Элементарные функции и их графики
Прямая пропорциональность. Линейная функция .
Обратная пропорциональность. Гипербола.
Квадратичная функция . Квадратная парабола.
Степенная функция. Показательная функция.
Логарифмическая функция . Тригонометрические функции.
Обратные тригонометрические функции.
1. |
Пропорциональные величины. Если переменные y и x прямо пропорциона льны , то функциональная зависимость между ними выражается уравнением: y = k x ,
где k - постоянная величина ( коэффициент пропорциональности ).
График
прямой
пропорциональности
–
прямая линия,
проходящая
через
начало
координат
и
образующая с
осью
X
угол
,
тангенс
которого
равен
k
:
tan
=
k
(
рис.8
).
Поэтому,
коэффициент
пропорциональности
называется
также
угловым
коэффициентом
.
На рис.8 показаны три графика для
k
= 1/3,
k
= 1 и
k
=
-
3
.
|
2. |
Линейная функция. Если переменные y и x связаны уравнением 1-ой степени:
A x + B y = C ,
где по крайней мере одно из чисел A или B не равно нулю, то графиком этой функциональной зависимости является прямая линия . Если C = 0, то она проходит через начало координат, в противном случае - нет. Графики линейных функций для различных комбинаций A , B , C показаны на рис.9.
|
3. |
Обратная пропорциональность. Если переменные y и x обратно пропорциональны , то функциональная зависимость между ними выражается уравнением:
y = k / x ,
где k - постоянная величина. График обратной пропорциональности – гипербола ( рис.10 ) . У этой кривой две ветви. Гиперболы получаются при пересечении кругового конуса плоскостью ( о конических сечениях см. раздел «Конус» в главе «Стереометрия» ). Как показано на рис.10, произведение координат точек гиперболы есть величина постоянная, в нашем примере равная 1. В общем случае эта величина равна k , что следует из уравнения гиперболы: xy = k . Основные характеристики и свойства гиперболы: - область определения функции: x 0, область значений: y 0 ; - функция монотонная ( убывающая ) при x < 0 и при x > 0 , но не монотонная в целом из-за точки разрыва x = 0 ( подумайте, почему ? ); - функция неограниченная, разрывная в точке x = 0, нечётная, непериодическая;
-
нулей функция не имеет.
|
4. |
Квадратичная функция. Это функция: y = ax 2 + bx + c , где a , b , c - постоянные, a 0. В простейшем случае: b = c = 0 и y = ax 2 . График этой функции квадратная парабола - кривая, проходящая через начало координат ( рис.11 ). Каждая парабола имеет ось симметрии OY , которая называется осью параболы . Точка O пересечения параболы с её осью называется вершиной параболы . График функции y = ax 2 + bx + c - тоже квадратная парабола того же вида, что и y = ax 2 , но её вершина лежит не в начале координат, а в точке с координатами:
Форма и расположение квадратной параболы в системе координат полностью зависит от двух параметров: коэффициента a при x 2 и дискриминанта D = b 2 – 4 ac . Эти свойства следуют из анализа корней квадратного уравнения (см. соответствующий раздел в главе «Алгебра» ). Все возможные различные случаи для квадратной параболы показаны на рис.12. |
Изобразите, пожалуйста, квадратную параболу для случая a > 0, D > 0 .
Основные характеристики и свойства квадратной параболы:
- область определения функции: - < x < + ( т. e . x R ), а область
значений: … (ответьте, пожалуйста, на этот вопрос сами !);
- функция в целом не монотонна, но справа или слева от вершины
ведёт себя, как монотонная;
- функция неограниченная, всюду непрерывная, чётная при b = c = 0,
и непериодическая;
- при D < 0 не имеет нулей. ( А что при D 0 ? ) .
5. |
Степенная функция.
Это
функция:
y
=
ax
n
,
где
a, n
– постоянные. При
n
= 1 получаем
прямую пропорциональность
:
y
=
ax
;
при
n
= 2 -
квадратную параболу
;
при
n
=
-
1
-
обратную пропорциональность
или
гиперболу
.
Таким
образом,
эти
функции
-
частные
случаи
степенной
функции.
Мы
знаем,
что
нулевая
степень
любого
числа,
отличного
от
нуля,
равна
1, cледовательно, при
n
= 0 степенная функция
превращается в постоянную величину:
y
=
a
,
т.
e
.
её
график
-
прямая линия,
параллельная оси
Х
,
исключая начало координат (
поясните, пожалуйста,
почему
?
).
Все эти
случаи (
при
a
=
1
)
показаны на рис.13
(
n
0
) и рис.14 (
n
< 0 ). Отрицательные значения
x
здесь не рассматриваются, так
как тогда некоторые функции:
Если n – целые, степенные функции имеют смысл и при x < 0, но их графики имеют различный вид в зависимости от того, является ли n чётным числом или нечётным. На рис.15 показаны две такие степенные функции: для n = 2 и n = 3. При n = 2 функция чётная и её график симметричен относительно оси Y . При n = 3 функция нечётная и её график симметричен относительно начала координат. Функция y = x 3 называется кубической параболой .
На рис.16
представлена
функция
.
Эта
функция является
обратной к
квадратной параболе
y
=
x
2
,
её график получается поворотом графика квадратной параболы вокруг биссектрисы 1-го координатного угла
.
Это способ получения графика любой обратной функции из графика её исходной функции. Мы видим
по графику, что это двузначная функция (об этом говорит и знак ± перед квадратным корнем). Такие функции не изучаются в элементарной математике,
поэтому в качестве функции мы рассматриваем обычно одну из её ветвей: верхнюю или нижнюю.
|
6. |
Показательная функция.
Функция
y
=
a
x
,
где
a
-
положительное постоянное число,
называется
показательной функцией
.
Аргумент
x
принимает
любые
действительные
значения
;
в качестве значений функции рассматриваются
только положительные числа
,
так как иначе мы имеем многозначную функцию. Так, функция
y
= 81
x
имеет
при
x
=
1/4 четыре
различных значения:
y
=
3,
y
=
-
3,
y
=
3
i
и
y
=
-
3
i
(проверьте,
пожалуйста
!).
Но мы рассматриваем в качестве значения функции только
y
= 3. Графики показательной функции для
a
= 2 и
a
= 1/2 представлены на рис.17. Они проходят через точку
(
0,
1
).
При
a
=
1
мы
имеем график прямой
линии,
параллельной
оси
Х
, т.
e
.
функция превращается в постоянную величину, равную 1. При
a
> 1
показательная функция возрастает,
a
при
0 <
a
< 1 – убывает.
Основные характеристики и свойства показательной функции: - область определения функции: - < x < + ( т. e . x R ); область значений: y > 0 ; - функция монотонна: возрастает при a > 1 и убывает при 0 < a < 1; - функция неограниченная, всюду непрерывная, непериодическая; - нулей функция не имеет.
|
7. |
Логарифмическая функция. Функция y = log a x , где a – постоянное положительное число, не равное 1, называется логарифмической . Эта функция является обратной к показательной функции; её график ( рис.18 ) может быть получен поворотом графика показательной функции вокруг биссектрисы 1-го координатного угла.
Основные характеристики и свойства логарифмической функции: - область определения функции: x > 0, а область значений: - < y < + ( т. e . y R ); - это монотонная функция: она возрастает при a > 1 и убывает при 0 < a < 1; - функция неограниченная, всюду непрерывная, непериодическая;
- у
функции есть один ноль:
x
= 1.
|
8. |
Тригонометрические функции. При построении тригонометрических функций мы используем радианную меру измерения углов. Тогда функция y = sin x пред ставляется графиком ( рис.19 ). Эта кривая называется синусоидой . |
График функции y = cos x представлен на рис.20; это также синусоида, полученная в результате перемещения графика y = sin x вдоль оси Х влево на / 2 .
Из этих графиков очевидны характеристики и свойства этих функций:
- область определения: - < x < + ; область значений: - 1 y +1;
- эти функции периодические: их период 2 ;
- функции ограниченные ( | y | 1 ) , всюду непрерывные, не монотонные, но
имеющие так называемые интервалы монотонности , внутри которых они
ведут себя, как монотонные функции ( см. графики рис.19 и рис.20 );
- функции имеют бесчисленное
множество нулей (подробнее см. раздел
«Тригонометрические уравнения»
).
Графики функций y = tan x и y = cot x показаны соответственно на рис.21 и рис .22
Из графиков видно, что эти функции: периодические (их период
), неограниченные, в целом не монотонные, но имеют интервалы
монотонности (какие?), разрывные (какие точки разрыва имеют эти функции?).
Область определения и область значений этих функций: