rightarrow -\infty} (f(x)-k_2\cdot x)\\
\end{array}
V našom prípade asymtoty so smernicou neexistujú, lebo
k_1= \lim\limits_{x\rightarrow
\infty}\frac{16x(x-1)^3}{x}=\lim\limits_{x\rightarrow
\infty}16(x-1)^3=\infty
II. Z prvej derivácia funkcie určujeme
- 5. stacionárne body,
- 6. monotónnosť funkcie, t.j. intervaly na ktorých funkcia rastie resp. klesá,
- 7. extrémy funkcie.
f(x)=16x(x-1)^3
Túto funkciu derivujeme ako súčin dvoch funkcií
\begin{array}{ccl}
f^{\prime}(x)&=&(16x)^{\prime}\cdot (x-1)^3+(16x)\cdot ((x-1)^3)^{\prime}\\
f^{\prime}(x)&=&(16)\cdot (x-1)^3+16x\cdot 3(x-1)^2=16(x-1)^2(4x-1)\\
\end{array}
5. stacionárne body
Stacionárne body funkcie sú všetky čísla z oboru definície funkcie
f(x), v ktorých je
f^{\prime}(x)= 0.
Sú to také body z definičného oboru funkcie, v ktorých sa mení monotónnosť funkcie t.j. rastúca funkcia sa zmení na klesajúcu a naopak.
\begin{array}{rclcrcl}
16(x-1)^2&=&0&\text{alebo}&4x-1&=&0\\
(x-1)^2&=&0&&x&=&\frac{1}{4}\\
x&=&1&&&&\\
\end{array}
Funkcia má dva stacionárne body.
Aby
sme dokázali nakresliť graf funkcie
f, je nutné dopočítať aj
y-ové
súradnice týchto stacionárnych bodov, teda
\begin{array}{ccl}
f(1)&=&16(1-1)^3=0\\
f\left(\frac{1}{4}\right)&=&16\cdot \frac{1}{4}\left(\frac{1}{4}-1\right)^3\\
\end{array}
6. Intervaly na ktorých funkcie rastie (klesá)
Funkcia je rastúca práve vtedy a len vtedy, ak
f^{\prime}(x)> 0.
f^{\prime}(x)=16(x-1)^2(4x-1)>0
Čísla
1 a
\frac{1}{4} rozdeľujú definičný obor funkcie
f(x) na
nasledujúce tri intervaly:
\left(-\infty, \frac{1}{4}\right),
\left(\frac{1}{4}, 1\right),
\left(1, \infty\right), v ktorých vyšetríme znamienko prvej derivácie.
Funkcia
16(x-1)^2 je kladná pre ľubovoľné
x \in D(f). Súčin je kladný, ak platiť:
\begin{array}{rcl}
4x-1&>&0\\
x&>&\frac{1}{4}\\
\end{array}
Keďže prvá derivácia je kladná v intervaloch
\left(\frac{1}{4}, 1\right) a
\left(1, \infty\right), tak funkcia
f v týchto intervaloch rastie.
Ďalej je potrebné určiť intervaly, v ktorých funkcia
f klesá. Funkcia je klesajúca práve vtedy a len vtedy, ak
f^{\prime}(x)<0).
f^{\prime}(x)=16(x-1)^2(4x-1)<0
Keďže výraz
16(x-1)^2 je kladný pre ľubovoľné číslo z definičného oboru funkcie
f.
Prvá derivácia bude záporná vtedy, keď
4x-1<0.
Keďže prvá derivácia je záporná v intervale
\left(-\infty, \frac{1}{4}\right), tak funkcia
f v tomto intervale klesá.
7. Lokálne extrémy funkcie
Funkcia nadobúda lokálne extrémy v čísle
\frac{1}{4}
III. Z druhej derivácie funkcie určujeme:
- 8. intervaly, v ktorých je funkcia konkávna, konvexná,
- 9. inflexné body funkcie
\begin{array}{ccl}
f^{\prime\prime}(x)&= &(f^{\prime}(x))^{\prime}\\
f^{\prime\prime}(x)&= &\left(16(x-1)^2(4x-1)\right)^{\prime}\\
f^{\prime\prime}(x)&=&32(x-1)(4x-1)+64(x-1)^2=64(x-1)(3x-2)\\
\end{array}
8. Inflexné body funkcie
Inflexný
bod je taký bod z definičného oboru funkcie, v ktorom funkcia mení svoj priebeh z konkávnej na konvexnú a
naopak. Tento bod vypočítame z druhej derivácie funkcie tak, že
\begin{array}{lcl}
f^{\prime\prime}(x)&=& 0\\
64(x-1)(3x-2)&=&0\\
\end{array}
\begin{array}{rclcrcl}
64(x-1)&=&0&\text{alebo}&3x-2&=&0\\
x-1&=&0&&3x&=&2\\
x&=&1&&x&=&\frac{2}{3}\\
\end{array}
Týmto
postupom sme vypočítali
x-ovú súradnicu inflexné hodu. Aby sme
dokázali nakresliť graf funkcie
f, je nutné dopočítať aj
y-ovú
súradnicu tohto bodu a to tak, že do predpisu funkcie
f za
x
dosadíme číslo
1 a číslo
\frac{2}{3}.
9. Intervaly, v ktorých je funkcia konkávna, konvexná
Funkcia je konvexná vtedy a len vtedy, ak
f^{\prime\prime}(x)>0 t.j.
64(x-1)(3x-2)>0
Chceme určiť intervaly, v ktorých je výraz
64(x-1)(3x-2) kladný.
Súčin
je kladný, ak prvý činiteľ je kladný (t.j. ak
x\in (1;\infty) a zároveň druhý činiteľ
je kladný (t.j. ak
x\in\left(\frac{2}{3};\infty\right)), alebo ak
prvý činiteľ je záporný (t.j. ak
x\in (-\infty,1)) a zároveň druhý činiteľ
je záporný
(t.j. ak
x\in\left(-\infty,\frac{2}{3}\right)).
Funkcia je konvexná, ak
x\in (-\infty;\frac{2}{3}) \cup (1;\infty).
Funkcia je konkávna vtedy a len vtedy, ak
f^{\prime\prime}(x)<0 t.j.
64(x-1)(3x-2)<0
Súčin je záporný, ak prvý činiteľ je kladný (t.j. ak
x\in (1;\infty) a zároveň druhý činiteľ
je záporný (t.j. ak
x\in\left(-\infty,\frac{2}{3}\right)), alebo ak
prvý činiteľ je záporný (t.j. ak
x\in (-\infty,1)) a zároveň druhý činiteľ
je kladný
(t.j. ak
x\in\left(\frac{2}{3};\infty\right))
Funkcia je konkávna, ak
x\in \left(\frac{2}{3};1\right)
10. Graf funkcie