background image

Tomasz Kowalski 

Wykłady z matematyki dla studentów kierunków ekonomicznych

 

 

Wykład 13 

 

ZASTOSOWANIA RACHUNKU RÓŻNICZKOWEGO  

FUNKCJI JEDNEJ ZMIENNEJ

 

 

1.  Badanie funkcji

 

 
  Badanie funkcji ma na celu uzyskanie wyczerpujących informacji o tej funkcji potrzebnych do sporzą-
dzenia wykresu. Schemat badania funkcji: 
1. Analiza funkcji: 
 - 

określenie dziedziny, 

  - obliczenie granic na końcach przedziałów określoności, 
  - znalezienie równań ewentualnych asymptot, 
  - wyznaczenie punktów przecięcia wykresu z osiami układu współrzędnych, 
  - zbadanie, czy funkcja ma istotne dla jej zmienności własności szczególne, np. parzystość, nieparzystość, 
       okresowość). 
2. Obliczenie i analiza pochodnej funkcji: 
  - wyznaczenie przedziałów monotoniczności funkcji, 
  - znalezienie ekstremów i określenie ich rodzaju. 
3. Obliczenie i analiza drugiej pochodnej funkcji: 
  - wyznaczenie przedziałów wklęsłości i wypukłości wykresu, 
  - znalezienie punktów przegięcia wykresu. 
4. Sporządzenie tabelki zmienności na podstawie wyników z części 1-3. 
5. Naszkicowanie wykresu. 
     

Przykład 1. Zbadać funkcję  i sporządzić jej wykres:  a) 

,   b) 

x

x

x

x

f

4

4

)

(

2

3

3

3

3

)

(

2

2

x

x

x

f

,  

c) 

2

5

4

)

(

2

x

x

x

x

f

,   d) 

1

)

(

x

x

e

x

f

,   e) 

x

x

x

f

ln

)

(

.  

Rozwiązanie.

 

a) Dziedziną funkcji jest  

R

D

 . Funkcja nie posiada zatem asymptot pionowych. 

Ponieważ  







)

4

4

1

(

lim

)

4

4

(

lim

2

3

2

3

x

x

x

x

x

x

x

x

     

oraz







)

4

4

1

(

lim

)

4

4

(

lim

2

3

2

3

x

x

x

x

x

x

x

x

to funkcja nie posiada asymptot poziomych , może jednak posiadać asymptoty ukośne. 

Jednakże 







)

4

4

(

lim

)

(

lim

2

x

x

x

x

f

m

x

x

  i podobnie 







)

4

4

(

lim

)

(

lim

2

x

x

x

x

f

m

x

x

Oznacza to ostatecznie, że asymptot ukośnych nie ma. 
 
Obliczając wartość funkcji w punkcie 

 otrzymujemy 

0

x

0

)

0

(

f

, co oznacza, że wykres przechodzi przez 

początek układu współrzędnych  . Poszukując odciętych punktów wspólnych wykresu z osią OX 
dostajemy 

)

0

,

0

(

P

2

,

0

0

)

4

4

(

0

4

4

0

)

(

2

1

2

2

3

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

Tym samym dodatkowym punktem wykresu leżącym na osi OX  jest 

)

0

,

2

(

Q

 
Pochodna funkcji jest równa 

. Szkic jej wykresu przedstawia rys.1. 

4

8

3

)

(

2

/

x

x

x

f

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

 

-

     

-

      

-

 +    +

 Znak 

/

f

 X

 +    +

3

2

2

Rys. 1.

 

Obliczając drugą pochodną otrzymujemy 

. Szkic wykresu przedstawia rys.2. 

8

6

)

(

//

 x

x

f

Znak

//

f

 X

3

4

+    +    +

 _     _     _

Rys. 2. 

Układamy tabelkę zmienności:  
 

x 

)

0

;

(



 

)

;

0

(

3

2

 

3

2

 

)

;

(

3

4

3

2

 

3

4

 

)

2

;

(

3

4

)

;

2

(

 

/

 

+  + 0 

– 

 

– 

0 + 

//

 

– 

 –  –  +  + 

 

 

 
 
 

  

 

 

 

27

32

 

 

max. 

 

 

27

16

 

p.p 

 

 

min. 

  

 
Wykres funkcji przedstawiony jest na rys.3. 
 

 X

3

2

Y

 0

3

4

27

16

27

32

 2

x

x

x

x

f

4

4

)

(

2

3

Rys. 3.

 

 

   
b) Dziedziną funkcji jest  

R

D

 . Funkcja nie posiada zatem asymptot pionowych. 

Ponieważ  

3

1

3

lim

3

3

3

lim

2

3

2

3

2

2

]

[





x

x

x

x

x

x

     oraz  

3

1

3

lim

3

3

3

lim

2

3

2

3

2

2

]

[





x

x

x

x

x

x

to prosta 

 jest asymptotą poziomą obustronną funkcji  i tym samym asymptot ukośnych wykres nie 

posiada. 

3

y

Obliczając wartość funkcji w punkcie 

 otrzymujemy 

0

x

1

)

0

(

f

, co oznacza, że wykres przecina oś OY 

w punkcie 

. Poszukując odciętych punktów wspólnych wykresu z osią OX dostajemy 

)

1

,

0

(

P

 

1. Tym samym punktami wykresu leżącymi na osi OX  są 

,

1

0

3

3

0

)

(

2

1

2

x

x

x

x

f

)

0

,

1

(

1

Q

)

0

,

1

(

2

Q

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

3

Ponieważ 

)

(

3

3

3

3

)

(

3

)

(

3

)

(

2

2

2

2

x

f

x

x

x

x

x

f

, dla każdego 

R

x

 , to funkcja jest parzysta. 

Pochodna funkcji jest równa 

2

2

2

2

2

2

/

2

2

2

/

2

/

)

3

(

2

)

3

3

(

)

3

(

6

)

3

(

)

3

)(

3

3

(

)

3

(

)

3

3

(

)

(

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

2

2

)

3

(

24

x

x

Ponieważ w rozpatrywanej dziedzinie mianownik wyrażenia jest dodatni, to znak pochodnej jest identyczny 
jak znak funkcji 

, której szkic wykresu przedstawiony jest na rys.4. 

x

x

g

24

)

(

Znak

/

f

 0

  

  

Rys. 4. 

 

Obliczając drugą pochodną otrzymujemy: 

4

2

2

2

2

4

2

/

2

2

2

2

/

//

)

3

(

2

)

3

(

2

24

)

3

(

24

)

3

(

]

)

3

[(

24

)

3

(

)

24

(

)

(

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

 

3

2

2

4

2

2

2

2

)

3

(

)

3

3

(

24

)

3

(

)

4

3

)(

3

(

24

x

x

x

x

x

x

.

 

W rozpatrywanej dziedzinie znak drugiej pochodnej jest identyczny jak znak funkcji 

, której 

szkic wykresu przedstawiony jest na rys.5. 

2

3

3

)

(

x

x

h

 +     +       +

 -    -

 Znak 

//

f

X

 -    -

1

1

Rys. 5. 

Układamy tabelkę zmienności:  
 

x 

)

1

;

(



  -

)

0

;

1

(

 

)

1

;

0

(

 

)

;

1

(

 

/

 

 

0 +    + 

//

 

0 +    + 0 

 

 

1  

p.p. 

 

 

 

min. 

-

 1 

 

 

p.p. 

1

 
Wykres funkcji przedstawiony jest na rys.6. 
 

3

3

3

)

(

2

2

x

x

x

f

X

1

 -1

Y

 1

 3

Rys. 6.

 

 

 

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

c) Funkcja  

2

5

4

)

(

2

x

x

x

x

f

 

0

2

x

, zatem 

)

;

2

(

)

2

;

(

D

.  

 jest okre

na, gdy

ślo



Ponieważ 



]

[

1

5

4

2

x

x

,   

0

2

lim

2

x

x



]

[

1

5

4

lim

2

x

x

0

2

2

x

x

to prosta 

  jest asymptotą pionową obustronną wy resu funkcji. Z faktu, że 

2

x

k







]

[

]

[

1

1

4

lim

2

5

4

lim

2

5

2

x

x

x

x

x

x

x

x

,



]

[

]

[

4

lim

5

4

lim

2

x

x

x

x



1

1

2

2

5

x

x



x

x

wynika, że wykres nie posiada asymptot poziomych, może jednak posiadać asymptoty ukośne.  
Ponieważ 

1

1

1

lim

2

5

4

lim

)

(

lim

2

2

5

4

2

2

]

[







x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

m

 , 







2

2

5

4

lim

)

2

5

4

(

lim

]

)

(

[

lim

2

2

2

x

x

x

x

x

x

x

x

x

mx

x

f

n

x

x

x

2

1

2

5

2

lim

[

x

lim

2

2

5

]





x

x

x

x

x

oraz granice przy 



x

 s

ą ukośną obustronną jest prosta 

2

 x

y

0  wynosi 

ą analogiczne, to asymptot

Wartość funkcji w punkcie 

x

2

5

)

0

(

f

, że wykres przecina oś OY  w punkcie 

. Oznacza to

)

2

,

0

(

P

. Równanie 

0

)

(

5

x

f

 przyjmuje postać

 i jest równaniem sprzecznym (

 

0

5

4

2

 x

x

0

). 

Wykres nie przecina osi  OX
Obliczając pochodną otrzymujemy: 

2

/

2

/

2

/

)

2

(

)

2

)(

5

4

(

)

2

(

)

5

4

(

)

(

x

x

x

x

x

x

x

x

f

2

2

)

2

(

)

5

4

(

)

2

)(

4

2

(

x

x

x

x

x

 

2

2

2

3

4

)

5

4

8

4

x

x

x

x

x

x

2

2

)

2

(

)

2

(

4

2

x

x

x

Znak pochodnej jest identyczny jak znak trójmianu 

, którego szkic wykresu przedstawio-

ny jest na rys.7.  

3

4

)

(

2

x

x

x

g

 +     +

    -

 Znak 

/

f

 -

X

 -    -

 +     +

 

1

 

2

 3

  

Rys. 7. 

Obliczając drugą pochodną otrzymujemy: 

4

/

2

2

2

/

2

//

)

2

(

]

)

2

)[(

3

4

(

)

2

(

)

3

4

(

)

(

x

x

x

x

x

x

x

x

f

4

2

2

)

2

(

)

2

(

2

)

3

4

(

)

2

)(

4

2

(

x

x

x

x

x

x

4

)

2

(

x

2

)]

3

4

(

2

)

2

)(

4

2

)[(

2

(

x

x

x

x

x

4

4

)

2

(

)

2

(

x

x

 

2

2

)

2

(

2

)

6

8

2

8

8

2

)(

2

(

x

x

x

x

x

x

.

 

W rozpatrywanej dziedzinie znak drugiej pochodnej jest identyczny jak znak funkcji 

, której 

szkic wykresu przedstawiony jest na rys.8. 

2

)

(

 x

x

h

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

5

  

Znak

//

f

 2

  

Rys. 8

 
Układamy tabelkę zmienności:  
 

 

 

.

 

x 

)

0

;



 

(

)

0

(

 

1

;

)

1

(

2

;

)

2

(

3

;

)

;

3

(

 

/

 

+  + 

– 

– 

//

 

–  

–  

 

+    +

 

 

 
 

 

 

 

min. 

  

 

 

  

 

2

 

max. 

5

 
 

 

 

- 2 

 

 
 
 




 

 

 
Wykres funkcji przedstawiony jest na rys.9. 

 2

Y

X

2

5

4

)

(

2

x

x

x

x

f

y

x

  2

 2  3

 1

 -2

2

5

Rys. 9. 

 

1

)

(

x

x

e

x

f

 jest określona, gdy 

0

1

x

, zatem 

;

(



D

)

;

1

(

)

1

d) Funkcja 

0

lim

]

[

]

[

0

1

1

1

e

e

e

x

x



x

,   

1

x

ową praw

]

[

]

[

0

1

1

lim

e

e

e

x

x

Prosta 1  jest asymptotą pion

ostronną wykresu funkcji. 

x

Z faktu, że 

e

e

x

1

1

1

1

]

[

  

oraz   

e

e

e

e

x

x

1

1

1

1

lim

lim

]

[

x

x

x





ę poziomą obustronną o równaniu 

e

e

x

x

lim

lim

x

x





e

y

wynika, że wykres posiada asymptot

.  

Wartość funkcji w punkcie 

 wynosi 

0

x

1

)

0

(

f

 sprzeczny

. Oznacza to, że wykres przecina oś OY  w punkcie 

. Równanie 

 jest równaniem

m. Wykres nie przecina osi  OX  (leży powyżej osi). 

)

1

,

0

(

P

0

)

(

x

f

Obliczając pochodną otrzymujemy: 

2

1

2

1

/

1

/

1

)

(

)

(

e

x

x

e

x

e

x

f

x

x

)

1

(

1

)

1

(

1

x

x

x

x

x

x

x

W rozpatrywanej dziedzinie pochodna jest ujemna. 

 

Obliczając drugą pochodną otrzymujemy: 

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

4

2

)

1

(

)

1

(

x

x

/

2

1

2

/

1

/

1

//

]

)

1

[(

)

1

(

)

(

)

(

x

e

x

e

e

x

f

x

x

x

x

x

x

4

)

1

(x

1

2

2

1

)

1

(

2

)

1

(

)

1

(

1

x

e

x

x

e

x

x

x

x

 

4

1

4

1

4

1

1

)

1

(

)

1

2

(

)

1

(

)

2

2

1

(

)

1

(

)

1

(

2

x

x

e

x

x

e

x

x

e

e

x

x

x

x

x

x

x

x

W rozpatrywanej dziedzinie znak drugiej pochodnej jest identyczny jak znak funkcji 

, której 

szkic wykresu przedstawiony jest na rys.10. 
 

1

2

)

(

 x

x

h

  

Znak

//

f

1

2

 X

Rys. 10.

 

Układamy tabelkę zm nności
 

ie

:  

x 

)

0

;

 

(



)

;

1

0

(

2

 

2

1

 

)

1

;

(

2

1

 

)

;

1

(

/

 

–  

–  

– 

– 

//

 

–  

– 0 + 

+

 

 

e  

 

 

 

 

e

1

 

p.p.

 

 
 
 

0




X

 

   

 
 

e

 
Wykres funkcji przedstawiony jest na rys.11. 
 

1

)

(

x

x

e

x

f

 1

 1

 e

 Y

 X

     

Ry

 

e)  Funkcja 

s. 11. 

x

x

x

f

ln

)

(

 jest określona, gdy

 i 

 

0

x

0

ln

x

. Zatem 

)

;

1

(

)

1

;

0

(

D

.  

Ponieważ 

0

ln

lim

0

x

x

,  

0

]

[

x



ln

lim

1

x

x

]

[

0

1

x

,  



]

[

0

1

ln

lim

1

x

x

x

, to asymptotą pionową jest 

1

x

Z faktu, że 





x

x

ln

lim





x

x

x

x

H

lim

1

lim

1

]

[

 wynika, że funkcja nie posiada asymptoty poziomej, 

x

może natomiast posiadać asymptotę ukośną.  

W tym wypadku jednak 

0

1

ln

]





x

x

m

x

x

, co oznaczałoby, że asymptota jest poziom

a taka nie istnieje. 

1

lim

)

(

lim

[

x

f

a, 

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

7

Wykres funkcji nie przecina osi układu współrzędnych. 

Pochodna funkcji jest równa 

x

x

x

x

x

f

2

/

/

ln

1

ln

)

ln

(

)

(

czny jak znak funkcji 

. Mianownik wyrażenia jest w zbiorze  D  dodatni, 

zatem znak pochodnej jest identy

1

ln

)

(

 x

x

g

. Szkic jej wykresu przedstawia rys.12. 

 0      1

 +    +

 Znak 

/

f

 X

e

_ _ _

Rys. 12.

 

Obliczając drugą pochodną otrzymujemy

 

 

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

x

x

4

4

2

2

1

/

2

//

ln

)

ln

2

(

ln

ln

ln

)

1

(ln

ln

)

ln

1

ln

(

)

(

 jak znak funkcji 

)

ln

2

(

ln

)

(

x

x

x

h

Znak pochodnej jest w zbiorze  D  taki sam

. Szkic wykresu tej funkcji 

przedstawia rys.13. 

+   +   +

Znak

//

f

  0

 

-

 X

2

e

_     _

 1

Rys. 13. 

Układamy tabelkę zm

ności

 

ien

:  

x 

)

1

;

0

 

(

)

1

(

 

;

)

;

(

2

e

 

e

2

 

)

;

(

2

e

/

 

– 

 

+

 

 + 

//

 

– 

X + 

– 

 

 


 


  

 
 

min. 

 

 

2

2

e

 

p.p 

 

 

 

  

 
Wykres funkcji przedstawiony jest na rys.14. 

2

2

e

 0

2

e

 1

x

x

x

f

ln

)

(

 X

Y

e

 

e

Rys. 14.

 

 

background image

Wykład 13. Zastosowania rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej 

2. Najmniejsza i największa wartość funkcji na przedziale 

 
  Niech   f   będzie funkcją ciągłą na przedziale domkniętym 

b

;

. Z twierdzenia Weierstrassa wynika, 

że istnieją punkty 

b

a

x

x

;

,

2

1

, takie że  

m

x

f

)

(

1

,  

M

x

f

)

(

2

,  gdzie  m  oznacza wartość najmniejszą 

funkcji na przedziale, a  M - wartość największą. 
Jeżeli dodatkowo założyć, że  funkcja  f   jest różniczkowalna w przedziale, to punktami, w których mogą 
wystąpić te wartości są :  a) końce przedziału,  b) punkty wewnętrzne, w których występuje ekstremum.  
 
Przypadki te zilustrowane zostały na rys.15.  

                      

Y

X

a

x

1

b

x

2

M

 m

y

f x

 ( )

                      

Y

X

b

x

2

a

x

1

M

m

y

f x

 ( )

 

Rys. 15. 

   

Uwaga. 

Aby znaleźć wartość najmniejszą  i  największą funkcji  f  na przedziale 

a b

;

 w przypadku, 

gdy  funkcja jest różniczkowalna wystarczy: 
1.  Wyznaczyć punkty, w których pochodna jest równa zeru (punkty takie nazywamy stacjonarnymi) leżące 

w przedziale. 

2.  Obliczyć wartości funkcji na końcach przedziału oraz w punktach stacjonarnych wyznaczonych w 1. 
 Największa z obliczonych wartości funkcji jest wtedy wartością największą, najmniejsza-najmniejszą. 
 
 Przykład 2. 

Wyznaczyć wartość najmniejszą i największą funkcji 

)

(x

f

y

  na przedziale : 

a) 

,  

3

3

)

(

x

x

x

f

2

;

0

I

,    b) 

3

;

2

,

)

(

2

I

e

x

f

x

x

Rozwiązanie. 
a) Ponieważ  

, to   

2

/

3

3

)

(

x

x

f

1

,

1

0

3

3

0

)

(

2

1

2

/

x

x

x

x

f

Wynika stąd, że jedynym punktem stacjonarnym leżącym wewnątrz przedziału 

2

;

0

 

jest 

1

x

   W poniższej tabelce zestawiono wartości funkcji na końcach przedziału i w punkcie stacjonarnym: 

 

x

 

0 1  2 

f x

( )

 

0 2  2

  

 

 Wynika z nich, że )

1

(

2

),

2

(

2

f

M

f

m

b) Ponieważ  

2

/

( )

(1 2 )

x x

f x

e

x

 , to  

2

1

0

2

1

0

)

(

/

x

x

x

f

Wynika stąd, że jedynym punktem stacjonarnym leżącym wewnątrz przedziału 

3

;

2

 jest 

2

1

x

Mamy zatem: 

x

 

2

  

2

1

 

f x

( )

 

2

 

4

3

 

12

 

 Oznacza to, że 

4

3

12

1

( ),

(3)

2

m

e

f

M

e

f