Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сборник задач по высшей математике

.pdf
Скачиваний:
7378
Добавлен:
03.05.2015
Размер:
5.01 Mб
Скачать

(соответственно,

 

 

lim ^

= к и

lim \f(x) - кх1 = Ь).

Х-+-ОС

X

X—У—оо

Частным случаем наклонной асимптоты (при к = 0) является горизонтальная асимптота (рис. 86 в)).

Прямая у = Ь является горизонтальной асимптотой графика функции f(x) при х —> +оо (при х —У — оо) тогда и только тогда, когда

lim f(x) = b

х->+оо 7 (соответственно, lim f(x) = b).

Построение графиков функций

При построении графика данной функции целесообразно пользоваться следующей схемой:

1)найти область определения функции;

2)исследовать функцию на четность, нечетность и периодичность;

3)найти участки непрерывности функции, а так же точки разрыва с указанием вида разрыва;

4)найти точки пересечения графика с осями координат;

5)найти интервалы знакопостоянства функции;

6)найти асимптоты;

7)найти интервалы возрастания и убывания, экстремумы функции;

8)найти интервалы выпуклости и вогнутости, точки перегиба.

7.4.1.

Найти интервалы возрастания и убывания функции / ( х ) =

 

= х3 - 6х2 + 5.

ОФункция определена на всей числовой оси, а ее производная

равна/'(х) = ЗХ2 -12Х = 3(х —2)(х+2). Функция / ( х ) возрастает тогда и только тогда, когда f'(x)) > 0, т. е. (х — 2)(х + 2) > О, откуда х Е (—оо; —2) U (2; +оо). Аналогично, данная функция убывает в точности когда f'(x) < 0, т.е. (х — 2)(х + 2) < О, откуда х Е ( - 2 ; 2).

Таким образом, функция / ( х ) возрастает на интервалах (—оо; —2) и (2; +оо), а убывает на интервале ( - 2 ; 2). •

Найти интервалы возрастания и убывания функции f(x):

7.4.2./(х) = (х — 2)2 • (х + 2).

7.4.3.f(x)= ln(x2 - 2 х + 4).

7.4.4.Найти экстремумы функции / ( х ) = х3 — 9х2 + 15х.

ОФункция определена и дифференцируема на всей числовой прямой, причем f'(x) = Зх2 —18х+15 = 3(х —1)(х—5). Критические точки х\ = 1, Х2 = 5. Воспользуемся вторым достаточным

320

условием экстремума, для чего найдем /"(1) и f"(5):

 

f"(x) =

6х -

18

= • /"(1)

=

- 12,

/"(5)

= 12.

 

Поскольку /'(1)

=

0,

а /"(1) <

0,

то х

= 1

— точка ло-

 

кального максимума, причем /(1) = 7. Аналогично, так как

 

/'(5) = 0, а /"(5) > 0, то х = 5 — точка локального минимума,

 

а /(5) = - 25 .

 

 

 

 

 

 

Найти

экстремумы функций

 

 

 

 

 

 

7.4.5.

/ ( » ) =

 

 

 

 

 

 

 

7.4.6.

=

 

 

 

 

 

 

 

7.4.7. Найти интервалы выпуклости и точки перегиба функции

«•> = 5^1-

О Функция определена и дважды дифференцируема на всей действительной оси. Находим вторую производную:

б(*2 - 1 )

/"(*) = 2 + I)3 '

Отсюда получим: функция выпукла вверх тогда и только тогда, когда /" < 0, т.е. х2 - ^ < 0, или |х| < Функция

выпукла вниз тогда и только тогда, когда х2 — ^ > 0 , т.е.

Таким образом, функция выпукла вверх на V ^ ' ^ J '

 

выпукла вниз на

 

^ 3 ) и на (^З'"'" 0 0 )'

Откуда ясно >

 

что точки х\ = —

и Х2 = ^^ являются точками перегиба

 

данной функции.

 

 

 

О

Найти

интервалы

выпуклости

и

точки перегиба

функций

7.4.8.

/ ( х ) =

 

 

 

 

 

7.4.9.

f(x) = х4

- 4х3 - 48х2

+

6х - 9.

 

 

7.4.10.

Найти асимптоты графика функции f(x)

2

=

 

О Функция непрерывна всюду, кроме точки х = 1, в которой

 

она терпит разрыв второго рода, причем lim

х2

 

^_ ^ = — оо,

 

lim

2 -, = +00. Отсюда следует, что прямая х = 1 — вер-

 

Z - H + О Х

- 1

 

 

 

 

 

тикальная асимптота и других вертикальных асимптот нет.

 

 

 

 

 

 

321

21 -2361

Проверим, есть ли у графика функции наклонные асимптоты. Находим

 

к = lim

 

lim

— =

 

откуда

 

 

 

ж—>-+оо X

 

х-++оо X — 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

Ь = lim (fix) — кх) =

lim

/ X2

 

 

 

1

= 0.

 

(

 

х) = lim

 

 

ж—)-+оо

х-у+оо\х — 1

 

/

ж->-+оо X — 1

 

 

Таким образом, прямая у = х — наклонная асимптота графика

 

функции при х у Н-оо. Аналогично получим, что эта прямая

 

является наклонной асимптотой и при х —> — оо.

 

 

 

Поскольку угловой коэффициент к наклонной асимптоты

 

не равен нулю, то график функции не имеет горизонтальных

 

асимптот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

#

Найти асимптоты графика функции f(x):

 

 

 

 

 

 

 

7.4.11.

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.4.12.

f(x)=x-ex.

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.4.13.

Провести полное исследование функции у =

—j и построить

ееграфик.

ООбласть определения D(f) функции — вся числовая ось,

за исключением точек х = — 2 и х = 2, т.е.

£>(/) = (-оо; - 2 ) U ( - 2 ; 2) U (2; +оо).

Функция непериодическая; исследуем ее на четность и нечет-

ность:

 

( - х ) з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/(-*)

=

-тЧ^

 

=

~

-тЧ

= -Six).

 

 

4 - (—х)2

 

 

4-х2

 

Следовательно, данная функция нечетная и ее график симметричен относительно начала координат. Поэтому далее исследуем функцию только при х ^ 0.

Найдем точки пересечения графика с осями координат: с осью Оу график пересекается при х = 0, откуда

у= т=о,

т.е. М(0;0) — точка пересечения с осью Оу;

s i

с осью Ох график пересекается, если f(x) = 0, т. е. —=-—^ = 4 — х1

— 0, откуда х = 0. Таким образом, М(0;0) — единственная точка пересечения графика с осями координат.

Находим интервалы знакопостоянства функции:

fix) > 0

х3

S- > 0

х(4 — х2) > 0,

4-х

 

 

 

322

и так как мы рассматриваем только случай х ^ 0, то получаем

О < х < 2.

Аналогично

f(x)

 

<0 при х

> 2.

 

 

 

Далее,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

х

3

 

7? = +оо,

lim

х3

^ = —оо,

4 - Х

 

4 - х

Х-+2-0

 

 

Ж-+2+0

 

т. е. прямая х = 2 — вертикальная асимптота. Отсюда, в силу симметрии, следует, что прямая х = — 2 — также вертикальная асимптота.

Найдем наклонные асимптоты:

к = lim

М

 

 

 

^

= - 1 ,

 

— = lim

 

 

ж—>-+оо

X ж-»+оо 4 — XZ

 

 

 

 

х3

 

\

 

 

 

(4-Х1

 

 

 

 

 

 

 

«

+ х/) =

lim

= О,

 

ж->+оо 4 - х

 

т. е. прямая у = — х — наклонная асимптота при х —> +оо (то

же и при х

-оо). Горизонтальных асимптот график не имеет.

Найдем интервалы монотонности и экстремумы функции,

исследуя первую производную:

 

_ /

х3

у _ Х2(12 — х2 )

_ х 2 ( 2 у / 3 - х ) ( 2 у / 3 + х)

f [ X ) ~ U-X2) "

( 4 - х 2 ) 2 ~

( 4 - х 2 ) 2

Отсюда видно, что при х ^ О (см. рис. 87) функция имеет максимум в точке х = 2л/3 (причем /(2y/S) = —Зл/З « -5,2), возрастает на (0; 2) и (2; 2л/3) и убывает на (2\/3; +оо).

m

Рис. 87

Чтобы определить интервалы выпуклости и точки перегиба, вычислим вторую производную:

 

_

8х(12 + х 2 )

; ( Х ) ~

( 4 - х 2 ) 3

'

Отсюда ясно, что при

х ^

О функция выпукла вверх (т.е.

/" < 0) на (2;+оо) и

выпукла вниз

(т.е. /" > 0) на (0;2),

х = 0 — точка перегиба.

 

 

 

 

 

323

2 1*

Рис. 88

Учитывая накопленную информацию, строим график функции при х ^ 0, а затем симметрично отражаем его относительно начала координат (рис. 88). •

Провести полное исследование и построить графики функций:

7.4.14.

f(x)= 2 + 1.

7.4.15.

f(x) = Ц $ .

Дополнительные задачи

Найти интервалы возрастания и убывания функций:

7.4.16.

f(x)=x + e~x.

7.4.17.

f(x) =

x

Inx.

7.4.18.

у = 1-х

7.4.19.

S{t) =

t

+ cost.

Найти

экстремумы функций:

 

 

 

 

7.4.20.

f(x) = х3 - Зх + 1.

7.4.21.

у =

е*2"4*+5.

7.4.22.

у- х- arctg х.

7.4.23.

г = у/Ъ - 2 + (р.

324

Найти

интервалы выпуклости

и

точки перегиба

функций:

7.4.24.

f(x)=e~x2.

 

7.4.25.

у = хъ - 10х2 + - 9.

7.4.26.

2/ = cosx.

 

7.4.27.

х = £-arctg

7.4.28.

При каком значении а функция у = х4 +а In х имеет единствен-

 

ную точку перегиба при х = 1?

 

 

 

 

Найти

асимптоты графиков

функций:

 

 

 

 

7.4.29.

у =

 

 

 

 

7.4.30.

y =

e~i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.4.31.

/ ( х ) =

—1

 

7.4.32.

/ ( х )

= х

- arctgх.

 

 

 

х + 5х — 6

 

 

 

 

 

 

 

Провести полное

исследование

и

построить

графики

функций:

7.4.33.

У =

1

 

 

 

7.4.34.

У = 1п(1

- X2

е*+2.

 

7.4.35.

У _

х2

 

7.4.36.

У = х3 - 4х2

 

" 1 - Х 2 '

 

 

 

 

 

 

 

7.4.37.

У = х + X1 .

 

7.4.38.

У = х2 е~ х .

 

- ( S + 1)2

 

7.4.40.

 

_

З х - 2

7.4.39.

 

У "

2

'

У ~ х — 2

 

 

 

7.4.41.

_

х

3

 

 

7.4.42.

У

= х - lnx.

У -

Q _

J»"'

 

 

 

 

 

 

Более сложные задачи

7.4.43.

Привести пример дифференцируемой функции, имеющей экс-

 

тремумы только в точках х = 0, ±1, ± 2 , . . .

7.4.44.

Доказать, что точка перегиба функции не может быть одновре-

 

менно ее точкой экстремума.

7.4.45.

Доказать, что всякий многочлен нечетной степени п (п ^ 3)

 

имеет по крайней мере одну точку перегиба.

7.4.46.

Доказать, что всякий четный многочлен с положительными ко-

 

эффициентами не имеет точек перегиба, но имеет единствен-

 

ную точку минимума.

7.4.47.

Показать, что критическая точка 2-го рода не обязательно яв-

 

ляется точкой перегиба функции.

7.4.48.

Пусть функция /(х) дважды дифференцируема и выпукла

 

вверх (выпукла вниз) на интервале (а;Ь). Доказать, что функ-

ция /'(х) строго убывает (соответственно, возрастает) на этом интервале.

325

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Вариант 1

1.

Найти производную функции

 

 

 

 

 

 

3

1.

V^

 

 

 

 

у = arctg

In

х + 2

 

 

2.

Найти производную функции у = (<у/х)агС8ша\

 

 

3.

Найти производную у'(х) неявной функции

 

 

 

 

sin(x — 2 у) + — = 7х.

 

 

 

 

 

 

У

 

 

4.

Найти

если х = е~г cos t, у = е1 cos t.

 

 

5.

Найти предел, используя правило Лопиталя

 

 

 

 

lim

х2

 

 

 

 

— .

 

 

 

 

х

е

 

 

х и построить

6.

Провести по1илноепис ии^лсс есдиповаппсниец^^плцлшфункцииjf(x)yju j =хJ*+

 

 

 

 

2

2 J

 

ее график.

Вариант 2

1.Найти производную функции

2.Найти производную функции у = xa r c t g 7 x .

3.Найти производную у'(х) неявной функции

 

еху + -

= cos Зх.

4.

Найти ^, если х = cos t + sin t, у = sin £ - t • cos

5.

Найти предел, используя правило Лопиталя

 

lim

t 6 3 *

 

 

tgX

з

6.Провести полное исследование функции f(x) = -^Jr- и построить

ееграфик.

326

Вариант 3

1. Найти производную функции

у = 2 V }

2.Найти производную функции у = 2 + 3)t g *.

3.Найти производную 2/'(х) неявной функции

 

 

q

 

 

 

 

.

 

 

 

2

X Н- 1

=

 

 

 

х у

У

arcsm 4х.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Найти

если х =

у =

 

 

 

 

5.

Найти предел, используя правило Лопиталя

 

 

 

 

 

lim

 

.

 

 

 

 

 

In cosx

 

 

 

 

 

х-)-о х

 

 

 

6.

Провести полное исследование функции /(х) =

и построить ее

 

график.

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 4

1.Найти производную функции

у= log3 arcsin(^^g) .

2.Найти производную функции у = (cosx)?.

3.Найти производную у'(х) неявной функции

 

 

?Lll-tg(x +

by) = 7x.

 

 

х

 

4.

Найти

если х = е1 • sinf, у = ег • cos£.

5.

Найти предел, используя правило Лопиталя

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

tgx

 

 

х-ю

6.Провести полное исследование функции /(х) = х2 е~х и построить ее график.

Глава 8. НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ

§1. ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА ИНТЕГРИРОВАНИЯ Первообразная функция

^Пусть функция /(х) определена на некотором (конечном или бесконечном) интервале (а, Ь). Тогда функция F(x) называется первообразной для функции /(х) на интервале (а, 6), если F'(x) = /(х) для всех х € (а, Ь)3.

Если F(x) — первообразная функция для функции /(х), то функция F(x) + С, где С — некоторая постоянная, также первообразная для функции f(x). Кроме того, если F(x) и G(x) — две первообразные для функции /(х), то они отличаются на некоторую постоянную, т. е. существует такое число С Е R, что F(x) — G(x) = С.

Таким образом, зная только одну первообразную F(x) для функции /(х), мы без труда находим и множество всех первообразных для этой функции, которое совпадает с множеством функций вида F(x) + С, где С — произвольная постоянная.

Если функция /(х) непрерывна на данном интервале, то у нее существует первообразная на этом интервале.

Неопределенный интеграл

^Совокупность всех первообразных для функции /(х) называется неопределенным интегралом от функции /(х).

Обозначения: J /(х) dx (читается так: «интеграл эф от икс дэ икс»).

Таким образом, если F(x) — какая-нибудь первообразная для функции /(х), то

I /(х) dx = F(x) + С

(в правой части последнего равенства более правильно было бы написать {F(x) -I- С}, поскольку речь идет о множестве всех первообразных, но фигурные скобки, обозначающие множество, обычно не пишут).

Знак J называется интегралом, функция /(х) — подынтегральной функцией, а /(х) dx — подынтегральным выражением.

^Операция нахождения неопределенного интеграла от данной функции называется интегрированием этой функции.

3В дальнейшем указание интервала (а, 6) будем опускать.

328

Интегрирование — операция, обратная операции дифференцирования (т. е. операции, заключающейся в нахождении производной от данной функции). У всякой непрерывной на данном интервале функции существует неопределенный интеграл.

Основные свойства неопределенного интеграла

Везде далее предлагается, что все рассматриваемые неопределенные интегралы существуют.

1. JdF(x)

=F(x)

+

C.

2.dj f{x)

dx

=

f(x)

dx.

3. J af(x) dx

= a J f(x) dx, где а ф 0,

т. е. постоянный множитель можно выносить за знак неопределенного интеграла.

4. J [/(®) + g(x)] dx = j f(x) dx + J g(x) dx,

т. е. неопределенный интеграл от суммы функций равен сумме неопределенных интегралов от этих функций.

5. Если J f(x)

dx = F(x) + С, то

 

 

г

1

+ С, где а ф

0.

/

f(ax + b)dx = -F(ax + b)

J

a

 

 

Таблица простейших интегралов

Следующие интегралы обычно называются табличными интеграла-

ми:

1. J 0 • dx = С.

2. fx«dx = ^ + C, (аф-1).

В частности, Jl-dx

= x + C, f ^ =

+

^ = '

3.Jf=\n\x\+C.

 

 

 

 

4. [axdx =

^-

+

C.

 

 

J

In a

 

 

 

 

В частности, J ex dx = ex + C.

5.

J sin x dx = — cosx -I- C.

6.

J cos x dx = sin x + C.

7.

J

f —Щ— = tg x + C.

 

COS

X

8.

 

f -dx

= — ctg x + C.

 

J

sin

X

329