Выпуклые и вогнутые функции.

Пусть функция дифференцируема на интервале (a;b). Тогда на этом интервале в каждой точке графика функции существует касательная, причем не параллельная оси OY.

Определение: Функция называется выпуклой, если ее график лежит над любой касательной, проведенной к этому графику.

Определение: Функция называется вогнутой, если ее график лежит под любой касательной, проведенной к этому графику.

На разных участках промежутка функция может быть выпуклой или вогнутой.

Признак выпуклости.

Пусть функция имеет на интервале (a;b) непрерывную производную второго порядка. Если , то функция выпукла на промежутке (a;b). Если , то функция вогнута на промежутке (a;b).

Доказательство:

Пусть для определенности на (a;b) .

Возьмем точку x₀(a;b) и составим уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой x₀:

(1)

Разложим функцию в окрестности точки x₀ по формуле Тейлора, причем возьмем два члена разложения и остаточный член:

, (2)

В ычтем (2) - (1):

.

на (a;b) .

График функции проходит над касательной.

Тогда по определению: функция выпукла.

Вогнутость доказывается аналогично.

Ч.т.д.

Замечание: Условие ( ) является не только достаточным, но и необходимым для выпуклых (вогнутых) функций.

Определение: Точка, отделяющая промежуток выпуклости функции от промежутка ее вогнутости, называется точкой перегиба.

Необходимые условия существования точки перегиба функции.

Пусть функция в точке x₀ имеет точку перегиба. Если в этой точке существует производная второго порядка, то она обращается в ноль или не существует.

Точки перегиба следует искать среди точек, вторая производная которых равна нулю (y=0) или не существует. Такие точки называются критическими точками второго рода.

Достаточное условие точки перегиба функции.

Пусть непрерывна в окрестности точки , за исключением, может быть, самой точки . Если «при переходе» через меняет знак, то точка — точка перегиба.

Доказательство:

Пусть «при переходе» через точку меняет знак с «+» на «-».

Тогда слева от точки — функция выпукла, а справа — вогнута. Тогда по определению: точка — точка перегиба.

Ч.т.д.

П ример: Исследовать функцию на перегиб. .

D(y)=R.

; .

Критические точки второго рода:

: ;

не существует: точек нет.

При переходе через точки вторая производная меняет знак.

Þ — точки перегиба.

Асимптоты графика функции.

Определение: Прямая l называется асимптотой графика функции , если расстояние от точки М на графике до прямой l стремится к нулю при удалении точки М по графику функции от начала координат.

Асимптоты бывают вертикальные, горизонтальные, наклонные.

Вертикальной асимптотой называется прямая x=a, если .

Находят вертикальную асимптоту по точкам разрыва второго рода (бесконечный разрыв).

Наклонной асимптотой называется асимптота, уравнение которой имеет вид: .

Оказывается, что если является асимптотой, то и в уравнении определяются следующим образом , .

Доказательство:

По определению асимптоты: если ОМ , то |MN| 0.

_Þ |MQ|→0 при x→±∞, т.к. .

По чертежу: .

Перейдем к пределу при x→±∞:

(*)

Þ .

.

Из (*) Þ .

Ч.т.д.

Замечание 1: Чтобы у кривой были наклонные асимптоты, нужно, чтобы соответствующие пределы в определении k и b были конечными, причем предел при x→+∞ и предел при x→-∞ нужно вычислять отдельно.

Замечание 2: Если k=0, то y=b. Наклонная асимптота в этом случае называется горизонтальной.

Замечание 3: Кривая никогда не пересекает вертикальную асимптоту, а горизонтальные и наклонные асимптоты кривая может пересекать и даже бесконечное число раз.

Пример: Найти асимптоты графика функции .

D(y): x3.

 x=3 – точка разрыва.

— вертикальная асимптота.

= ;

= = = =3  .

Þ — наклонная асимптота.

Схема полного исследования функции.

1. Определить естественную область D(y) определения функции.

2. Исследовать на четность и нечетность.

3. Найти точки пересечения графика функции с осями координат.

4. Найти асимптоты.

5. Найти интервалы возрастания и убывания функции, точки экстремума.

6. Найти интервалы выпуклости графика, точки перегиба.

7. Построить график функции.

Пример:

Провести полное исследование и построить график функции .

1. Область определения функции D(y): x1.

2. Т.к. область определения не симметрична относительно начала координат, то функция не является ни четной, ни нечетной.

3. Точки пересечения с 0x: y=0 Þ  x=0  точка (0, 0) – точка пересечения с осями.

4. x=1 – точка разрыва.

Вертикальная асимптота:

— вертикальная асимптота.

Наклонная асимптота: .

= ;

= = =1  .

— наклонная асимптота.

5. = = .

Критические точки: , т.е. числитель равен нулю  , ;

– не существует, т.е. знаменатель равен нулю  .

x	(-∞;0)	x=0	(0;1)	x=1	(1;2)	x=2	(2;+∞)
	+	0	−	не существует	−	0	+
	возрастает	max y(0)=0	убывает	не существует	убывает	min y(2)=4	возрастает

6.

.

Критические точки второго рода:

, т.е. числитель равен нулю  точек нет;

– не существует, т.е. знаменатель равен нулю   точек перегиба нет, т.к. x=1D(y).

x	(-∞;1)	x=1	(1;+∞)
	−	не существует	+
	вогнута	не существует	выпукла

7. График функции: