Базовые понятия и конструкции элементарной и высшей математики
.pdf
ax2 bx c 0 |
при x x или |
x x ; |
ax2 bx c 0 при |
|
x x x ; |
|||||||||
|
|
1 |
|
2 |
|
b |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
если D 0, то |
ax2 bx c 0 для всех x |
; |
|
если |
D 0, |
то |
||||||||
2a |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ax2 bx c 0 |
для |
всех |
x R. |
Если a 0 |
|
|
и |
|
D 0, |
то |
||||
ax2 bx c 0 |
при |
x x x ; |
ax2 bx c 0 |
|
при |
|
x x |
или |
||||||
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
b |
|
|
1 |
|
|
x x ; если D 0, то ax2 bx c 0 |
для всех x |
; |
если D 0, |
|||||||||||
|
||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
то ax2 bx c 0 |
для всех x R (рис. 3.13–3.16). При x 0 |
y c. |
|
y |
|
|
y ax2 |
|
|
|
|
|
|
O |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.13. Парабола y = ax2, a > 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a > 0 |
|
|
|
|
|
|
a > 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
D > 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D = 0 |
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
||
|
2a |
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
x |
x |
|
x |
|
O |
|
|
b |
||||
|
1 |
c |
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2a |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.14. Парабола y = ax2 + bx + c, a > 0: |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
а – D 0; б – D 0 |
|
|
|
|
|
|
|
90
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
a > 0 |
a < 0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
D |
> 0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
D < 0 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 |
|
|
b O x2 |
|
|
||
|
|
b O |
x |
|
|
|
x |
||||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
|
|
|
||
2a |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.15. Парабола y = ax2 + bx + c: |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
а – a 0, D 0; б – a 0, D 0 |
|
|
|
|||||
|
|
y |
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
||
|
|
b |
|
a < 0 |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
D = 0 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
2a |
2a |
|
|
|
x |
|||||||
|
|
x |
|
O |
|
||||||||
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
c |
a < 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D < 0 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 3.16. Парабола y = ax2 + bx + c:
а – a 0, D 0; б – a 0, D 0
График квадратичной функции называется параболой. Если a 0 (a 0), то ветви параболы направлены вверх (вниз). Осью симмет-
рии параболы служит прямая x 2ba . Точка графика функции
91
с абсциссой |
x |
b |
и ординатой |
y |
4ac b2 |
называется |
|
|
|||||
|
0 |
2a |
|
0 |
4a |
|
|
|
|
|
|
вершиной параболы. Если b 0, c 0, вершина параболы y ax2 находится в начале координат (см. рис. 3.13). Графики функции y ax2 bx c изображены на рис. 3.14–3.16.
Функция y kx . Обратно пропорциональная зависимость.
Дробно-линейная функция
Функция y kx выражает обратно пропорциональную зависи-
мость переменной y от переменной x. Здесь k – действительное число, отличное от нуля, которое называют коэффициентом обратной пропорциональности.
Область определения данной функции D y R \ 0 , а область изменения E y R \ 0 . Эта функция нечетная и ее график симмет-
ричен относительно начала координат. При k 0 |
y 0 |
при |
x 0 |
|
и y 0 при x 0. При k 0 |
y 0 при x 0 и |
y 0 |
при |
x 0. |
При k 0 данная функция монотонно убывает в , 0 |
и 0, , |
|||
а при k 0 монотонно возрастает в тех же промежутках. Функцию y kx можно рассматривать как частный случай степенной функции
y x при 1. Графикфункцииназывается гиперболой(рис. 3.17). Оси координат OX и OY являются соответственно горизон-
тальной и вертикальной асимптотами графика функции y kx .
Дробно-линейной функцией называется функция y f (x) вида
y cxax db ,
где a, b, c, d – некоторые действительные числа, c 0 и ad bc.
92
|
y |
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
y |
k |
, k 0 |
|
y |
k |
, k 0 |
|
|
|
||||||
|
|
|||||||
|
|
x |
|
|
||||
|
|
|
x |
|||||
O |
x |
O |
x |
|||||
|
Рис. 3.17. Гипербола y |
k |
: |
|
|
||
|
|
x |
|
|
а – k 0; б – k 0 |
||
При c 0 |
эта функция становится линейной, а при ad bc |
||
y const. |
|
|
|
Для исследования свойств и построения графика дробно-линей- ной функции удобно представить ее в виде
|
|
|
|
|
|
y ax b |
n |
k |
, |
|
|
|
|
|
|
x m |
|||
|
|
|
|
|
|
cx d |
|
|
|
где |
n a |
, |
k |
bc ad |
, |
m d . |
|
|
|
c2 |
|
|
|
||||||
|
c |
|
|
|
c |
|
|
|
Тогда график функции можно получить из графика функции y 1x с помощью геометрических преобразований (параллельных переносов и сжатий (растяжений) вдоль координатных осей).
Дробно-линейная функция |
y ax b |
определена всюду, кро- |
||
|
x d |
|
cx d |
|
ме точки |
, и принимает |
значения в области |
||
|
c |
|
|
|
93
|
, |
a |
a |
|
. При a 0 |
и d 0 она является функцией |
E y |
|
|
, |
|||
|
|
c |
c |
|
|
|
общего вида, а при a 0 и d 0 – нечетной функцией. Свойства данной функции следуют из свойств функции y kx согласно приведенным выше преобразованиям функции и ее графика. Прямые y ac и x dc являются горизонтальной и вертикальной асимптотами графика этой функции.
Степенная функция
Степенной функцией называется функция y x , где – любое действительное число. Если – число рациональное, то функция y x называется алгебраической, если же – иррациональное, то
функция y x называется трансцендентной.
|
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся ситуации. |
||||
|
Пусть 2n, n N, y x2n, |
тогда D y R; E y 0, ; y 0 |
|||
при x 0. Функция y x2n – |
четная; она на промежутке , 0 |
||||
убывает, а на промежутке 0, |
возрастает. График – парабола |
||||
порядка 2n (рис. 3.18, а). При n 1 |
имеем y x2 – квадратичную |
||||
функцию. |
|
|
|
||
|
Пусть 2n 1, |
n N, т. е. |
y x2n 1. Тогда D y R; E y R |
||
и |
y 0 |
при x 0. |
Функция y x2n 1 – нечетная, возрастает на R |
||
от |
|
до . График этой функции – парабола порядка 2n 1 |
|||
(рис. 3.18, б). |
|
|
|
||
Отметим, что при 0 и 1 функция y x совпадает с частными случаями y 1 и y x линейной функции.
94
y |
|
y y x2n 1, |
|
y x2n , |
n N |
n N |
|
O |
|
x |
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|||||
|
а |
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.18. Графики функций: |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
а – y = x2n; б – y = x2n+1 |
|
|
|
|
|
|||||
Пусть |
2n, |
n N, |
y |
1 |
. |
Тогда |
D y R \ 0 , |
||||||
|
|||||||||||||
E y 0, . |
|
|
|
x2n |
|
|
|
|
|
|
|||
Данная функция – |
знакоположительная, |
четная, |
|||||||||||
возрастает |
на |
промежутке |
,0 |
и |
убывает на промежутке |
||||||||
0, . Ось OX является горизонтальной, а ось OY – вертикаль- |
|||||||||||||
ной асимптотой для этой функции. График функции |
y |
1 |
имеет |
||||||||||
x2n |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
вид, приведенный на рис. 3.19, а.
Пусть 2n 1, |
n N, |
y |
1 |
. |
Тогда D y R \ 0 , |
|
x2n 1 |
||||||
|
|
|
|
|
E y R \ 0 . При x 0 эта функция принимает отрицательные значения, а при x 0 – положительные. Функция – нечетная, убывает на промежутках , 0 и 0, . Координатные оси OX и OY яв-
ляются соответственно горизонтальной и вертикальной асимптотами графиков функции (определение и смысл понятия асимптоты
изложены, например, в [4, 8, 18, 20]). График функции y x21n 1
95
имеет вид, приведенный на рис. 3.19, |
б. Частный случай |
y |
1 |
, |
соответствующий значению n 1, рассмотрен выше. |
|
x |
|
|
|
|
|
||
y |
y |
|
|
|
O |
x |
O |
x |
а |
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|||
Рис. 3.19. Графики функций: |
|
|
|
|
|
|||||||
а – y |
1 |
, n N; |
б – y |
|
1 |
, n N |
|
|
|
|
||
|
x2n 1 |
|
|
|
|
|||||||
|
x2n |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Пусть r – рациональное |
число. |
Если |
r |
1 |
, |
где |
n N, |
|||||
2n |
||||||||||||
то y 2n x. Тогда D y 0, , |
E y 0, |
|
|
|
|
|||||||
и |
y 0 |
при |
x 0. |
|||||||||
Функция возрастает при всех x 0. График функции y 2n x полу-
чается как график обратной функции с помощью симметричного отображения относительно прямой y x правой ветви графика
функции y x2n |
(рис. 3.20, а). Если r |
1 |
|
|
, n N, то |
y 2n 1 x. |
2n 1 |
||||||
Тогда D y R, |
E y R, y 0 при x 0, |
y 0 при x 0 и y 0 |
||||
при x 0. Такая функция – нечетная, возрастает при всех |
x R. Гра- |
|||||
фик функции y 2n 1 x получается как график обратной функции,
симметричный графику функции y x2n 1 относительно биссектрисы y x первого и третьего координатных углов (рис. 3.20, б).
96
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y 2n x, n N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y 2n 1 x, n N |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
O |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
x |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.20. Графики функций: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
а – y 2n x; б – y 2n 1 x |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Пусть r |
|
p |
, где |
p и q – натуральные и взаимно простые чис- |
|||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ла. График функции |
y q x p |
зависит от чисел |
|
p и q. Если p – |
|||||||||||||||||||||
четное, q – нечетное, то функция y q x p |
определена на R, |
|
явля- |
||||||||||||||||||||||
ется неотрицательной и y 0 |
|
при x 0. |
При |
x 0 она убывает, |
|||||||||||||||||||||
а при x 0 |
– возрастает. График функции имеет вид, изображен- |
||||||||||||||||||||||||
ный на рис. 3.21. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
y |
|
|
|
p |
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
y x |
q |
, 0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
p |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y x |
q |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|||
O |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
x |
|||||
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Рис. 3.21. Графики функций y x q , |
p – четное, |
q – нечетное: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
а – 0 |
|
p |
1; б – |
|
p |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
97
Если p и q |
– нечетные числа, то функция |
y q x p |
определена |
|||||||||||||||||||||||||
при x R, |
E y R; |
y 0 |
при x 0, |
y 0 |
при |
x 0, |
y 0 при |
|||||||||||||||||||||
x 0. Функция y – нечетная, возрастающая при всех x. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
График функции имеет вид, приведенный на рис. 3.22. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
y |
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
p |
|
p |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
y x q , |
1 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
y x |
q |
, 0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
x |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Рис. 3.22. Графики функций y x q , |
p и q – нечетные: |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
а – 0 |
p |
1; б – |
p |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Если |
p – нечетное |
число, |
|
q – четное, |
|
то |
|
|
|
функция |
||||||||||||||||||
|
p |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
y x |
|
x p q |
q x p |
определена на промежутке 0, |
|
|
||||||||||||||||||||||
q |
и y 0 |
|||||||||||||||||||||||||||
при x 0. |
Функция y |
возрастает при |
x 0 |
от 0 |
до |
. |
|
График |
||||||||||||||||||||
функции имеет вид, приведенный на рис. 3.23. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
p |
3 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
В частности, при |
имеем |
y x2 (или y2 |
x3 ) – ветвь по- |
|||||||||||||||||||||||||
q |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
лукубической параболы.
98
y |
|
|
y |
|
p |
p |
|
|||
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
||
p |
|
|
y x q , |
1 |
||||||
y x |
q |
, 0 |
1 |
|
|
|||||
|
q |
|||||||||
q |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
O |
x |
||||
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Рис. 3.23. Графики функций y x q , |
p – нечетное, q – четное: |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
а – 0 |
p |
|
1; б – |
|
p |
1 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
q |
|
q |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Пусть r |
p |
, где |
p |
|
и |
q |
– натуральные и взаимно простые |
|||||||||||||
q |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
числа. Тогда y x |
p |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
q |
|
|
|
|
. Если |
p – четное, q |
– нечетное, |
|||||||||||||
|
p |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
q x p |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
x q |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
то D y , 0 0, . При этом функция y – четная, знако-
положительная, возрастающая при x 0 и убывающая при x 0. Координатные оси являются горизонтальной и вертикальной асимптотами графикаданнойфункции. Графикизображеннарис. 3.24, а.
Если p и q – нечетные |
числа, то |
D y , 0 0, , |
E y , 0 0, , y 0 |
при x 0, |
y 0 при x 0. Функция |
y – нечетная, убывающая на промежутках x , 0 и x 0, .
Оси координат являются асимптотамиграфикафункций (рис. 3.24, б). Если p – нечетное, q – четное, то D y 0, , E y 0, .
Функция убывающая, а координатные оси являются асимптотами ее графика (рис. 3.24, в).
99
