18. Рівносильні рівняння. Сформулювати та довести теорему 1 про рівносильні рівняння.

Два рівняння такого виду (1)f1(x)=f2(x) і F1(x)=F2(x)(2) називаються рівносильними на заданій множині, якщо множини їх розв’язків співпадають. Якщо кожен розв’язок рівняння 1 є розв’язком рівняння 2. Якщо множина розв’язків 1-го рівняння є підмножиною множини розв’язків 2-го рівняння, то рівняння 2 називається рівнянням наслідку для рівняння 1.

Два рівняння називаються рівносильними на множині R тоді і тільки тоді, коли кожне із них є рівнянням наслідку для другого.

Теорема 1. Якщо до обох частин рівняння

f 1(x) = f 2(x), хЄХ (1)

додати вираз F(x), яке має значення при всіх х із Х, то отримаємо нове рівняння

f 1(x) + F(x) = f 2 (x) + F(x), хЄХ, (2)

яке є наслідком даного.

Доведення. Насправді, нехай а – корінь рівняння (1), тобто нехай f 1(а) = f 2(a). Додамо до обох частин рівняння одне й те ж саме число F(a), отримаємо істинну рівність f1(a) + F(a) = f2(a) + F(a). Воно показує, що а являється і коренем рівняння (2). Отже, кожен корінь рівняння (1) являється коренем і рівняння (2), тобто рівняння (2) – наслідок рівняння (1).

Наприклад, рівняння 76-62=2х являється наслідком рівняння 76-2х=62, воно виходить із нього додаванням до обох частин одного і того ж виразу 2х-62.

Рівняння f1(x)=f2(x), в свою чергу, отримується із рівняння

f 1(x) + F(x) = f 2 (x) + F(x) додаванням до обох частин одного і того ж виразу F(x). Тому не тільки рівняння (2) – наслідок рівняння (1), але і (1) – наслідок рівняння (2), і, значить, ці рівняння рівносильні.

37 питання: Общая схема исследования функции и построения её графика

После того как мы обсудили многие аспекты поведения функции и способы их исследования, сформулируем общую схему исследования функции. Эта схема даст нам практический способ построения графика функции, отражающего основные черты её поведения.

Пусть дана функция $ f(x)$. Для её исследования нужно:

1). Найти её область определения $ \mathcal{D}(f)$. Если это не слишком сложно, то полезно найти также область значений $ \mathcal{E}(f)$. (Однако, во многих случаях, вопрос нахождения $ \mathcal{E}(f)$ откладывается до нахождения экстремумов функции.)

2). Выяснить общие свойства функции, которые помогут в определении её поведения: не является ли функция чётной либо нечётной (быть может, после сдвига влево или вправо по оси $ Ox$), не является ли она периодической.

3). Выяснить, как ведёт себя функция при приближении аргумента $ x$ к граничным точкам области определения $ \mathcal{D}(f)$, если такие граничные точки имеются. При этом могут обнаружиться вертикальные асимптоты. Если функция имеет такие точки разрыва, в которых она определена, то эти точки тоже проверить на наличие вертикальных асимптот функции. Поясним сказанное примером:

Пример 7.36 Пусть $ f(x)=\left\{\begin{array}{ll}

\dfrac{1}{x^2},&\mbox{ при }x\ne0;\\

0,&\mbox{ при }x=0.

\end{array}\right.

$ Эта функция определена на всей числовой оси, однако 0 является точкой разрыва функции: при $ x\to0$ функция стремится к $ +\infty$. Значит, вертикальная прямая $ x=0$ служит вертикальной асимптотой функции, хотя функция и определена в точке $ x=0$.

4). Если область определения $ \mathcal{D}(f)$ вклоючает в себя лучи вида $ (a;+\infty)$ или $ (-\infty;b)$, то можно попытаться найти наклонные асимптоты (или горизонтальные асимптоты) при $ x\to+\infty$ или $ x\to-\infty$ соответственно.

5). Найти точку пересечения графика с осью $ Oy$ (если $ 0\in\mathcal{D}(f)$). Для этого нужно вычислить значение $ f(0)$. Найти также точки пересечения графика с осью $ Ox$, для чего найти корни уравнения $ {f(x)=0}$ (или убедиться в отсутствии корней). Уравнение $ {f(x)=0}$ часто удаётся решить лишь приближённо, но уже отделение корней19 помогает лучше уяснить строение графика. Далее, нужно определить знак функции на промежутках между корнями и точками разрыва.

6). Найти интервалы монотонности функции $ f(x)$ (то есть интервалы возрастания и убывания). Это делается с помощью исследования знака производной $ f'(x)$.

На стыках интервалов монотонности найти точки локального экстремума; вычислить значение функции в этих точках. Если функция имеет критические точки, не являющиеся точками локального экстремума, то полезно вычислить значение функции и в этих точках.

7). Найти интервалы выпуклости и вогнутости функции. Это делается с помощью исследования знака второй производной $ f''(x)$. Найти точки перегиба на стыках интервалов выпуклости и вогнутости. Вычислить значение функции в точках перегиба. Если функция имеет другие точки непрерывности (кроме точек перегиба), в которых вторая производная равна 0 либо не существует, то в этих точках также полезно вычислить значение функции.

8). В некоторых случаях бывает нужно найти характерные точки графика, которые не были упомянуты в предыдущих пунктах. Например, если функция имеет наклонную асимптоту, то можно попытаться выяснить, нет ли точек пересечения графика с этой асимптотой.

После выяснения свойств функции, упомянутых в пунктах 1 - 8, и нахождения опорных точек (точек пересечения с осями координат, точек графика, соответствующих точкам локального экстремума, точкам перегиба и проч.) мы можем достаточно точно построить график.

38) питання: 1. Дробно-линейная функция и ее график

Функция вида y = P(x) / Q(x), где P(x) и Q(x) – многочлены, называется дробно-рациональной функцией.

С понятием рациональных чисел вы уже наверняка знакомы. Аналогично рациональные функции – это функции, которые можно представить как частное двух многочленов.

Если дробно-рациональная функция представляет собой частное двух линейных функций – многочленов первой степени, т.е. функцию вида

y = (ax + b) / (cx + d), то ее называют дробно-линейной.

Заметим, что в функции y = (ax + b) / (cx + d), c ≠ 0 (иначе функция становится линейной y = ax/d + b/d) и что a/c ≠ b/d (иначе функция константа). Дробно-линейная функция определена при всех действительных числах, кроме x = -d/c. Графики дробно-линейных функций по форме не отличаются от известного вам графика y = 1/x. Кривая, являющаяся графиком функции y = 1/x, называется гиперболой. При неограниченном увеличении x по абсолютной величине функция y = 1/x неограниченно уменьшается по абсолютной величине и обе ветки графика приближаются к оси абсцисс: правая приближается сверху, а левая – снизу. Прямые, к которым приближаются ветки гиперболы, называются ее асимптотами.

Пример 1.

y = (2x + 1) / (x – 3).

Решение.

Выделим целую часть: (2x + 1) / (x – 3) = 2 + 7/(x – 3).

Теперь легко видеть, что график этой функции получается из графика функции y = 1/x следующими преобразованиями: сдвигом на 3 единичных отрезка вправо, растяжением вдоль оси Oy в 7 раз и сдвигом на 2 единичных отрезка вверх.

Любую дробь y = (ax + b) / (cx + d) можно записать аналогичным образом, выделив «целую часть». Следовательно, графики всех дробно-линейных функций есть гиперболы, различным образом сдвинутые вдоль координатных осей и растянутые по оси Oy.

Для построения графика какой-нибудь произвольной дробно-линейной функции совсем не обязательно дробь, задающую эту функцию, преобразовывать. Поскольку мы знаем, что график есть гипербола, будет достаточно найти прямые, к которым приближаются ее ветки – асимптоты гиперболы x = -d/c и y = a/c.

Пример 2.

Найти асимптоты графика функции y = (3x + 5)/(2x + 2).

Решение.

Функция не определена, при x = -1. Значит, прямая x = -1 служит вертикальной асимптотой. Для нахождения горизонтальной асимптоты, выясним, к чему приближаются значения функции y(x), когда аргумент x возрастает по абсолютной величине.

Для этого разделим числитель и знаменатель дроби на x:

y = (3 + 5/x) / (2 + 2/x).

При x → ∞ дробь будет стремиться к 3/2. Значит, горизонтальная асимптота – это прямая y = 3/2.

Пример 3.

Построить график функции y = (2x + 1)/(x + 1).

Решение.

Выделим у дроби «целую часть»:

(2x + 1) / (x + 1) = (2x + 2 – 1) / (x + 1) = 2(x + 1) / (x + 1) – 1/(x + 1) =

= 2 – 1/(x + 1).

Теперь легко видеть, что график этой функции получается из графика функции y = 1/x следующими преобразованиями: сдвигом на 1 единицу влево, симметричным отображением относительно Ox и сдвигом на 2 единичных отрезка вверх по оси Oy.

Область определения D(y) = (-∞; -1)ᴗ(-1; +∞).

Область значений E(y) = (-∞; 2)ᴗ(2; +∞).

Точки пересечения с осями: c Oy: (0; 1); c Ox: (-1/2; 0). Функция возрастает на каждом из промежутков области определения.

Ответ: рисунок 1.Функции и их графики

2. Дробно-рациональная функция

Рассмотрим дробно-рациональную функцию вида y = P(x) / Q(x), где P(x) и Q(x) – многочлены, степени выше первой.

Примеры таких рациональных функций:

y = (x3 – 5x + 6) / (x7 – 6) или y = (x – 2)2(x + 1) / (x2 + 3).

Если функция y = P(x) / Q(x) представляет собой частное двух многочленов степени выше первой, то ее график будет, как правило, сложнее, и построить его точно, со всеми деталями бывает иногда трудно. Однако, часто достаточно применить приемы, аналогичные тем, с которыми мы уже познакомились выше.

Пусть дробь – правильная (n < m). Известно, что любую несократимую рациональную дробь можно представить, и притом единственным образом, в виде суммы конечного числа элементарных дробей, вид которых определяется разложением знаменателя дроби Q(x) в произведение действительных сомножителей:

P(x)/Q(x) = A1/(x – K1)m1 + A2/(x – K1)m1-1 + … + Am1/(x – K1) + …+

+ L1/(x – Ks)ms + L2/(x – Ks)ms-1 + … + Lms/(x – Ks) + …+

+ (B1x + C1) / (x2 +p1x + q1)m1 + … + (Bm1x + Cm1) / (x2 +p1x + q1) + …+

+ (M1x + N1) / (x2 +ptx + qt)m1 + … + (Mm1x + Nm1) / (x2 +ptx + qt).

Очевидно, что график дробно-рациональной функции можно получить как сумму графиков элементарных дробей.

Построение графиков дробно-рациональных функций

Рассмотрим несколько способов построения графиков дробно-рациональной функции.

Пример 4.

Построить график функции y = 1/x2.

Решение.

Используем график функции y = x2 для построения графика y = 1/x2 и воспользуемся приемом «деления» графиков.

Область определения D(y) = (-∞; 0)ᴗ(0; +∞).

Область значений E(y) = (0; +∞).

Точек пересечения с осями нет. Функция четная. Возрастает при все х из интервала (-∞; 0), убывает при x от 0 до +∞.

Ответ: рисунок 2.

Пример 5.

Построить график функции y = (x2 – 4x + 3) / (9 – 3x).

Решение.

Область определения D(y) = (-∞; 3)ᴗ(3; +∞).

y = (x2 – 4x + 3) / (9 – 3x) = (x – 3)(x – 1) / (-3(x – 3)) = -(x – 1)/3 = -x/3 + 1/3.

Здесь мы использовали прием разложения на множители, сокращения и приведения к линейной функции.

Ответ: рисунок 3.Функции и их графики

Пример 6.

Построить график функции y = (x2 – 1)/(x2 + 1).

Решение.

Область определения D(y) = R. Так как функция четная, то график симметричен относительно оси ординат. Прежде чем строить график, опять преобразуем выражение, выделив целую часть:

y = (x2 – 1)/(x2 + 1) = 1 – 2/(x2 + 1).

Заметим, что выделение целой части в формуле дробно-рациональной функции является одним из основных при построении графиков.

Если x → ±∞, то y → 1, т.е. прямая y = 1 является горизонтальной асимптотой.

Ответ: рисунок 4.

Пример 7.

Рассмотрим функцию y = x/(x2 + 1) и попробуем точно найти наибольшее ее значение, т.е. самую высокую точку правой половины графика. Чтобы точно построить этот график, сегодняшних знаний недостаточно. Очевидно, что наша кривая не может «подняться» очень высоко, т.к. знаменатель довольно быстро начинает «обгонять» числитель. Посмотрим, может ли значение функции равняться 1. Для этого нужно решить уравнение x2 + 1 = x, x2 – x + 1 = 0. Это уравнение не имеет действительных корней. Значит, наше предположение не верно. Чтобы найти самое большое значение функции, надо узнать, при каком самом большом А уравнение А = x/(x2 + 1) будет иметь решение. Заменим исходное уравнение квадратным: Аx2 – x + А = 0. Это уравнение имеет решение, когда 1 – 4А2 ≥ 0. Отсюда находим наибольшее значение А = 1/2.Функции и их графики

Ответ: рисунок 5, max y(x) = ½.