Zadanie 7.4.1

 Animacja - wprowadzenie do zadania

Uwaga

Poniżej przedstawiony jest przebieg zmienności funkcji \({\displaystyle f(x)=\frac{x^{3}}{x^{2}-9}}\) w programie matematycznym GeoGebra.
Możesz wybrać te własności funkcji \(f,\) które chcesz "odkryć" na wykresie.

Poniżej przedstawiona tabelka obrazuje co dzieje się z pierwszą i drugą pochodną funkcji we wskazanych przedziałach argumentów oraz jak zachowuje się w nich funkcja \({\displaystyle f(x)=\frac{x^{3}}{x^{2}-9}}\).

 Polecenie

Zbadaj przebieg zmienności podanych funkcji oraz narysuj ich wykresy.

 Wskazówki

Badanie przebiegu zmienności funkcji

Algorytm
  1. Dziedzina funkcji \(f.\)
     Dziedzina

  2. Własności ogólne funkcji \(f\), takie jak: parzystość/nieparzystość, okresowość, różniczkowalność, ciągłość, itp. 
     Własności funkcji  Ciągłość  Własności funkcji liniowej  Własności funkcji kwadratowej

  3. Miejsca zerowe oraz punkty przecięcia się wykresu funkcji \(f\) z osiami układu współrzędnych.
     Własności funkcji liniowej  Własności funkcji kwadratowej

  4. Asymptoty funkcji \(f.\)
     Asymptoty

  5. Monotoniczność funkcji \(f\) oraz ekstrema (badanie pierwszej pochodnej funkcji \(f\) ).
     Monotoniczność i ekstrema

  6. Wklęsłość, wypukłość, punkty przegięcia (badanie drugiej pochodnej funkcji \(f\) ).
     Wklęsłość, wypukłość, punkty przegięcia

  7. Wykres funkcji \(f.\)

 Funkcja 1

\({\displaystyle f(x)=\ln \frac{x^{2}}{x-1}}\)

 Rozwiązanie

Dziedzina
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f(x)=\ln \frac{x^{2}}{x-1}}\\
{\displaystyle \frac{x^{2}}{x-1} \gt 0 \ \  \wedge \ \  x-1\neq 0}\\
{\displaystyle  x^{2}\left (x-1  \right )\gt 0 \ \  \wedge \ \  x\neq 1 }\\
{\displaystyle \left ( x=0 - \textrm{ p. 2-krotny } \ \ \vee \ \ x=1 \right ) \ \  \wedge \ \ x\neq 1 }\\
\end{array}\]
_rysunek_7.4.1.2

\[D=\left ( 1;\infty \right )\]
Własności funkcji
Funkcja \(f\) jest ciągła i różniczkowalna na swojej dziedzinie, jako złożenie funkcji elementarnych. 
Miejsca zerowe, punkty przecięcia sie z osiami
\[ \begin{array}{l}
x=0\notin D_{f}\\
f(x)=0\\
{\displaystyle \ln \frac{x^{2}}{x-1}=0}\\
{\displaystyle \frac{x^{2}}{x-1}=e^{0}}\\
{\displaystyle \frac{x^{2}}{x-1}=1}\\
x^{2}=x-1\\
x^{2}-x+1=0\\
\Delta =1-4\cdot 1\cdot 1=-3 \lt 0
\end{array}\]
Brak miejsc zerowych oraz punktów przecięcia z osią \(OY.\)
Asymptoty
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f(x)=\ln \frac{x^{2}}{x-1}=0}\\
{\displaystyle \lim_{x \to \infty}\ln \frac{x^{2}}{x-1}=\left [\ln \infty  \right ]=\infty}\\
{\displaystyle \lim_{x \to 1^{+}}\ln \frac{x^{2}}{x-1}=\infty}\\
{\displaystyle A=\lim_{x \to \infty}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x \to \infty}\frac{\ln \frac{x^{2}}{x-1}}{x}=\left [ \frac{\infty}{\infty} \right ]\stackrel{H}=\lim_{x \to \infty} \frac{\frac{1}{\frac{x^{2}}{x-1}}}{1}=\lim_{x \to \infty}\frac{x-1}{x^{2}}=0}\\
{\displaystyle B=\lim_{x \to \infty}\left [ f(x)-Ax \right ]=\lim_{x \to \infty} f(x)=\infty}
\end{array}\]
Istnieje tylko asymptota pionowa prawostronna \(x=1.\)
Monotoniczność i ekstrema
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f(x)=\ln \frac{x^{2}}{x-1}=0}\\
{\displaystyle f'(x)=\frac{1}{\frac{x^{2}}{x-1}}\cdot \frac{2x\cdot 1-x^{2}\cdot 1}{(x-1)^{2}}=}\\
{\displaystyle =\frac{\left ( x-1 \right )\left (2x-x^{2}  \right )}{x^{2}(x-1)^{2}}
=\frac{x\left ( x-1 \right )\left (2-x \right )}{x^{2}(x-1)^{2}}=}\\
{\displaystyle =\frac{2-x}{x(x-1)}}\\
{\displaystyle \frac{2-x}{x(x-1)} \gt 0}\\
x(x-1)(2-x)\gt 0\\
x=0 \ \vee \ x=1 \ \vee \ x=2
\end{array}\]
_rysunek_7.4.1.1

\[x=2\\
{\displaystyle f(2)=\ln \frac{2^{2}}{2-1}=\ln 4}\]
Zatem
  • dla \(x\in \left ( 1;2 \right )\) funkcja jest malejąca,
  • dla \(x\in \left (2;\infty  \right )\) funkcja jest rosnąca,
  •  w punkcie \((2,\ln 4)\) funkcja ma minimum.
Wklęsłość, wypukłość, punkty przegięcia
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f(x)=\ln \frac{x^{2}}{x-1}}\\
{\displaystyle f''(x)=\frac{-1(x^{2}-x)-(2-x)(2x-1)}{(x^{2}-x)^{2}}=
\frac{-x^{2}+x-4x+2+2x^{2}-x}{(x^{2}-x)^{2}}=
\frac{x^{2}-4x+2}{(x^{2}-x)^{2}}}\\
{\displaystyle \frac{x^{2}-4x+2}{(x^{2}-x)^{2}}\gt 0}\\
{\displaystyle \left ( x^{2}-4x+2 \right )(x^{2}-x)^{2}\gt 0} \\
{\displaystyle \left ( x^{2}-4x+2 \right )\left [x(x-1)  \right ]^{2}\gt 0}\\
{\displaystyle \left ( x^{2}-4x+2 \right )x^{2}(x-1)^{2}\gt 0}\\
\Delta =16-4\cdot 1\cdot 2=8\\
\sqrt{\Delta }=2\sqrt{2}\\
{\displaystyle x_{1}=\frac{4-2\sqrt{2}}{2}=2-\sqrt{2}}\\
{\displaystyle x_{2}=\frac{4+2\sqrt{2}}{2}=2+\sqrt{2}}\\
x^{2}(x-1)^{2}(x-2+\sqrt{2})(x+2-\sqrt{2})\gt 0\\
x=0 - \textrm{p.2-krotny}\  \ \vee \ \ x=1 - \textrm{p.2-krotny}\ \ \vee \ \ x=2+\sqrt{2} \ \ \vee \ \ x= 2-\sqrt{2}
\end{array}\]
_rysunek_7.4.1.3

Liczymy wartość funkcji \(f\) w punkcie \(x=2+\sqrt{2}.\)
\({\displaystyle f(2+\sqrt{2})=\ln \frac{(2+\sqrt{2})^{2}}{2+\sqrt{2}-1}=\ln \frac{(2+\sqrt{2})^{2}}{1+\sqrt{2}} \approx 1.57}.\)
Zatem
  • dla \(x\in \left ( 1;2+\sqrt{2} \right )\) funkcja jest wklęsła,
  • dla \(x\in \left ( 2+\sqrt{2};\infty \right )\) funkcja jest wypukła,
  • w punkcie \({\displaystyle \left (2+\sqrt{2},\ln \frac{(2+\sqrt{2})^{2}}{1+\sqrt{2}}   \right )}\) funkcja ma punkt przegięcia.
Jak stworzyć tabelę?
Pierwszy wiersz, to cała dziedzina funkcji podzielona ze względu na ekstrema i punkty przegięcia. Zatem w zbiorze będącym dziedziną zaznaczamy argumenty, dla których funkcji ma ekstremum lub punkt przegięcia, i dzielimy go na przedziały liczbowe, wyróżniając konkretne argumenty.



_tabela_7.4.1.1
Wykres funkcji \(f\)

 Funkcja 2

\({\displaystyle f(x)=\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}}\)

 Rozwiązanie

1.  W pierwszym kroku wyznaczamy dziedzinę funkcji \({\displaystyle f(x)=\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}}.\)
Musimy założyć, że \(x\geq 0 \ \wedge \ x^{2}+4\neq 0.\) Ponieważ \( x^{2}+4\neq 0\) dla każdego \(x\) rzeczywistego, zatem pozostaje założenie \(x\geq 0.\) Aby funkcja \(f\) była różniczkowalna na dziedzinie musimy wykluczyć jeszcze \(x=0,\) gdyż w tym punkcie nie istnieje pochodna naszej funkcji.
Zatem dziedziną jest zbiór liczb dodatnich \(D_{f}=\mathbb{R}_{+}.\)


2. W kolejnym etapie, wyznaczamy własności funkcji i punkty przecięcia się wykresu funkcji \(f\) z osiami układu współrzędnych.

Funkcja \({\displaystyle f(x)=\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}}\)  jest ciągła i różniczkowalna na swojej dziedzinie. Nie jest parzysta, nieparzysta ani okresowa.
Aby wyznaczyć miejsce zerowe należy rozwiązać równanie \( f(x)=0.\)
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle \frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}=0}\\
\sqrt{x}=0\\
x=0 \notin D_{f}
\end{array}\]
Zatem brak punktów przecięcia się wykresu funkcji \(f\) z osiami układu współrzędnych, w tym miejsc zerowych.

3. W kolejnym kroku wyznaczamy asymptoty funkcji \({\displaystyle f(x)=\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}}.\)
Liczymy granice funkcji na krańcach dziedziny, czyli dla \( x\to \infty\) oraz \( x \to 0^{+}.\)

\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle \lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}=\lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{\frac{1}{x^{3}}}}{1+\frac{4}{x^{2}}}=\lim_{x\to \infty}\frac{\cancelto{0}{\sqrt{\frac{1}{x^{3}}}}}{1+\cancelto{0}{\frac{4}{x^{2}}}}=0}\\
{\displaystyle \lim_{x\to 0^{+}}\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}=\frac{0}{4}=0}
\end{array}\]
Wyznaczamy współczynniki \(A\) i \(B\) asymptoty ukośnej funkcji \(f.\)
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle A=\lim_{x\to \infty}\frac{\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}}{x}=\lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{x}}{x^{3}+4x}=\lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{\frac{1}{x^{5}}}}{1+\frac{4}{x^{3}}}=0}\\
{\displaystyle B=\lim_{x\to \infty}\left [ f(x)-ax \right ]=\lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{x}}{x^{2}+4}=0}\\
y=Ax+B\\
y=0
\end{array}\]
Zatem prosta \(y=0\) jest asymptotą poziomą funkcji \(f.\)

4. W kolejnym kroku wyznaczamy pierwszą pochodną funkcji \(f\) oraz jej ekstrema.
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f'(x)=\frac{\frac{1}{2\sqrt{x}}\cdot \left ( x^{2}+4 \right )-\sqrt{x}\cdot 2x}{\left ( x^{2}+4 \right )^{2}}=\frac{\frac{ x^{2}+4}{2\sqrt{x}}-\frac{2\sqrt{x}\cdot \sqrt{x}\cdot 2x}{2\sqrt{x}}}{\left ( x^{2}+4 \right )^{2}}=\frac{x^{2}+4-4x^{2}}{2\sqrt{x}\left ( x^{2}+4 \right )^{2}}=\frac{-3x^{2}+4}{2\sqrt{x}\left ( x^{2}+4 \right )^{2}}}\\
-3x^{2}+4=0\\
4-3x^{2}=0\\
\left ( 2-\sqrt{3}x \right )\left ( 2+\sqrt{3}x \right )=0\\
{\displaystyle x=\frac{2\sqrt{3}}{3} \ \ \vee \ \ x=-\frac{2\sqrt{3}}{3}}
\end{array}\]
_rysunek_7.4.1.5

Zatem
  • funkcja jest rosnąca dla \({\displaystyle x \in \left ( 0; \frac{2\sqrt{3}}{3} \right )},\)
  • funkcja jest malejąca dla \({\displaystyle x \in \left (\frac{2\sqrt{3}}{3} ; \infty \right )},\)
  • ma maksimum dla \({\displaystyle x=\frac{2\sqrt{3}}{3}}.\)

5. Następnie wyznaczamy drugą pochodną funkcji \(f\) oraz punkty przegięcia.
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f''(x)=\frac{-6x\cdot 2\sqrt{x}(x^{2}+4)^{2}-(-3x^{2}+4)\left ( \frac{2}{2\sqrt{x}}(x^{2}+4)^{2}+2\sqrt{x}\cdot 2(x^{2}+4)\cdot 2x \right )}{\left [ 2\sqrt{x}(x^{2}+4)^{2} \right ]^{2}}=\frac{-12x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{2}-(-3x^{2}+4)\left ( \frac{(x^{2}+4)^{2}}{\sqrt{x}}+\frac{8x^{2}(x^{2}+4)}{\sqrt{x}} \right )}{4x(x^{2}+4)^{4}}=
\frac{\frac{-12x^{2}(x^{2}+4)^{2}}{\sqrt{x}}-(-3x^{2}+4)\left ( \frac{(x^{2}+4)^{2}}{\sqrt{x}}+\frac{8x^{2}(x^{2}+4)}{\sqrt{x}} \right )}{4x(x^{2}+4)^{4}}= \frac{-12x^{2}(x^{2}+4)^{2}-(-3x^{2}+4)\left ( (x^{2}+4)^{2}+8x^{2}(x^{2}+4)\right )}{4x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{4}}=\frac{(x^{2}+4)\left (-12x^{2}(x^{2}+4)-(-3x^{2}+4)(x^{2}+4+8x^{2}) \right )}{4x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{4}}=\frac{\cancel{(x^{2}+4)}\left (-12x^{4}-48x^{2}-(-3x^{2}+4)(9x^{2}+4) \right )}{4x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{\cancelto{3}{4}}}=\frac{\left (-12x^{4}-48x^{2}-(36x^{2}+16-27x^{4}-12x^{2}) \right )}{4x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{3}}=\frac{\left (-12x^{4}-48x^{2}-36x^{2}-16+27x^{4}+12x^{2}\right )}{4x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{3}}=\frac{15x^{4}-72x^{2}-16}{4x\sqrt{x}(x^{2}+4)^{3}}}
\end{array}\]
Porównujemy drugą pochodną do \(0\) i wyznaczamy punkty podejrzane o bycie punktami przegięcia.

\[ \begin{array}{l}
15x^{4}-72x^{2}-16=0\\
x^{2}=t, \ \ t \gt 0\\
15t^{2}-72t-16=0\\
\Delta _{t}=(-72)^{2}-4\cdot 15 \cdot (-16)=6144\\
\sqrt{\Delta _{t}}=\sqrt{6144}=32\sqrt{6}\\
{\displaystyle t_{1}=\frac{72-32\sqrt{6}}{30}=\frac{36-16\sqrt{6}}{15} \approx -0,2 \lt 0}\\
{\displaystyle t_{2}=\frac{72+32\sqrt{6}}{30}=\frac{36+16\sqrt{6}}{15} \approx 5,01 }\\
{\displaystyle x^{2}=\frac{36+16\sqrt{6}}{15}, \ \ x \gt 0}\\
{\displaystyle x=\sqrt{\frac{36+16\sqrt{6}}{15}} \approx 2,24}
\end{array}\]

Rysując wykres paraboli widzimy, że punkt \({\displaystyle  \left ( \sqrt{\frac{36+16\sqrt{6}}{15}}, f\left (\sqrt{\frac{36+16\sqrt{6}}{15}}  \right )  \right )\approx (2,24; 0,17)}\) jest punktem przegięcia funkcji \(f,\) gdyż w tym punkcie zmienia się znak drugiej pochodnej.

6. Wszystkie podane wyżej informacje zbieramy w tabeli i szkicujemy wykres.
_tabela_7.4.1.2

 Funkcja 3

\(f(x)=x^{2}e^{x}\)

 Rozwiązanie

Polecenie
Poniżej znajdziesz siedem zadań do rozwiązania w celu przeprowadzenia przebiegu zmienności funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) oraz dwie animacje - jedną w formie zadania kończącego przebieg i drugą jako podsumowanie - naszkicowanie wykresu.
W zadaniach 1-6 wybierz jedną prawidłową odpowiedź i sprawdź poprawność udzielonej odpowiedzi klikając przycisk "Sprawdź". W zadaniu 7 może być więcej niż jedna prawidłowa odpowiedź.

Zadanie 1

Dziedziną funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) jest zbiór:

OBLICZENIA
Dziedziną funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) jest zbiór wszystkich liczb rzeczywistych, natomiast zbiorem wartości zbiór liczb rzeczywistych dodatnich.

Zadanie 2

Punkty przecięcia się wykresu funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) z osiami układu współrzędnych to:

OBLICZENIA
\[ \begin{array}{l}
x=0 \ \ \Leftrightarrow  \ \ f(0)=0^{2}\cdot e^{0}=0\\
f(x)=0 \ \ \Leftrightarrow  \ \ x^{2}e^{x}=0 \ \ \Leftrightarrow  \ \ x^{2}=0 \ \vee  \ e^{x}=0 - \textrm{ sprzeczność } \ \ \Leftrightarrow  \ \ x=0
\end{array}\]
Punkt \((0,0)\) jest więc punktem przecięcia się wykresu funkcji \(f\) z osiami układu współrzędnych.

Zadanie 3

Granicą funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) przy \(x \to \infty\) jest:

OBLICZENIA
\[\lim_{x \to \infty}x^{2}e^{x}=\left [ \infty \cdot \infty  \right ] =\infty\]

Zadanie 4

Granicą funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) przy \(x \to -\infty\) jest:

OBLICZENIA
\[\lim_{x \to -\infty}x^{2}e^{x}=\left [ \infty \cdot 0 \right ]=\lim_{x \to -\infty} \frac{x^{2}}{e^{-x}}=\left [ \frac{\infty }{\infty } \right ] \stackrel{H} =\lim_{x \to -\infty}\frac{2x}{-e^{-x}}=\left [ \frac{\infty }{-\infty } \right ] \stackrel{H} =\lim_{x \to -\infty}\frac{2}{e^{-x}}=\left [ \frac{2}{\infty } \right ]=0\]

Zadanie 5

Asymptotą funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) jest prosta:

OBLICZENIA
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle A=\lim_{x \to \infty}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x \to \infty}xe^{x}=\infty}\\
{\displaystyle A=\lim_{x \to -\infty}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x \to -\infty}xe^{x}=\left [ -\infty \cdot 0 \right ]=
\lim_{x \to -\infty}\frac{x}{e^{-x}}=\left [ \frac{-\infty }{\infty } \right ] \stackrel{H} =\lim_{x \to -\infty}\frac{1}{-e^{-x}}=\left [ \frac{1}{-\infty } \right ]=0}\\
{\displaystyle B=\lim_{x \to -\infty}\left [ f(x)-Ax \right ]=\lim_{x \to -\infty}f(x)=0}
\end{array}\]
Zatem prosta \(y=0\) jest asymptotą poziomą lewostronną funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}.\)

Zadanie 6

Maksimum i minimum funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) to:

OBLICZENIA
\[ \begin{array}{l}
f'(x)=2xe^{x}+x^{2}e^{x}=xe^{x}(2+x)\\
xe^{x}(2+x)=0\\
x=0 \ \vee  \ e^{x}=0 \ \vee \ 2+x=0\\
x=0 \ \vee  \ \textrm{ sprzeczność } \ \vee \ x=-2
\end{array}\]
_rysunek_7.4.1.6

\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f_{\max}(-2)=(-2)^{2}e^{-2}=\frac{4}{e^{2}}\approx 0,54}\\
f_{\min}(0)=0
\end{array}\]

Zadanie 7

Punkty przegięcia wykresu funkcji \(f(x)=x^{2}e^{x}\) występują dla argumentów: (możesz wybrać więcej niż jedną odpowiedź)

OBLICZENIA
\[ \begin{array}{l}
f(x)=x^{2}e^{x}\\
f'(x)=xe^{x}(2+x)\\
f''(x)=(1\cdot e^{x}+x\cdot e^{x})(2+x)+xe^{x}\cdot 1=e^{x}\left [ \left ( 1+x \right )\left ( 2+x \right ) +x\right ]=e^{x}\left ( x^{2}+4x+2 \right )
\end{array}\]
\[ \begin{array}{l}
e^{x}\left ( x^{2}+4x+2 \right )=0\\
e^{x}=0 \ \ \ \ \vee  & x^{2}+4x+2=0\\
\underset{x\in \mathbb{R}}{\huge \forall } e^{x}\gt 0 \ \ \ \ \vee  & x^{2}+4x+2=0\\
& \Delta=16-8=8\\
& \sqrt{\Delta }=2\sqrt{2}\\
& {\displaystyle x_{1}=\frac{-4-2\sqrt{2}}{2}=-2-\sqrt{2}}\\
& {\displaystyle x_{2}=\frac{-4+2\sqrt{2}}{2}=-2+\sqrt{2}}
\end{array}\]
Ponieważ oba argumenty należą do dziedziny oraz w każdym z nich druga pochodna zmienia znak na przeciwny, zatem są to argumenty dwóch punktów przegięcia funkcji \(f.\)
Aby zaznaczyć je na wykresie należy wyznaczyć wartość funkcji dla tych argumentów (podać w przybliżeniu).
\[ \begin{array}{l}
f(x_{1})=f(-2-\sqrt{2})=(-2-\sqrt{2})^{2}e^{-2-\sqrt{2}}\approx 0,38 \\
f(x_{2})=f(-2+\sqrt{2})=(-2+\sqrt{2})^{2}e^{-2+\sqrt{2}}\approx 0,19
\end{array}\]

Zadanie 8

Uwaga
Uzupełnij tabelę wybranymi elementami rozwijając menu w każdym polu. Sprawdź poprawność wybranych odpowiedzi przyciskiem "Sprawdź". Jeśli chcesz poprawić źle wypełnione pola kliknij przycisk "Edytuj". Jeśli chcesz rozpocząć wypełnianie od nowa możesz usunąć wypełnienie pól klikając przycisk "Wyczyść".

Wykres funkcji

Aby uruchomić animację i naszkicować wykres funkcji kliknij przycisk "Play"

 Polecenie

Zbadaj przebieg zmienności podanych funkcji oraz narysuj ich wykresy.

 Funkcja 1

\({\displaystyle f(x)=\frac{3x+2}{x-1}}\)

 Odpowiedź - wykres funkcji

_tabela_7.4.1.3
_rysunek_7.4.1.7

 Rozwiązanie - przebieg zmienności funkcji

1. Dziedzina funkcji.
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f(x)=\frac{3x+2}{x-1}}\\
x-1\neq 0\\
x\neq 1
\end{array}\]
Zatem
\[D=\mathbb{R}\setminus \left \{ 1 \right \}.\]
2. Punkty przecięcia się wykresu funkcji z osiami układu współrzędnych.
\[ \begin{array}{l}
x=0 \ \ \Rightarrow  \ \ {\displaystyle f(0)=\frac{0+2}{0-1}=-2}\\
f(x)=0 \ \ \Rightarrow \ \ {\displaystyle \frac{3x+2}{x-1}=0} \ \ \Rightarrow \ \ 3x+2=0 \ \ \Rightarrow  \ \ {\displaystyle x=-\frac{2}{3}}
\end{array}\]
Zatem:
  • \(\left (0,-2  \right )\) - punkt przecięcia z osią  \(OY.\)
  • \({\displaystyle \left ( -\frac{2}{3},0 \right )}\) - punkt przecięcia z osią \(OX\) - miejsce zerowe.
3. Granice funkcji. Asymptoty.
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle \lim_{x \to \pm \infty}\frac{3x+2}{x-1}=\lim_{x \to \pm\infty}\frac{3+\frac{2}{x}}{1-\frac{1}{x}}=
\lim_{x \to \pm \infty}\frac{3+\cancelto{0}{\frac{2}{x}}}{1-\cancelto{0}{\frac{1}{x}}}=3}\\
\end{array}\]
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle \lim_{x \to 1^{+}}\frac{3x+2}{x-1}=\left [ \frac{+}{+} \right ]=\infty}\\
{\displaystyle \lim_{x \to 1^{-}}\frac{3x+2}{x-1}=\left [ \frac{+}{-} \right ]=-\infty}
\end{array}\]
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle A=\lim_{x \to \pm \infty}\frac{\frac{3x+2}{x-1}}{x}=\lim_{x \to \pm \infty}\frac{\frac{3}{x}+\frac{2}{x^{2}}}{1-\frac{1}{x}}=\lim_{x \to \pm \infty}\frac{\cancelto{0}{\frac{3}{x}}+\cancelto{0}{\frac{2}{x^{2}}}}{1-\cancelto{0}{\frac{1}{x}}}=\frac{0}{1}=0}\\
{\displaystyle B=\lim_{x \to \pm \infty}\frac{3x+2}{x-1}=3}\\
y=0x+3\\
y=3
\end{array}\]
Zatem prosta \(y=3\) jest asymptotą poziomą obustronną.

4. Pochodna funkcji. Monotoniczność i ekstrema.
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f(x)=\frac{3x+2}{x-1}}\\
{\displaystyle f'(x)=\frac{3\cdot (x-1)-(3x+2)\cdot 1}{\left (x-1  \right )^{2}}=\frac{3x-3-3x-2}{\left (x-1  \right )^{2}}=\frac{-5}{\left (x-1  \right )^{2}}\lt 0}
\end{array}\]
Zatem na obu przedziałach \(\left ( -\infty;1 \right )\) oraz \(\left ( 1;\infty \right )\) funkcja jest malejąca. Nie posiada ekstremum.

5. Druga pochodna funkcji. Wklęsłość, wypukłość i punkty przegięcia.
\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle f''(x)=-5 \cdot \left (-\frac{1}{\left (x-1  \right )^{4}}\cdot 2(x-1)  \right )=\frac{10(x-1)}{(x-1)^{4}}}\\
10(x-1)=0\\
x=1
\end{array}\]
Ponieważ \(x=1\) nie należy do dziedziny funkcji \(f,\) zatem nie jest to punkt przegięcia. W jedynce natomiast druga pochodna funkcji zmienia znak z ujemnego na dodatni.
Zatem:
  • w przedziale \(\left ( -\infty;1 \right )\) funkcja jest wklęsła,
  • w przedziale \(\left ( 1;\infty \right )\) funkcja jest wypukła.

 Funkcja 2

\(f(x)=x\textrm{ arctg} x\)

 Odpowiedź

_tabela_7.4.1.4
_rysunek_7.4.1.8

 Rozwiązanie

\[ \begin{array}{l}
f(x)=x\textrm{ arctg } x\\
1. \ \  D=\mathbb{R}\\
2. \ \ f(-x)=-x\cdot \textrm{ arctg}(-x)=-x \cdot (-\textrm{ arctg} x)=x\textrm{ arctg} x=f(x) - \textrm{ funkcja parzysta }
\\
3. \ \  x=0 \ \ \Rightarrow \ \ f(0)=0\cdot \textrm{ arctg } 0=0\\
f(x)=0 \ \ \Rightarrow \ \ x\textrm{ arctg } x=0 \ \ \Rightarrow \ \ x=0 \ \ \vee \ \  \textrm{ arctg } x=0 \ \ \Leftrightarrow \ \ x=0\\
(0,0) - \textrm{ punkt przecięcia z osiami układu współrzędnych}\\
\\
{\displaystyle 4. \ \ \lim_{x \to \infty}x\textrm{ arctg } x=\left [ \infty \cdot \frac{\pi}{2} \right ]=\infty}
\\
{\displaystyle \lim_{x \to -\infty}x\textrm{ arctg } x=\left [ -\infty \cdot \left (-\frac{\pi}{2}  \right ) \right ]=\infty}
\\
{\displaystyle A= \lim_{x \to \infty}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x \to \infty} \textrm{ arctg } x=\frac{\pi}{2}}\\
{\displaystyle B=\lim_{x \to \infty}\left [ f(x)- \frac{\pi}{2} x\right ]=\lim_{x \to \infty}\left [ x\textrm{ arctg } x - \frac{\pi}{2} x\right ]=\lim_{x \to \infty}\left [ x\left (\textrm{ arctg } x - \frac{\pi}{2}   \right )\right ]=\left [ \infty \cdot 0 \right ]= \lim_{x \to \infty} \frac{\textrm{ arctg } x - \frac{\pi}{2} }{\frac{1}{x}}=\left [ \frac{0}{0} \right ] \stackrel{H}=}\\
{\displaystyle =\lim_{x \to \infty} \frac{ \frac{1}{1+x^{2}} }{-\frac{1}{x^{2}}}=\lim_{x \to \infty}\frac{-x^{2}}{1+x^{2}}=\lim_{x \to \infty}\frac{-1}{\frac{1}{x^{2}}+1}=\lim_{x \to \infty}\frac{-1}{\cancelto{0}{\frac{1}{x^{2}}}+1}=-1}\\
{\displaystyle y=\frac{\pi}{2}x-1 - \textrm{asymptota ukośna prawostronna}}\\
\\
{\displaystyle A= \lim_{x \to -\infty}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x \to -\infty} \textrm{ arctg } x=-\frac{\pi}{2}}\\
{\displaystyle B=\lim_{x \to -\infty}\left [ f(x)+ \frac{\pi}{2} x\right ]=\lim_{x \to -\infty}\left [ x\textrm{ arctg } x + \frac{\pi}{2} x\right ]=\lim_{x \to -\infty}\left [ x\left (\textrm{ arctg } x + \frac{\pi}{2}   \right )\right ]=\left [ -\infty \cdot 0 \right ]= \lim_{x \to -\infty} \frac{\textrm{ arctg } x + \frac{\pi}{2} }{\frac{1}{x}}=\left [ \frac{0}{0} \right ] \stackrel{H}=}\\
{\displaystyle =\lim_{x \to -\infty} \frac{ \frac{1}{1+x^{2}} }{-\frac{1}{x^{2}}}=\lim_{x \to -\infty}\frac{-x^{2}}{1+x^{2}}=\lim_{x \to -\infty}\frac{-1}{\frac{1}{x^{2}}+1}=\lim_{x \to -\infty}\frac{-1}{\cancelto{0}{\frac{1}{x^{2}}}+1}=-1}\\
{\displaystyle y=-\frac{\pi}{2}x-1 - \textrm{asymptota ukośna lewostronna}}\\
{\displaystyle 5. \ \ f'(x)=1\cdot \textrm { arctg }x+x\cdot \frac{1}{1+x^{2}}=\textrm { arctg }x+\frac{x}{1+x^{2}}}\\
\\
{\displaystyle \textrm { arctg }x+\frac{x}{1+x^{2}}=0 }\\
{\displaystyle \textrm { arctg }x=-\frac{x}{1+x^{2}}  \ \ \Leftrightarrow \ \ x=0 \ - \textrm{ minimum funkcji }f}
\end{array}\]
_rysunek_7.4.1.9


\[ \begin{array}{l}
{\displaystyle \textrm { arctg }x \gt -\frac{x}{1+x^{2}} \ \ \Leftrightarrow \ \ x \in \left ( 0; \infty \right ) \ - \textrm{ funkcja rosnąca }}\\
{\displaystyle \textrm { arctg }x\lt -\frac{x}{1+x^{2}}\ \ \Leftrightarrow \ \ x \in \left ( -\infty;0 \right ) \ - \textrm{ funkcja malejąca }}\\
\\
{\displaystyle 6. \ \ f''(x)=\frac{1}{1+x^{2}}+\frac{1(1+x^{2})-x\cdot 2x}{(1+x^{2})^{2}}=\frac{1}{1+x^{2}}+\frac{1+x^{2}-2x^{2}}{(1+x^{2})^{2}}=\frac{1+x^{2}+1-x^{2}}{(1+x^{2})^{2}}=\frac{2}{(1+x^{2})^{2}} \gt 0 \ - \textrm{ funkcja wypukła na całej dziedzinie}}
\end{array}\]