background image

 

25 

 

MATEMATYKA 

 

                               

ROZDZIAŁ III 

 

RACHUNEK RÓŻNICZKOWY  FUNKCJI JEDNEJ 

ZMIENNEJ 

 
 
I.  Pochodna funkcji 
 

Definicja 1. (

iloraz różnicowy

Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  będzie określona przynajmniej w otoczeniu  

(

)

0

0

0

( )

:

,

0

O x

x

x

δ

=

− δ

+ δ

δ >

Ilorazem różnicowym funkcji  f  w punkcie 

0

 odpowiadającym przyrostowi  x

h

∆ =

, gdzie 

h

−δ < < δ

, zmiennej niezależnej nazywamy liczbę 

                                             

(

) ( )

0

0

def

f x

h

f x

f

x

h

+ −

∆ =

1.  Interpretacja geometryczna ilorazu różnicowego 

Iloraz różnicowy jest tangensem kąta 

β

 nachylenia siecznej wykresu funkcji f  przechodzącej 

przez punkty  

(

) (

)

0

0

0

0

, (

) ,

, (

)

x

f x

x

h f x

h

+

+

 do dodatniego kierunku osi  Ox  tj. 

                                                           

f

tg

x

β =

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Definicja 2. (

pochodna właściwa funkcji

Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  będzie określona przynajmniej w otoczeniu  

(

)

0

0

0

( )

:

,

0

O x

x

x

δ

=

− δ

+ δ

δ >

Pochodną właściwą 

 funkcji  f  w punkcie  

0

x

 nazywamy granicę właściwą 

 

background image

 

26 

 

                               

( )

(

) ( )

0

0

0

0

0

lim

lim

def

x

h

f x

h

f x

f

f

x

x

h

∆ →

+ −

=

=

Uwaga. Do oznaczenia pochodnej funkcji  f  w punkcie  

0

 stosowany jest także symbol 

( )

0

df

x

dx

, a funkcję  nazywamy różniczkowalną w tym punkcie. 

 

2. Interpretacja geometryczna pochodnej 

Niech  

α

 oznacza kąt między styczną do wykresu funkcji  f   w punkcie  

(

)

0

0

, ( )

x

f x

 z 

dodatnim kierunkiem osi Ox . Wtedy     
                                                  

( )

0

f

x

tg

= α

 
 
 
 
 
 
 
 
Równanie stycznej do wykresu funkcji f w punkcie 

(

)

0

0

, ( )

x

f x

 ma postać: 

 
                                            

( )

( )(

)

0

0

0

y

f x

f

x

x

x

=

+

 

 
3. Interpretacja fizyczna pochodnej 

 
Niech  

( )

s

s t

=

 oznacz drogę przebytą przez ciało w czasie 

(

)

,

0

t

t

Wówczas iloraz różnicowy   

(

) ( )

0

0

s t

t

s t

t

+ ∆ −

  określa średnią prędkość w przedziale  

0

0

;

t t

t

+ ∆

   tj. 

(

) ( )

0

0

+ ∆ −

=

sr

s t

t

s t

v

t

  , natomiast  pochodna  

( )

(

) ( )

0

0

0

0

lim

t

s t

t

s t

s t

t

∆ →

+ ∆ −

=

 

określa tzw. prędkość chwilową  w chwili 

0

t

.  Mamy zatem  

( ) ( )

0

0

=

v t

s t

 

 
4. Pochodne jednostronne funkcji
 

 
Definicja 3. (

pochodne jednostronne  właściwe  funkcji

Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  będzie określona przynajmniej w lewostronnym otoczeniu  

punktu 

0

x

 :

(

0

0

0

( )

;

0

O x

x

x

δ

=

− δ

δ >

Pochodną lewostronną właściwą 

 funkcji  f  w punkcie  

0

x

 nazywamy granicę właściwą 

 

                               

( )

(

) ( )

0

0

0

0

0

lim

lim

def

x

h

f x

h

f x

f

f

x

x

h

∆ →

+ −

=

=

 

background image

 

27 

 

Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  będzie określona przynajmniej w prawostronnym 

otoczeniu  punktu 

0

 :

)

0

0

0

( )

:

,

0

O

x

x

x

+

δ

=

+ δ

δ >

 
Pochodną prawostronną właściwą 
 funkcji  f  w punkcie  

0

 nazywamy granicę właściwą 

 

                               

( )

(

) ( )

0

0

0

0

0

lim

lim

def

x

h

f x

h

f x

f

f

x

x

h

+

+

+

∆ →

+ −

=

=

 
Przykład 1. 
Obliczyć pochodne jednostronne funkcji  

( )

f x

x

=

   w punkcie  

0

0

x

=

 
Rozwiązanie. 

Pochodna lewostronna: 

( )

0

0

0

0

0

lim

lim

1

def

h

h

h

h

f

h

h

+ −

=

=

= −

, gdyż  

0

h

<

Pochodna prawostronna: 

( )

0

0

0

0

0

lim

lim

1

def

h

h

h

h

f

h

h

+

+

+

+ −

=

=

=

, gdyż  

0

h

>

 

( Przypomnijmy, że   

0,

0.

h

gdy h

h

h

gdy h

=

<

    ) . 

 
 
 
 
 
 
 
 
Twierdzenie 1. 

warunek konieczny i dostateczny istnienia pochodnej )

 

Pochodna funkcji  

( )

0

f

x

 istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy 

                                                

( )

( )

0

0

f

x

f

x

+

=

 
Twierdzenie 2. 

warunek konieczny  istnienia pochodnej )

 

Jeżeli funkcja   ma pochodną właściwą

( )

0

f

x

 , to  funkcja ta jest ciągła w punkcie  

0

 
Uwaga. 
Funkcję 

 mającą pochodną  

( )

f

x

 w każdym punkcie 

x

 przedziału 

( )

;

a b

 nazywamy 

funkcją różniczkowalną  w tym przedziale. 
 

 
 
 
 
 
 

background image

 

28 

 

5. Pochodne  funkcji elementarnych 
 
 

 

                          Wzór 
 

           Zakres zmienności 
 

                  

( )

0

c

′ =

 

              c

R

 

 

                  

( )

1

x

x

α

α−

′ = α

 

             

R

α ∈

 

 

                   

(

)

sin

cos

x

x

′ =

                 

              x

R

 

                   

(

)

cos

sin

x

x

′ = −

                

              x

R

 

                   

( )

2

1

cos

tgx

x

′ =

 

     
            

1
2

,

x

k

k

Z

≠ π + π

 

                   

(

)

2

1

sin

ctgx

x

′ =

 

     
            

,

x

k

k

Z

≠ π

 

                  

( )

ln

x

x

a

a

a

′ =

 

            

, 0

1

x

R

a

< ≠

 

                  

( )

x

x

e

e

′ =

 

             x

R

 

 

                 

(

)

1

log

ln

a

x

x

a

′ =

 

 

 
          

0 ,

0,

1

x

a

a

>

>

 

 

                   

( )

1

ln x

x

′ =

 

 
               

0

x

>

                   

               

(

)

2

1

arcsin

1

x

x

′ =

 

 
           

(

)

1;1

x

∈ −

 

               

(

)

2

1

arccos

1

x

x

′ =

 

 
           

(

)

1;1

x

∈ −

 

               

(

)

arc tgx

′ =

2

1

x

+

 

 
               x

R

 

               

(

)

arc ctgx

′ =

2

1

x

+

 

 
               x

R

 

 
 
 
 
 
 

background image

 

29 

 

6. Twierdzenia o pochodnych 
 

Jeżeli funkcje   oraz     mają pochodne w punkcie 

x

 , to 

1.     

(

)

(

)

( )

( )

c f x

c f x

=

 ,    

0

c

2.    

(

)

( )

( )

( )

( )

f x

g x

f x

g x

+

=

+

3.     

(

)

( )

( )

( )

( )

( )

( )

f x

g x

f x

g x

f x

g x

=

+

4.      

2

( )

( )

( )

( )

( )

,

( )

0 .

( )

( )

f x

f x

g x

f x g x

g x

g x

g

x

=

 

5.   (o pochodnej funkcji złożonej) 
       
Jeżeli funkcja  

( )

u

g x

=

 ma pochodną

  

( )

g x

 oraz funkcja  

( )

y

f u

=

 ma pochodną 

      

( )

f

u

, to funkcja złożona   

(

)

( )

y

f g x

=

 ma pochodną 

                                         

( ) ( )

(

) ( )

( )

y

f

u

g x

f

g x

g x

=

=

 
Uwaga. 
Funkcję   f  nazywamy funkcją   „zewnętrzną” zaś  funkcję  g  funkcją  „wewnętrzną” 
Zatem pochodna funkcji złożonej jest równa iloczynowi pochodnej funkcji zewnętrznej i 
pochodnej funkcji wewnętrznej. 
 
Przykład 2. 
Korzystając z reguł różniczkowania obliczyć pochodne podanych funkcji: 

a)  

3

2

4

15

7

9

y

x

x

x

=

+

+

,    b)   

3

3

2

1

3

2

y

x

x

x

=

+

  ,     c)  

2

sin

y

x

x

=

  ,                                                      

d)   

2

4

3

2

1

x

x

y

x

+

=

+

,    e)  

(

)

4

5

3

y

x

=

,    f) 

2

3

5

x

y

e

+

=

 ,  g)  

2

ln(

1)

y

x

=

+

 .  

h) 

(

)

3

sin 5

y

x

=

,   i)  

arcsin 2

y

x

=

,   j)   y

=

arctg  . 

Rozwiązanie: 

a)  

(

) ( )

( )

( ) ( )

3

2

3

2

2

2

4

15

7

9

4

15

7

9

4 3

15 2

7 1 0

12

30

7.

y

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

′ =

+

+

=

+

+

= ⋅

+ ⋅

− ⋅ + =

=

+

 

b)    

( )

( )

5

3

1

2

3

2

2

3

2

2

3

3

3

5

1

2

1

2

2

3

2 3

3

6

2

3

2

y

x

x

x

x

x

x

x

x

x

′ =

+

= ⋅

− −

+ ⋅ −

=

+

c)  Stosujemy wzór na pochodną iloczynu dwóch funkcji: 

     

(

) ( )

(

)

2

2

2

2

sin

sin

sin

2 sin

cos

y

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

′ =

=

+

=

+

d)  Stosujemy wzór na pochodną ilorazu dwóch funkcji: 

       

(

) (

) (

)(

)

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

2

4

2

4

4

2

3

2

2

4

4

5

4

2

4

3

2

1

3

2

1

6

2

1

3

2

4

1

1

6

6

6

2

.

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

x

x

x

x

x

x

+

+ −

+

+

+

+ −

+

′ =

=

=

+

+

+

+

=

+

 

 

background image

 

30 

 

e)  Zauważmy, że   

4

,

5

3

y

u

u

x

=

=

 . Zatem na podstawie twierdzenia o pochodnej 

     funkcji złożonej mamy :  

( )

(

)

(

)

(

)

3

3

4

3

5

3

4

5

4 5

3

5

20 5

3

y

u

x

u

x

x

′ =

=

⋅ =

⋅ =

f)  Zauważmy, że   

2

,

3

5

u

y

e

u

x

=

=

+

 . Zatem na podstawie twierdzenia o pochodnej 

     funkcji złożonej mamy :  

( ) (

)

2

2

3

5

3

5

6

6

.

u

u

x

y

e

x

e

x

x e

+

′ =

+

= ⋅

=

 

g) Mamy :  

2

ln

,

1

y

u

u

x

=

=

+

 . Na podstawie twierdzenia o pochodnej funkcji złożonej 

jest:    

( )

(

)

2

2

2

1

1

2

ln

1

2

2

1

1

x

y

u

x

x

x

u

x

x

′ =

+

= ⋅

=

=

+

+

h)  Funkcja jest potrójnie złożona :  

3

,

sin

,

5

y

u

u

t

t

x

=

=

=

    Na podstawie twierdzenia o pochodnej funkcji złożonej mamy: 

    

( )

(

) ( )

(

)

2

3

2

sin

5

3

cos

5 15 sin 5

cos 5

y

u

t

x

u

t

x

x

′ =

=

⋅ =

i)  Jest to funkcja złożona :   y

=

arcsin u

 ,  

2

u

x

=

.  

Na podstawie twierdzenia o pochodnej funkcji złożonej mamy: 

 

(

) ( )

2

2

1

2

arcsin

2

2

1

1 4

y

u

x

u

x

=

=

⋅ =

j)  Jest to funkcja złożona :   y

=

arc tg

u

 ,   u

x

=

.  

 
Na podstawie twierdzenia o pochodnej funkcji złożonej mamy: 

y

(arctg

′ =

( )

(

)

2

1

1

1

1

)

1

1

2

1

2

2

x

u

x

u

x

x

x

x

x

′⋅

=

=

=

+

+

+

Zadanie 1. 
Korzystając z reguł różniczkowania obliczyć pochodne podanych funkcji: 

a)

5

3

2

3

4

2

y

x

x

x

=

+

+

;  b)  

2

2

2

4

1

x

x

y

x

+

=

;  c)

x

y

x e

=

;  d)  

2

1

y

x

x

=

+

 

e)   

(

)

5

2

3

y

x

=

+

;  f)   

(

)

5

cos 3

y

x

=

;  g)   

sin x

y

e

=

  ;   h) 

ln(cos )

y

x

=

, i)  

arcsin 4

y

x

=

,       

j)  

y

=

arctg

( )

2

x

 . 

 
Odpowiedzi. 

a) 

4

3

3

2

2

6

20

3

y

x

x

x

′ =

+

  ;  b)

(

)

2

2

2

2

10

2

1

x

x

y

x

+

′ =

  ;  c) 

(

)

2

3

3

x

y

e

x

x

′ =

+

 ; d) 

2

2

1 2

1

x

y

x

+

′ =

+

  ;  

e)

(

)

4

2

10

3

y

x x

′ =

+

; f)

(

)

4

15 cos 3

sin 3

y

x

x

′ = −

 ; g)

si n

cos

x

y

x e

′ =

 ; h) 

sin

cos

x

y

x

′ =

= −

tg

x

i)  

2

4

1 16

y

x

′ =

 ,  j)  

4

2

1

x

y

x

′ =

+

 
Przykład 3. 
Napisać równania stycznych do krzywych: 

a)  

2

( )

2

6

3

f x

x

x

=

+

   w punkcie  o  odciętej   

0

1

x

=

  , 

b)   ( )

ln

f x

x

=

  w punkcie  o  odciętej  

0

1

x

=

 . 

 

background image

 

31 

 

Rozwiązanie:  
Równanie stycznej do wykresu funkcji   w punkcie 

(

)

0

0

, ( )

x

f x

 ma postać: 

                                       

( )

( )(

)

0

0

0

y

f x

f

x

x

x

=

+

a)     (1)

1 ,

( )

4

6 ,

(1)

2

f

f x

x

f

= −

=

= −

 .  

   Równanie stycznej:   

(

)

1 2

1

y

x

= − −

  tj.   

2

1

y

x

= − +

b)   

1

(1)

ln1

0 ,

( )

,

(0) 1

f

f x

f

x

=

=

=

=

 .  

   Równanie stycznej:   

(

)

0 1

1

y

x

= + ⋅ −

  tj.   

1

y

x

= −

Zadanie 2. 
Napisać równania stycznych do krzywych: 

a)  

2

( )

4

f x

x

=

   w punkcie  o  odciętej   

0

2

x

=

  , 

b)   ( )

x

f x

e

=

  w punkcie  o  odciętej  

0

0

x

=

 . 

Odpowiedzi. 
a)  

4

8

y

x

=

  ;    b)   

1

y

x

= +

 

 
7. Różniczka funkcji
 

 
Definicja 4 (
różniczka funkcji
 Niech funkcja 

( )

y

f x

=

  będzie określona i różniczkowalna  przynajmniej w pewnym 

otoczeniu 

0

(

)

O x

δ

 punktu  

0

 . Różniczką funkcji  f  w punkcie 

0

 nazywamy wyrażenie 

                                                 

( )

0

def

dy

df

f

x dx

=

=

gdzie  

0

dx

x

x

x

h

= ∆ = − =

 jest przyrostem argumentu. 

Wyrażenie   

(

) ( )

0

0

f

f x

x

f x

∆ =

+ ∆ −

 nazywamy przyrostem funkcji

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Wniosek 
Dla dostatecznie małych przyrostów   x

  zachodzi przybliżony wzór: 

                        
                     

( )

0

f

f

x

x

∆ ≈

⋅∆

    tj.      

(

)

( )

( )

0

0

0

f x

x

f x

f

x

x

+ ∆ ≈

+

⋅∆

 . 

 
Przykład 4.  
Korzystając z różniczki funkcji obliczyć przybliżone wartości podanych wyrażeń. 
Porównać otrzymane wyniki za pomocą kalkulatora. 

a)   25, 03  ,   b)    

4

15, 96   ,   c)     ln1, 07 .   

 

background image

 

32 

 

Rozwiązanie. 
W obliczeniach przybliżonych stosujemy wzór: 

(

)

( )

( )

0

0

0

f x

x

f x

f

x

x

+ ∆ ≈

+

⋅∆

 . 

a)  Przyjmujemy :   

0

( )

,

25 ,

0, 03

f x

x

x

x

=

=

∆ =

.  Mamy  

0

0

0

1

1

1

(

)

25

5 ,

( )

10

2

2 25

f x

f x

x

=

=

=

=

=

 . Zatem 

25, 03

 

( )

( )

0

0

1

5

0, 03

5, 003

10

f x

f

x

x

+

⋅∆ = +

=

 . 

Wynik na kalkulatorze:   25.03

5, 002999....

=

 

b)   Przyjmujemy :   

4

0

( )

,

16 ,

0, 04

f x

x

x

x

=

=

∆ = −

.  Mamy  

4

0

0

3

3

4

4

0

1

1

1

1

(

)

16

2 ,

(

)

4 8

32

4

4 16

f x

f x

x

=

=

=

=

=

=

 . Zatem 

4

15.96

 

( )

( )

1

0

0

800

1

2

0, 04

2

1, 99875

32

f x

f

x

x

+

⋅∆ = −

= −

=

 . 

Wynik na kalkulatorze:  

4

15, 96

1, 9987488...

=

 

c)  Przyjmujemy :   

0

( )

ln

,

1 ,

0, 07

f x

x

x

x

=

=

∆ =

.  Mamy  

(

)

0

0

0

0

1

(

)

ln1

0 ,

( )

ln

1 ,

0, 07

f x

f x

x

x

x

=

=

=

=

=

∆ =

 . 

 Zatem 

ln1, 07

 

( )

( )

0

0

0 1 0, 07

0, 07

f x

f

x

x

+

⋅∆ = + ⋅

=

 . 

Wynik na kalkulatorze:   ln1, 07

0, 067658....

=

Zadanie 3. 
Korzystając z różniczki funkcji obliczyć przybliżone wartości podanych wyrażeń. 
Porównać otrzymane wyniki za pomocą kalkulatora. 

a)   16, 03  ,   b)    

3

63, 96   ,   c)     ln 0, 97 . 

Odpowiedzi. 

a)

    

3

800

16, 03

4

4, 00375

≈ +

=

 ,   wynik na kalkulatorze:   16, 03

4, 003748244...

=

b)    

1

3

300

63,96

4

3,996666..

≈ −

=

  ,wynik na kalkulatorze:  

3

63, 96

3, 999166493...

=

   

c)      ln 0, 97

0, 03

≈ −

  ,  wynik na kalkulatorze:   ln 0, 97

0, 030459207...

= −

 

8. Pochodne wyższych rzędów.    

 
Definicja 5 
Pochodną rzędu  

n  definiujemy indukcyjnie: 

                                        

( )

(

)

( )

(

1)

0

0

(

)

def

n

n

f

x

f

x

=

   ,   

{ }

0

n

N

∈ ∪

gdzie przyjmujemy, że 

(0)

0

0

(

)

(

)

f

x

f x

=

 . 

Oznaczenia:    

(1)

0

0

(

)

(

)

f

x

f x

=

  (pierwsza pochodna), 

(2)

0

0

(

)

(

)

f

x

f

x

′′

=

 (druga pochodna)   ,    

(3)

0

0

(

)

(

)

f

x

f

x

′′′

=

 (trzecia pochodna) , 

(4)

0

(

)

f

x

   (czwarta pochodna)… itd.         

Uwaga. 
Dla istnienia  

n – tej  pochodnej konieczne jest istnienie pochodnej  rzędu 

1

n

 ( i co za tym 

idzie wszystkich poprzednich pochodnych) .     

background image

 

33 

 

 
Interpretacja fizyczna drugiej pochodnej 
 
Jak wiadomo, jeżeli  

( )

s

s t

=

 oznacz drogę przebytą przez ciało w czasie 

(

)

,

0

t

t

, to 

wówczas  

( )

s t

 określa  prędkość chwilową ciała w momencie    , tj.  

( ) ( )

=

v t

s t

.  

Druga pochodna  drogi względem czasu  określa tzw. przyśpieszenie ruchu  tj.  
                                                     

( )

( )

a t

s t

′′

=

gdzie  

a

 oznacza  przyśpieszenie. 

 
Przykład 5. 
1. 
 Obliczyć pochodne  

,

f

f

′′

   dla funkcji: 

a)   

3

2

( )

4

5

7

13

f x

x

x

x

=

+

+

 ;   b)   ( )

sin

f x

x

=

 ;   c)   

2

( )

x

f x

x e

=

2.  Sprawdzić, czy funkcja spełnia podane równanie  : 

a)   

sin

x

y

e

x

=

  ,                         

2

2

0

y

y

y

′′

+

=

  , 

c)   

x

x

y

a e

b e

= ⋅

+ ⋅

  ,           

3

2

0

y

y

y

′′

+

+

=

  . 

Rozwiązanie: 
 
1.
   
a) Obliczamy kolejno: 

2

( )

12

10

7 ,

( )

24

10

f x

x

x

f

x

x

′′

=

+

=

+

b)  Mamy:  

(

)

(

)

( )

sin

cos

,

( )

cos

sin

f x

x

x

f

x

x

x

′′

=

=

=

= −

c)  Stosujemy wzór na pochodną iloczynu dwu funkcji . 

( )

( )

( ) ( )

(

)

2

2

2

2

2

2

2

( )

2

,

( )

2

2

2

2

2

4

2 4

.

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f x

x

e

x

e

xe

x e

f

x

xe

x e

e

xe

xe

x e

e

xe

x e

e

x

x

′′

=

+

=

+

=

+

=

+

+

+

=

=

+

+

=

+

+

2.   
 a)  Obliczmy kolejno:  

 

(

)

(

)

sin

sin

cos

,

sin

cos

sin

cos

cos

sin

2

cos .

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

e

x

e

x e

x

y

e

x e

x

e

x e

x e

x e

x

e

x

′′

=

=

+

=

+

=

=

+

+

=

    

Mamy:     

  

(

)

2

2

2

cos

2

sin

cos

2

sin

0

x

x

x

x

y

y

y

e

x

e

x

e

x

e

x

′′

+

=

+

+

=

  .  

Zatem funkcja

     

sin

x

y

e

x

=

 spełnia równanie  

   

2

2

0

y

y

y

′′

+

=

b)   

(

)

(

)

2

2

2

2

2

,

2

4

.

x

x

x

x

x

x

x

x

y

a e

b e

ae

be

y

ae

be

ae

be

′′

= ⋅

+ ⋅

= −

= −

=

+

 

(

) (

)

2

2

2

3

2

4

3

2

2

0

x

x

x

x

x

x

y

y

y

ae

be

ae

be

ae

be

′′

+

+

=

+

+ −

+

+

=

 . 

Zatem funkcja  

x

x

y

a e

b e

= ⋅

+ ⋅

 spełnia równanie   

3

2

0

y

y

y

′′

+

+

=

  . 

Zadanie 4. 
1. 
 Obliczyć pochodne  

,

f

f

′′

   dla funkcji: 

a)   

4

2

( )

5

3

5

f x

x

x

=

+

 ;   b)   ( )

cos

f x

x

x

=

 ;   c)   

3

( )

x

f x

x e

=

2.  Sprawdzić, czy funkcja spełnia podane równanie  : 

a)   

cos

x

y

e

x

=

  ,     

2

2

0

y

y

y

′′

+

=

  , 

c)   

x

y

xe

=

  ,           

x

y

y

e

′′

− =

  . 

background image

 

34 

 

Odpowiedzi. 
1.   
a)   

3

2

( )

20

6

,

( )

60

6

f x

x

x

f

x

x

′′

=

=

 ; 

      b)  

( )

cos

sin

,

( )

2 sin

cos

f x

x

x

x

f

x

x

x

x

′′

=

= −

      c)   

(

)

(

)

2

3

2

3

3

2

( )

3

3

,

( )

6

6

x

x

x

x

f x

x e

x e

x

x

e

f

x

x

x

x e

′′

=

+

=

+

=

+

+

 . 

 2.   Obie funkcje spełniają podane równania.      
 

Wzór Leibniza

      

 
Twierdzenie 
(wzór Leibniza)    
Załóżmy, że funkcje    i     mają wszystkie pochodne aż do rzędu  

n

 włącznie w 

przedziale

( )

;

a b

.

  Wówczas  n ta

 pochodna  ich iloczynu wyraża się wzorem: 

(

)

( )

( )

(

1)

(

2

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( ) ...

( )

( )

1

2

n

n

n

n

n

n

n

n

f x g x

f

x g x

f

g x

f

x g x

f x g

x

n

 

 

 

′′

=

+

+

+ +

 

 

 

 

 

 

 
Przykład. 
Stosując wzór Leibniza znaleźć  n tą

 pochodną funkcji   ( )

x

h x

xe

=

 
Rozwiązanie. 
Przyjmijmy   ( )

,

( )

x

f x

e

g x

x

=

=

. Wówczas   ( )

( ) ( )

h x

f x g x

=

Mamy: 

( )

( )

,

( )

, ...,

( )

x

x

n

x

f x

e

f

x

e

f

x

e

′′

=

=

=

  oraz   

( )

( )

1 ,

( )

0,...,

( )

0

n

g x

g x

g

x

′′

=

=

=

Stosując wzór Leibniza mamy: 

  

(

)

( )

( )

( ( ))

(

)

1

0

...

0

1

2

n

x

n

x

x

x

x

x

x

x

n

n

n

h x

xe

xe

e

e

e

xe

ne

e

x

n

n

 

 

 

=

=

+

⋅ ⋅ +

⋅ ⋅ + +

⋅ ⋅ =

+

=

+

 

 

 

 

 

 

.    

 

                          Pochodne  wyższych rzędów ważniejszych funkcji. 
 

 

                      

Wzór

 

      

Zakres zmienności

 

                      

( )

( )

n

x

x

e

e

=

 

              

x

R

 

 

 
              

(

)

(

)

( )

1
2

sin

sin

n

x

x

n

=

+ π

 

 
              

x

R

 

 
              

(

)

(

)

( )

1
2

cos

cos

n

x

x

n

=

+ π

 

 
               

x

R

 

      

              

( )

1

( )

( 1)

(

1)!

ln

n

n

n

n

x

x

=

 

 

 
               

0

x

>

 

 
 
 

background image

 

35 

 

 
9. Interpretacja ekonomiczna pochodnej
 

 
Załóżmy, że 

( )

K x

 jest funkcją kosztu całkowitego, gdzie 

x

 wielkość produkcji (

0

x

>

). 

Niech 

( )

K x  ma pochodną  

( )

K x

Definicja 6 
Liczbę 

                                               

( )

(

)

( )

0

0

0

0

lim

x

K x

x

K x

K x

x

∆ →

+ ∆ −

=

 

 
nazywamy  

kosztem krańcowym (marginalnym), gdzie 

0

 - ustalony poziom produkcji. 

 
Przyrost 

(

)

( )

0

0

K

K x

x

K x

∆ =

+ ∆ −

 kosztu całkowitego jest równy w przybliżeniu różniczce 

kosztu całkowitego tj.    

(

)

( )

( )

0

0

0

K x

x

K x

K x

x

+ ∆ −

⋅∆

Kładąc 

1

x

∆ =

 otrzymujemy: 

(

)

( )

( )

0

0

0

1

K x

K x

K x

+ −

Oznacza to, że 

koszt krańcowy 

( )

0

K x

 jest w przybliżeniu równy 

kosztowi wytworzenia 

dodatkowej jednostki produktu przy poziomie produkcji  

0

 
Kosztem przeciętnym (jednostkowym) 
nazywamy funkcję: 

                                                     

( )

( )

K x

k x

x

=

gdzie  

( )

K x  jest funkcją kosztu całkowitego, a  

(

)

0

x

>

 jest wielkością produkcji. 

 

10.Tempo wzrostu funkcji  i elastyczność funkcji 

 
Niech 

( )

y

f x

=

będzie funkcją określoną i różniczkowalną dla 

0

x

>

, przyjmującą wartości 

dodatnie. 
Przyrost względny funkcji    odpowiadający przyrostowi argumentu 

                                                

(

) ( )

( )

f x

h

f x

f

f

f x

+ −

∆ =

 .      

Przyrost względny argumentu x:   

x

h

x

x

∆ =

Załóżmy w dalszym ciągu, że  

0

0

x

 oraz  

( )

0

0

f x

 
Definicja 7 
Tempem wzrostu funkcji  
w punkcie 

0

 nazywamy liczbę 

                                

( )

( )

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

(

)

(

)

(

)

(

)

1

(

)

lim

:

lim

(

)

(

)

f

h

h

f x

h

f x

f x

h

f x

f x

T

x

h

h

f x

f x

f x

+ −

+ −

=

=

=

 
 
 

background image

 

36 

 

Elastycznością funkcji  f  w punkcie 

0

x

 nazywamy liczbę 

                               

0

0

0

0

0

0

0

0

0

(

)

(

)

(

)

(

)

lim

:

(

)

(

)

x

h

f x

h

f x

h

x

f x

E f x

f x

x

f x

+ −

=

=

Interpretacja elastyczności funkcji 
Elastyczność funkcji
  ( )

f x  w punkcie  

0

x  jest  przybliżoną miarą procentowego przyrostu 

(wzrostu lub spadku) wartości funkcji  ( )

f x  odpowiadającego przyrostowi argumentu  x          

o 1%. 
 W zależności od „siły” tej reakcji funkcja w punkcie 

0

 może być nieelastyczna, neutralna 

bądź elastyczna. O funkcji, dla której: 

   

0

( )

1

x

E f x

<

  mówimy, że jest 

nieelastyczna w punkcie 

0

 - procentowy wzrost 

argumentu od 

0

 powoduje przyrost wartości funkcji o mniej niż 1%, 

   

0

( )

1

x

E f x

=

  mówimy, że jest 

neutralna w punkcie 

0

 - procentowy wzrost argumentu 

od 

0

 powoduje przyrost wartości funkcji o 1%, 

   

0

( )

1

x

E f x

>

  mówimy, że jest 

elastyczna w punkcie 

0

 - procentowy wzrost argumentu 

od 

0

 powoduje przyrost wartości funkcji o więcej niż 1%. 

 
Twierdzenie 4. 
Jeżeli funkcje  f  i   są różniczkowalne w punkcie x oraz 

( )

0

f x

 i 

( )

0

g x

, to 

1.  

(

)

( )

( )

x

x

x

E

f g

E

f

E

g

=

+

      Elastyczność iloczynu funkcji  f  i   jest równa sumie elastyczności funkcji  f  i  
      elastyczności funkcji  g
2. 

(

)

( )

( )

/

x

x

x

E

f g

E

f

E

g

=

      Elastyczność ilorazu funkcji  f  i   jest równa różnicy elastyczności funkcji  f  i 
      elastyczności funkcji  g
 
 

3.  

(

)

( )

( )

x

x

x

f E

f

g E

g

E

f

g

f

g

+ ⋅

+

=

+

      Elastyczność sumy funkcji  f  i   jest równa średniej ważonej elastyczności funkcji  f  i 
      elastyczności funkcji  g
 
Przykład 6. 
Koszt całkowity  produkcji wytworzenia  jednostek  produktu w pewnym przedsiębiorstwie 
wyraża się wzorem:    

3

( )

2500 50

0, 01

, (

0)

K x

x

x

x

=

+

>

a)

 

obliczyć koszt krańcowy przy poziomie produkcji  

0

10

x

=

b)

 

obliczyć elastyczność  kosztu całkowitego przy tym poziomie produkcji, 

Podać ich interpretacje ekonomiczne. 
Rozwiązanie: 
a) Koszt krańcowy:   

(

)

3

2

( )

2500 50

0, 01

50 0, 03

,

(10)

50 0, 03 10

47

K x

x

x

x

K

=

+

=

=

⋅ =

Przybliżony koszt wytworzenia dodatkowej jednostki produktu przy poziomie produkcji 

0

10

x

=

wynosi 47  (jednostek pieniężnych). 

background image

 

37 

 

b)  Elastyczność kosztu całkowitego jest równa: 
                                           

(

)

2

3

50 0, 03

( )

470

( )

,

(10)

0,157

( )

2500 50

0, 01

2990

x

x

x

x

x K x

E K x

E K

K x

x

x

=

=

=

+

Oznacza to, że jeżeli produkcji wzrośnie od 10  o 1% to koszt całkowity w przybliżeniu 
wzrośnie o około 0,16%. 
 
Przykład 7. 
Funkcja kosztów przeciętnych pewnego przedsiębiorstwa wyraża się wzorem: 

                 

2

800

( )

0, 02

14

k x

x

x

=

+ +

,     

(

)

0

x

>

Znaleźć elastyczność kosztu przeciętnego i kosztu całkowitego. Jaki związek zachodzi 
między nimi? 
Rozwiązanie: 
Ponieważ     

( )

( )

K x

k x

x

=

,  więc   

2

3

800

( )

( )

0, 02

14

0, 02

14

800

K x

x k x

x

x

x

x

x

= ⋅

=

+ +

=

+

+

 . 

Zatem  

3

( )

0, 02

14

800

K x

x

x

=

+

+

 . 

Obliczmy kolejno:  

3

2

2

3

2

800

0, 04

800

( )

0, 04

800

( )

0, 04

,

( )

800

( )

0, 02

14

800

0.02

14

x

x

x

x k x

x

x

k x

x

E k x

x

k x

x

x

x

x

=

=

=

=

+

+

+ +

(

)

2

3

2

3

3

0, 06

14

( )

0, 06

14

( )

0, 06

14 ,

( )

( )

0, 02

14

800

0, 02

14

800

x

x

x

x K x

x

x

K x

x

E K x

K x

x

x

x

x

+

+

=

+

=

=

=

+

+

+

+

Zauważmy, że  
                        

( )

( )

1

x

x

E K x

E k x

=

Zatem między elastycznością kosztu całkowitego a elastycznością kosztu przeciętnego 
zachodzi zależność: 
                                           

( )

( ) 1

x

x

E K x

E k x

=

+

Uwaga. 
Zależność ta zachodzi dla dowolnej funkcji kosztu całkowitego i odpowiadającej jej funkcji 
kosztu przeciętnego. 
Zadanie 5. 
Koszt całkowity wyprodukowania  

x

 jednostek pewnego towaru wyraża się wzorem: 

                                                  

3

( )

0,1

10

200,

0.

K x

x

x

x

=

+

+

>

 

a)  Przy jakiej wielkości produkcji koszt przeciętny wyprodukowania jednej jednostki tego 
towaru będzie równy kosztowi krańcowemu ?  
b)  Dla tej wielkości produkcji obliczyć elastyczność kosztu całkowitego. 
Odpowiedź.  a)    

10

x

=

  ;    b)   

(10) 1

x

E K

=

  .

       

 
 
 
 

background image

 

38 

 

II. Twierdzenia o wartości średniej 
 

Twierdzenie 1.  (Rolle’a

Jeżeli funkcja  spełnia warunki: 

1.

 

jest ciągła w przedziale domkniętym

;

a b

2.

 

jest różniczkowalna w przedziale otwartym  

( )

;

a b

3.

 

( )

( )

f a

f b

=

to istnieje punkt  

( )

;

c

a b

  taki, że   

( )

0

f

c

=

 
Interpretacja geometryczna. 
Na wykresie funkcji ciągłej w przedziale domkniętym, mającą pochodną wewnątrz tego 
przedziału i przyjmującą jednakowe wartości na jego końcach, istnieje punkt, w którym 
styczna jest równoległa do osi Ox  ( jest pozioma). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                               

Ilustracja twierdzenia Rolle´a 

 

Twierdzenie 2.  (o przyrostach ,Lagrange’a

Jeżeli funkcja  spełnia warunki: 

1.

 

jest ciągła w przedziale domkniętym

;

a b

2.

 

jest różniczkowalna w przedziale otwartym  

( )

;

a b

to istnieje punkt  

( )

;

c

a b

  taki, że  

  

( )

( ) ( )

f b

f a

f

c

b a

=

Interpretacja geometryczna. 
Na wykresie funkcji ciągłej w przedziale domkniętym, mającą pochodną wewnątrz tego 
przedziału , istnieje punkt, w którym styczna do wykresu jest równoległa do siecznej łączącej 
jego końce 
 

 

 
 
 
 
 

                                                     Ilustracja twierdzenia Lagrange´a 

 

background image

 

39 

 

Przykład. 

1.  Sprawdzić, czy podana funkcja spełnia założenia twierdzenia Lagrange

’a  i wyznaczyć 

punkt 

c

 występujący w tezie twierdzenia: 

                                       

1

( )

,

0;3

1

f x

x

x

=

+

  .   

2.   Korzystając z twierdzenia Lagrange

’a uzasadnić podaną nierówność: 

                             

ln(1

)

1

x

x

x

x

<

+ <

+

 dla każdego  

0

x

>

 
Rozwiązanie. 
 

1.  Funkcja     

1

( )

1

f x

x

=

+

  jest ciągła  w przedziale  

0;3

 i różniczkowalna w  

przedziale

( )

0;3

.Spełnia więc założenia twierdzenia Lagrange

’a. 

Pochodna  

2

1

( )

(1

)

f x

x

=

+

Istnieje więc taki punkt 

( )

0;

c

x

, że  

( )

( ) ( )

f b

f a

f

c

b a

=

( ) ( )

1
4

1

(3)

(0)

1

3 0

3

4

f b

f a

f

f

b a

=

=

= −

,      

2

1

( )

(1

)

f c

c

= −

+

                                     

( )

2

1

1

1

4

4

(1

)

f

c

c

= −

= −

+

Wynika stad, że    

2

(1

)

4

c

+

=

. Równanie to spełniają liczby  

1

c

=

  lub   

3

c

= −

Tylko liczba  

1

c

=

 spełnia warunki zadania  tj. 

( )

0;3

c

 .

 

2. 

 a)    Nierówność   

ln(1

)

1

x

x

x

x

<

+ <

+

 jest równoważna układowi nierówności: 

                                                    

ln(1

)

,

1

ln(1

).

x

x

x

x

x

+ >

+

>

+

       

0

x

>

 
 Rozpatrzmy pierwszą z nierówności: 

                                         

ln(1

)

1

x

x

x

<

+

+

,   

0.

x

>

 

Oznaczmy przez  

f

 funkcję daną wzorem :   

( )

ln(1

)

,

0

1

x

f x

x

x

x

=

+ −

>

+

. Wówczas nierówność 

ln(1

)

1

x

x

x

<

+

+

 jest równoważna nierówności    ( )

0

f x

>

  . Rozpatrzmy dowolny przedział  

0;

,

0

x

x

>

 Funkcja   ( )

ln(1

)

1

t

f t

t

t

=

+ −

+

jest ciągła w przedziale 

0; x

 i różniczkowalna w 

przedziale  

( )

0; x

, spełnia więc założenia twierdzenia Lagrange

’a. 

background image

 

40 

 

Mamy:    

2

2

1

1

( )

1

(1

)

(1

)

t

f t

t

t

t

′ =

=

+

+

+

 . Istnieje zatem  

( )

0;

c

x

 takie, że 

( )

(0)

( )

0

f x

f

f c

x

=

.   Ale    

2

( )

(1

)

c

f c

c

=

+

,     

( ) ( )

ln(1

)

0

1

0

x

x

f x

f

x

x

x

+ −

+

=

 
Zatem otrzymujemy równość: 

                                               

2

ln(1

)

1

(1

)

x

x

c

x

x

c

+ −

+ =

+

.     

Wynika stad, że        ln(1

)

0

1

x

x

x

+ −

>

+

 , gdyż   

2

0

(1

)

c

c

>

+

  i   

0.

x

>

 

Wobec dowolności  

x

 nierówność ta jest prawdziwa dla każdego 

0.

x

>

 

 
    W podobny sposób dowodzimy nierówności    

ln(1

)

x

x

>

+

  dla   

0.

x

>

 

W tym celu wprowadzamy funkcję   ( )

ln(1

)

g x

x

x

= −

+

. Wówczas          

                                     

ln(1

)

( )

0

x

x

g x

>

+

>

,    

0.

x

>

 

Funkcja   ( )

ln(1

)

g t

t

t

= −

+

jest ciągła w przedziale 

0;

x

 i różniczkowalna w przedziale  

( )

0;

x

, spełnia więc założenia twierdzenia Lagrange

’a. 

Mamy:    

1

( )

1

1

1

t

g t

t

t

′ = −

=

+

+

 . Istnieje zatem  

( )

0;

c

x

 takie, że 

( )

(0)

( )

0

f x

f

f c

x

=

.   Ale    

( )

1

c

f c

c

=

+

,     

( ) ( )

0

ln(1

)

0

f x

f

x

x

x

x

+

=

 
Zatem otrzymujemy równość: 

                                               

ln(1

)

1

x

x

c

x

c

+

=

+

.     

Wynika stad, że       

ln(1

)

0

x

x

+ >

 , gdyż   

0

1

c

c

>

+

  i   

0.

x

>

 

Wobec dowolności  

x

 nierówność ta jest prawdziwa dla każdego 

0.

x

>

 

  

Ostatecznie więc nierówność 

                                         

ln(1

)

1

x

x

x

x

<

+ <

+

  

jest  prawdziwa dla każdego  

0.

x

>

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

41 

 

Twierdzenie 3. Cauchy’ego

Jeżeli funkcje   oraz    spełniają  warunki: 

1.

 

są ciągłe w przedziale domkniętym

;

a b

2.

 

są  różniczkowalna w przedziale otwartym  

( )

;

a b

3.

 

( )

0

g x

 dla każdego  

( )

;

x

a b

 

to istnieje punkt  

( )

;

c

a b

  taki, że  

                                     

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

f b

f a

f c

g c

g b

g a

=

 

Twierdzenie i wzór Taylora 
 

Twierdzenie 4.  (Taylora
Jeżeli funkcja   spełnia warunki: 

1.

 

ma ciągłe pochodne do rzędu  (

1)

n

 włącznie w przedziale domkniętym 

0

;

x x

2.

 

ma pochodną rzędu 

n

 w przedziale  

(

)

0

;

x x

to istnieje taki punkt 

(

)

0

;

c

x x

, że 

  

(

1)

( )

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

(

)

(

)

(

)

( )

( )

(

)

(

)

(

)

...

(

)

(

) .

1!

2!

(

1)!

!

n

n

n

n

f x

f

x

f

x

f

c

f x

f x

x

x

x

x

x

x

x

x

n

n

′′

=

+

+

+ +

+

 
 

Uwaga. 

Twierdzenie powyższe jest prawdziwe także dla przedziału 

0

;

x x

, wtedy  

(

)

0

;

c

x x

Równość występująca w tezie twierdzenia nazywamy 

wzorem Taylora. 

Wyrażenie  

                                         

( )

0

( )

(

)

!

n

def

n

n

f

c

R

x

x

n

=

 

nazywamy  n tą

 resztą Lagrange

’a. 

 
     Niekiedy wygodniej jest zapisać wzór Taylora  wprowadzając  oznaczenie  

0

h

x

x

= −

Wówczas  

0

c

x

h

=

+ θ

 , gdzie   0

1

< θ <

. Ma on wtedy postać: 

       

(

1)

( )

2

1

0

0

0

0

0

0

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

...

.

1!

2!

(

1)!

!

n

n

n

n

f x

f

x

f

x

f

x

h

f x

h

f x

h

h

h

h

n

n

′′

+ θ

+ =

+

+

+ +

+

 

Reszta wyraża się wzorem: 
                                                   

                                         

( )

0

(

)

,

0

1

!

n

n

n

f

x

h

R

h

n

+ θ

=

< θ <

 
 
      Jeżeli we wzorze Taylora przyjmiemy  

0

0

x

=

, to otrzymujemy 

wzór Maclaurina

                     

(

1)

( )

2

1

(0)

(0)

(0)

(

)

( )

(0)

...

.

1!

2!

(

1)!

!

n

n

n

n

f

f

f

f

x

f x

f

x

x

x

x

n

n

′′

θ

=

+

+

+ +

+

 

background image

 

42 

 

                               Wzory Maclaurina dla niektórych funkcji elementarnych. 
 
 

                                               Wzór Maclaurina 
 
           

         

2

1

1

...

, 0

1

1!

2!

(

1)!

!

n

n

x

x

x

x

x

x

e

e

n

n

θ

= + +

+ +

+

< θ <

 

 

        

( )

( )

3

5

2

3

2

1

1

sin

...

1

1

cos

3!

5!

(2

3)!

(2

1)!

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

x

n

n

= −

+

− + −

+ −

θ

,    0

1

< θ <

 

 

      

( )

( )

2

4

2

2

2

1

cos

1

...

1

1

cos

2!

4!

(2

2)!

(2 )!

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

n

n

= −

+

− + −

+ −

θ

,    0

1

< θ <

 
 

     

( )

( )

2

3

1

1

ln(1

)

...

1

1

2

3

1

(1

)

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

n

n

x

+

+ = −

+

− + −

+ −

+ θ

,     0

1

< θ <

 

 

 
 
 
III. Zastosowania pochodnej do badania funkcji 
 

1. Monotoniczność funkcji 

 

Twierdzenie 4 (o monotoniczności funkcji
Niech 

I 

R

  oznacza dowolny przedział i niech funkcja   będzie określona i 

różniczkowalna w tym przedziale.  Jeżeli dla każdego 

x

 
1.  

( )

0

f

x

=

 , to  funkcja jest stała na

 I 

2.  

( )

0

f

x

>

 , to funkcja  f   jest rosnąca na  I  , 

3.  

( )

0

f

x

 , to funkcja  f   jest niemalejąca na  I  ,                  

4.  

( )

0

f

x

<

 , to funkcja  f   jest malejąca na  I  , 

3.  

( )

0

f

x

 , to funkcja  f   jest nierosnąca na  I  .                 

Uwaga. Jeżeli  

( )

0

f

x

 dla każdego 

x

I, przy czym równość  

( )

0

f

x

=

 jest spełniona 

tylko dla skończonej liczby punktów przedziału 

I , to funkcja  f jest rosnąca na I . Podobnie 

jest dla funkcji malejącej. 
 

background image

 

43 

 

Przykład 8. 
Znaleźć przedziały monotoniczności funkcji: 

3

2

( )

9

15

3 ,

f x

x

x

x

x

R

= −

+

+

Rozwiązanie. 

(

)(

)

2

( )

3

18

15

3

1

5 .

f x

x

x

x

x

=

+ =

 

Analizując wykres 

( )

f x

 (parabola) , stwierdzamy, że w przedziałach 

(

)

;1

−∞

 oraz  

(

)

5,

+∞

 

pochodna  

( )

f x

 jest dodatnia  a w przedziale  

( )

1;5

 

( )

f x

 jest ujemna. Zatem: 

-  funkcja jest rosnąca w przedziałach  

(

)

;1

−∞

 oraz  

(

)

5,

+∞

-  funkcja jest malejąca w przedziale   

( )

1;5

 

2. Reguła  de l`Hospitala 

Iloraz  

( )

( )

f x

g x

 nazywamy: 

a)  wyrażeniem nieoznaczonym typu 

0

0

 

 

 

 w punkcie  

0

, gdy

0

0

lim

( )

lim

( )

0

x

x

x

x

f x

g x

=

=

 ,   

oraz  

b)  wyrażeniem nieoznaczonym typu 

 w punkcie  

0

, gdy 

0

0

lim

( )

lim

( )

x

x

x

x

f x

g x

=

= ∞

.  

 
Do tego typu wyrażeń nieoznaczonych stosujemy następujące twierdzenie zwane 

regułą 

de l`Hospitala. 
 
Twierdzenie 6 
(reguła de l`Hospitala
Niech 

1.    funkcje  

,

f

f

g

g

 będą określone w sąsiedztwie 

( ) (

) { }

0

0

0

;

\

S

x

x

x

x

δ

=

− δ + δ

  

       punktu  

0

 , 

2.  

0

0

lim

( )

lim

( )

0

x

x

x

x

f x

g x

=

=

 albo  

0

0

lim

( )

lim

( )

x

x

x

x

f x

g x

=

= ∞

 (

−∞

 lub 

+∞

), 

3.   istnieje granica   

0

( )

lim

( )

x

x

f x

g x

 ( właściwa lub niewłaściwa). 

Wtedy       

0

0

( )

( )

lim

lim

( )

( )

x

x

x

x

f x

f x

g x

g x

=

 . 

Uwaga. Powyższe twierdzenie jest prawdziwe także dla granic jednostronnych w punkcie 

0

 

oraz dla granic w 

−∞

 lub  w 

 
Przykład 9. 
 
Korzystając z reguły de L`Hospitala obliczyć podane granice: 

a)  

5

1

1

lim

1

x

x

x

  ;    b)    

0

sin 3

lim

x

x

x

  ;   c)   

2

lim

x

x

e

x

→∞

  ;  d)   

ln

lim

x

x

x

→∞

 . 

 
 
 
 

background image

 

44 

 

Rozwiązanie: 

a)   Jest to granica typu  

0

0

 

 

 

:  

(

)

(

)

5

5

4

1

1

1

1

1

5

lim

lim

lim

5

1

1

1

H

x

x

x

x

x

x

x

x

− =

=

=

b)   Jest to granica typu  

0

0

 

 

 

:  

(

)

( )

0

0

0

sin 3

sin 3

3cos 3

lim

lim

lim

3

1

H

x

x

x

x

x

x

x

x

=

=

=

, (gdyż  

cos 0 1

=

). 

c)   Jest to granica typu  

:  

( )

( )

( )

( )

2

2

lim

lim

lim

lim

lim

2

2

2

x

x

x

x

x

H

H

x

x

x

x

x

e

e

e

e

e

x

x

x

x

→∞

→∞

→∞

→∞

→∞

=

=

=

=

= ∞

d)   Jest to granica typu  

:  

( )

( )

1

ln

ln

lim

lim

lim

0

1

H

x

x

x

x

x

x

x

x

→∞

→∞

→∞

=

=

=

 
Inne symbole nieoznaczone 
 
1
.  Iloczyn funkcji   

( ) ( )

f x g x

 nazywamy symbolem nieoznaczonym typu 

(

)

0

⋅∞

 w punkcie 

0

,  jeżeli  

0

lim

( )

0

x

x

f x

=

 oraz 

0

lim

( )

x

x

g x

= ∞

Symbol ten można sprowadzić do symboli 

0

0

 

 

 

  lub 

 przez nastę

pujące przekształcenia: 

( ) ( )

f x g x

=

 

( )

( )

1

f x

g x

   lub 

( ) ( )

f x g x

=

 

( )

( )

1

g x

f x

   . Otrzymujemy wówczas symbole 

odpowiednio  

0

0

 

 

 

  lub  

, do których możemy zastosować regułę de l`Hospitala. 

 
Przykład 10. 

a)  

( )

( )

( )

0

0

0

0

0

0

2

1

ln

ln

lim ln

lim

lim

lim

lim

0

1

1

1

H

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

+

+

+

+

+

⋅∞

=

=

=

=

− =

 

 

 

b)  

( )

( )

( )

0

1

lim

lim

lim

lim

0

x

x

x

x

x

H

x

x

x

x

x

xe

e

e

e

∞⋅

→+∞

→+∞

→+∞

→+∞

=

=

=

=

 

2.   Wyrażenie    

( )

( )

g x

f x

  nazywamy: 

a) symbolem nieoznaczonym typu  

( )

0

0

 w punkcie 

0

x

 , gdy 

0

0

lim

( )

lim

( )

0

x

x

x

x

f x

g x

=

=

b) symbolem nieoznaczonym typu  

( )

0

 w punkcie 

0

 , gdy 

0

0

lim

( )

, lim

( )

0

x

x

x

x

f x

g x

= ∞

=

c) symbolem nieoznaczonym typu  

( )

1

 w punkcie 

0

 , gdy 

0

0

lim

( ) 1, lim

( )

x

x

x

x

f x

g x

=

= ∞

 

background image

 

45 

 

Do tych symboli stosujemy następcą tożsamość : 

                                                  

( )

( )

( )

( )

ln

g x

g x

f x

f x

e

=

   , 

z której wynika, że 

                                               

( )

( )

( )

( )

0

0

lim

ln

lim

x

x

g x

f x

g x

x

x

f x

e

=

   , 

(gdyż funkcja  

u

y

e

=

 jest ciągła).  

Granica  

( )

( )

0

lim

ln

x

x

g x

f x

 sprowadza się  do granic typu: 

a)  

(

)

0

⋅∞

 ;   b)   

(

)

0

⋅∞

  ;  c)   

(

)

0

∞⋅

.  

Uwaga 

 Przy określaniu potęgi 

( )

( )

g x

f x

  zakłada się , że 

( )

0

f x

>

 w sąsiedztwie punktu 

0

.  

Przykład 11. 
Obliczyć: 

 a)  

0

lim

x

x

x

+

 ,    b)   

1

lim

x

x

x

→+∞

   ,   c)    

(

)

1

0

lim cos

x

x

x

+

  . 

Rozwiązanie    

a)  Jest to granica typu  

( )

0

0

.  Mamy  

lim

ln

0

0

lim

x

x

x

x

x

x

e

+

+

=

 .  Granica  

0

lim ln

x

x

x

+

 jest granicą 

typu

(

)

0

⋅∞

 i została obliczona w przykładzie 10  a) :  

0

lim ln

0

x

x

x

+

=

Zatem  

lim

ln

0

0

0

lim

1

x

x

x

x

x

x

e

e

+

+

=

= =

b)  Jest to granica typu  

( )

0

.  Mamy   

1

ln

lim

lim

x

x

x

x

x

x

e

→+∞

→+∞

=

  .  

Granica  

ln

lim

x

x

x

→+∞

 jest granicą typu

 i obliczamy ją  regułą de l`Hospitala: 

1

ln

lim

lim

0

1

H

x

x

x

x

x

→+∞

→+∞

=

=

. Zatem  

1

ln

lim

0

lim

1

x

x

x

x

x

x

e

e

→+∞

→+∞

=

= =

  . 

c) Granica  

(

)

1

0

lim cos

x

x

x

+

  jest typu  

( )

1

 . Zatem   

(

)

0

ln cos

1

lim

0

lim cos

x

x

x

x

x

x

e

→ +

+

=

. Granica 

0

ln cos

lim

x

x

x

→ +

 jest typu 

0

0

 

 

 

 i obliczmy ją

 regułą de l`Hospitala: 

0

0

sin

ln cos

cos

lim

lim

0

1

H

x

x

x

x

x

x

→ +

→ +

=

=

. Tak więc  

(

)

0

ln cos

1

lim

0

0

lim cos

1

x

x

x

x

x

x

e

e

→ +

+

=

= =

 
Zadanie 6.
 
Korzystając z reguły de L`Hospitala obliczyć podane granice: 

a) 

7

1

1

lim

1

x

x

x

  ; b)  

0

1

lim

sin 2

x

x

e

x

 ; c) 

(

)

2

2

ln

1

lim

x

x

x

→∞

+

 ; d)  

0

lim

x

x

x

+

 ; e) 

( )

2

1

lim

x

x

x

→+∞

 ;    

f)   

( )

1

1

1

lim

x

x

x

Odpowiedzi. a)    7   ;     b)      

1

2

    ;     c)    0   ; d)  1   ;    e)   1  ;   

1

e

 . 

background image

 

46 

 

3. Ekstrema lokalne funkcji

 

 

Definicja 8. (minimum lokalne funkcji
Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona przynajmniej w pewnym otoczeniu 

0

(

)

O x

δ

punktu  

0

. Funkcja f ma w punkcie 

0

 minimum lokalne, jeżeli 

 

                                             

0

0

0

(

)

( )

(

)

x O x

f x

f x

δ

δ>

∃ ∀

 .                                        

Definicja 9. (maksimum lokalne funkcji
Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona przynajmniej w pewnym otoczeniu 

0

(

)

O x

δ

punktu  

0

. Funkcja f ma w punkcie 

0

 

maksimum lokalne, jeżeli 

 

                                             

0

0

0

(

)

( )

(

)

x O x

f x

f x

δ

δ>

∃ ∀

 .      

 
 
 
 
 
 
 
 
                   
                       

Minimum lokalne funkcji                                      Maksimum lokalne funkcji                                       

 
Definicja 10. (minimum lokalne właściwe funkcji
Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona przynajmniej w pewnym otoczeniu 

0

(

)

O x

δ

punktu  

0

. Funkcja f ma w punkcie 

0

 

minimum lokalne właściwe, jeżeli 

 

                                             

0

0

0

(

)

( )

(

)

x O x

f x

f x

δ

δ>

>

∃ ∀

 .                                        

 
Definicja 11. 
(maksimum lokalne właściwe funkcji
Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona przynajmniej w pewnym otoczeniu 

0

(

)

O x

δ

punktu  

0

. Funkcja f ma w punkcie 

0

 

maksimum lokalne właściwe, jeżeli 

 

                                             

0

0

0

(

)

( )

(

)

x O x

f x

f x

δ

δ>

<

∃ ∀

 

 
 
 
 
 

    
                    

 Minimum lokalne właściwe                          Maksimum lokalne właściwe                             

 

background image

 

47 

 

Twierdzenie 7  (warunek konieczny istnienia ekstremum
Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona i różniczkowalna (ma pochodną) 

przynajmniej w pewnym otoczeniu punktu 

0

. Wówczas, jeżeli  funkcja ma lokalne 

ekstremum w punkcie  

0

  ,  to 

                                                           

0

(

)

0

f x

=

 
 
Uwaga. 
Twierdzenie odwrotne nie jest na ogół prawdziwe. Świadczy o tym przykład funkcji 

3

( )

f x

x

=

, dla której 

2

( )

3

f x

x

=

  oraz  

( )

0

0

f

=

 . Funkcja ta nie ma jednak ekstremum 

lokalnego w punkcie  

0

0

x

=

 . 

Ponadto założenie istnienia pochodnej funkcji  f  jest istotne. Świadczy o tym przykład funkcji 

( )

f x

x

=

 , która w punkcie 

0

0

x

=

 ma minimum lokalne właściwe, ale pochodna tej funkcji 

w punkcie 

0

0

x

=

 nie istnieje  ( przykład 1). 

 
Zatem  funkcja może mieć ekstrema lokalne tylko w punktach, w których jej pochodna równa 
się zero albo w punktach, w których pochodna nie istnieje. 
 
Twierdzenie 8  (warunek dostateczny istnienia ekstremum
I. Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona i różniczkowalna  przynajmniej w 

pewnym otoczeniu punktu 

0

. Wówczas  jeżeli 

      1.     

( )

0

0

f

x

=

      2.      

(

)

(

)

0

0

0

0

0

0

0

( )

0

(

)

;

,

( )

0

(

)

;

,

f x

dla x

O x

x

x

f x

dla x

O x

x x

δ

+

δ>

δ

>

=

− δ

<

=

+ δ



 

to funkcja  f   ma w punkcie  

0

 maksimum lokalne właściwe. 

II.  Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  f  będzie określona i różniczkowalna przynajmniej w 

pewnym otoczeniu punktu 

0

. Wówczas  jeżeli 

      1.     

( )

0

0

f

x

=

      2.      

(

)

(

)

0

0

0

0

0

0

0

( )

0

( )

;

,

( )

0

( )

;

,

f x

dla x

O x

x

x

f x

dla x

O

x

x x

δ

+

δ>

δ

<

=

− δ

>

=

+ δ



 

  
to funkcja  f   ma w punkcie  

0

 minimum lokalne właściwe. 

 
 
Przykład 12. 
Znaleźć ekstrema lokalne funkcji   

a)    

3

2

( )

9

15

3

f x

x

x

x

=

+

+

;   b)    

( )

2

4

5

3

x

x

f x

x

+

=

 ;   c)   ( )

2

f x

x

= −

arctg

x

 
 
 
 
 

background image

 

48 

 

Rozwiązanie. 
a)  

(

)(

)

2

( )

3

18

15

3

1

5

f x

x

x

x

x

=

+ =

.    

( )

0

1

5

f x

x

x

=

= ∨ =

Analizując przykład 8 stwierdzamy, że w otoczeniu punktu  

1

x

=

 pochodna zmienia znak 

z  „ +” na   „

”  , a więc w tym punkcie jest maksimum lokalne równe  

max

(1)

10

y

f

=

=

,                                                                                                                                                      

natomiast w otoczeniu punktu  

5

x

=

 pochodna zmienia znak z  „ 

” na   „+”  , a więc w tym 

punkcie jest minimum lokalne równe  

min

(5)

22.

y

f

=

= −

 

b)  Dziedziną funkcji 

f jest  zbiór  

{ }

\ 3

R

. Pochodna 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

4

5

3

4

5

3

6

7

3

3

x

x

x

x

x

x

x

x

f

x

x

x

+

− −

+

=

=

Warunek konieczny ekstremum : 

( )

0

1

7

f

x

x

x

=

= − ∨ =

 . 

Ponieważ  

(

)

2

3

0

x

>

 dla każdego  

3

x

, więc  o znaku pochodnej decyduje znak funkcji 

kwadratowej  

(

)(

)

2

4

5

1

7

y

x

x

x

x

=

+

− = +

 Korzystając z wykresu tej funkcji (naszkicowanie którego pozostawiamy czytelnikowi), 
stwierdzamy, że 

 w otoczeniu punktu 

1

x

= −

 pochodna zmienia znak z  

+

  na 

 , a więc w tym punkcie jest 

maksimum lokalne  równe  

( )

max

1

2

f

f

=

− =

 ,  

 w otoczeniu punktu 

7

x

=

 pochodna zmienia znak z  

  na 

+

 , a więc w tym punkcie jest 

minimum lokalne  równe  

( )

min

7

18

f

f

=

=

c)  Pochodna  

( )

f

x

=

(

2

x

arctg )

x

 

2

2

2

2

1

1

1

1

x

x

x

= −

=

+

+

 Warunek konieczny ekstremum : 

( )

2

2

1

0

0

1

1

1

x

f

x

x

x

x

=

= ⇔ = − ∨ =

+

 . 

Ponieważ  

2

1

0

x

+ >

 dla każdego   x

R

, więc  o znaku pochodnej decyduje znak funkcji 

kwadratowej  

(

)(

)

2

1

1

1

y

x

x

x

=

− = +

Korzystając z wykresu tej funkcji (naszkicowanie którego pozostawiamy czytelnikowi), 
stwierdzamy, że 

 w otoczeniu punktu 

1

x

= −

 pochodna zmienia znak z  

+

  na 

 , a więc w tym punkcie jest 

maksimum lokalne  równe  

( )

max

1

1 2

f

f

=

− = − −

arctg

( )

1

1 2

1

4

2

π

π

= − + ⋅ = − +

 ,  

 w otoczeniu punktu 

7

x

=

 pochodna zmienia znak z  

  na 

+

 , a więc w tym punkcie jest 

minimum lokalne  równe  

( )

min

1

1 2

f

f

=

= −

arctg1 1 2

1

4

2

π

π

= − ⋅ = −

 . 

 .

Inne warunki dostateczne dla istnienia ekstremów lokalnych.

 

 
Twierdzenie 9 ( II warunek dostateczny istnienia ekstremum
I. Niech  

0

x

R

 oraz niech funkcja  

f  będzie określona i dwukrotnie różniczkowalna w 

sposób ciągły  przynajmniej w pewnym otoczeniu punktu 

0

. Wówczas  jeżeli 

1.     

( )

0

0

f

x

=

 oraz   

( )

0

0

f

x

′′

<

 , 

to funkcja  

f   ma w punkcie  

0

 

maksimum lokalne właściwe, 

2.   

( )

0

0

f

x

=

 oraz  

( )

0

0

f

x

′′

>

 , 

to funkcja  

f   ma w punkcie  

0

 

minimum lokalne właściwe. 

background image

 

49 

 

 
Twierdzenie to nie rozstrzyga istnienia ekstremum, gdy  

( )

0

0

f

x

′′

=

. W tym przypadku 

stosujemy twierdzenie ogólniejsze, zakładając, że funkcja ma wszystkie pochodne do rzędu 
włącznie, przy czym  

n

ta pochodna jest ciągła w punkcie 

0

 
Twierdzenie 10 
Jeżeli 

( )

0

0

f

x

=

 i wszystkie pochodne aż do rzędu 

1

n

 są też równe zeru tj. 

                                

( )

( )

( )

(

1)

0

0

0

...

0,

n

f

x

f

x

f

x

′′

=

= =

=

                      

n

ta pochodna  

( )

( )

0

n

f

x

jest różna od zera, to 

1.  gdy 

n

 jest parzyste, funkcja  

 ma ekstremum w punkcie 

0

, i to 

maksimum lokalne 

właściwe, gdy 

( )

( )

0

0

n

f

x

<

 oraz  

minimum lokalne właściwe, gdy 

( )

( )

0

0

n

f

x

>

 , 

2.  gdy 

n

 jest nieparzyste, funkcja  

 

nie ma ekstremum w punkcie 

0

 
Przykład 13. 
Znaleźć ekstrema lokalne funkcji  

( )

4

x

f x

x e

=

Rozwiązanie 
Mamy    

( )

3

4

4

x

x

f

x

x e

x e

=

+

( )

(

)

3

4

0

4

0

4

0

x

f

x

x

x

e

x

x

=

+

=

= − ∨ =

Obliczamy pochodne wyższych rzędów: 
           

( )

( )

( )

2

3

2

(4)

12

4

,

24

12

,

24

24

x

x

x

x

x

x

f

x

x e

x e

f

x

xe

x e

f

x

e

xe

′′

′′′

=

+

=

+

=

+

Dla  

4

x

= −

    

                    

( )

( )

( )

2

3

4

4

4

4

12

4

4

4

64

0

f

e

e

e

′′ − =

+ −

= −

<

Zatem w punkcie 

4

x

= −

 jest maksimum lokalne równe  

( )

4

max

4

256

f

f

e

=

− =

Dla  

0

x

=

   

( )

( )

0

0

0

f

f

′′

′′′

=

=

  zaś  

( )

(4)

0

24

0

f

=

>

Zatem w punkcie 

0

x

=

 jest minimum lokalne równe  

( )

min

0

0

f

f

=

=

Zadanie 7. 
Znaleźć ekstrema lokalne funkcji: 

a)  

3

2

( )

6

9

f x

x

x

x

= +

+

  ;    b)   

2

2

2

( )

1

x

x

f x

x

+

=

 ;  c)   ( )

x

f x

xe

=

 , d)  

( )

ln

f x

x

x

=

 ; 

e)   

( )

f x

x

= −

arctg

( )

2

x

Odpowiedzi. 
a)  

max

( 3)

0

y

f

= − =

,

min

( 1)

4

y

f

= − = −

 ; b)

max

(0)

2

y

f

=

= −

min

(2)

2

y

f

=

=

c)   

min

1

( 1)

y

f

e

= − =

  ;   d)   

( )

min

y

f e

e

=

=

 ;   e)  

( )

1

max

2

1

2

4

y

f

π

=

− = − +

,  

( )

1

min

2

1

2

4

y

f

π

=

= −

 

 
 
 

background image

 

50 

 

4. Ekstrema globalne funkcji. 

 
Definicja 12. 
(wartość najmniejsza funkcji na zbiorze
Liczba   m

R

 jest najmniejszą wartością funkcji f na zbiorze  

f

A

D

 , gdzie  

f

D

 jest 

dziedziną funkcji f , jeżeli 
                                           

( )

x A

f x

m

Zapis:    

min ( )

x A

m

f x

=

Definicja 13. (wartość największa  funkcji na zbiorze
Liczba   M

R

 jest największą  wartością funkcji f na zbiorze  

f

A

D

 , gdzie  

f

D

 jest 

dziedziną funkcji f , jeżeli 
                                           

( )

x A

f x

M

Zapis:  

max

( )

x A

M

f x

=

 
Uwaga. 
 Liczby   ,

m M

 nazywamy odpowiednio 

minimum globalnym oraz maksimum 

globalnym funkcji f  na zbiorze A . 
 
 
 
 
 
 
 
 
         

Wartość najmniejsza i największa funkcji                Funkcja  nie przyjmuje na zbiorze wartości 

                     n

a zbiorze A

                                  

             największej ani najmniejszej. 

 
 
Twierdzenie 11 
 (Weierstrassa o osiąganiu kresów
Jeżeli funkcja f jest ciągła w przedziale domkniętym  

;

a b

, to osiąga w tym przedziale kresy 

swoich wartości tj.

1

1

;

;

;

( )

inf

( )

min

( )

x

a b

x

a b

x

a b

f x

f x

f x

m

=

=

=

  oraz 

                              

2

2

;

;

;

(

)

sup

( )

max

( )

x

a b

x

a b

x

a b

f x

f x

f x

M

=

=

=

Algorytm szukania wartości ekstremalnych funkcji

 

Niech funkcja  

:

;

f

a b

R

 będzie ciągła w przedziale  

;

a b

 i niech ma pochodną 

właściwą lub niewłaściwą poza skończoną liczbą punktów tego przedziału. Wartość 
najmniejszą i największą tej funkcji w tym przedziale szukamy według następującego 
algorytmu: 
1.   znajdujemy punkty zerowania się pochodnej funkcji f w przedziale

( )

;

a b

 oraz 

      punkty  

1

2

,

,...,

m

d d

 , w których pochodna nie istnieje; 

2.  obliczamy  wartości funkcji : 

1

2

1

2

( ) , ( ) ,..., ( ) ,

( ) , (

) ,...,

(

) ,

( ) , ( )

n

m

f c

f c

f c

f d

f d

f d

f a

f b 

3.   spośród tych liczb wybieramy najmniejszą i największą. Będą to odpowiednio wartości 
      najmniejsza i największa funkcji  f   w przedziale  

;

a b

 

background image

 

51 

 

 Przykład 14. 
a) Wyznacz najmniejszą i największą wartość funkcji  

3

( )

3

f x

x

x

= −

  w przedziale  

1;3

Rozwiązanie. 
Największą i najmniejszą wartość funkcja  f ma na końcach przedziału 

1;3

 lub tych 

punktach, w których  

( )

0

f x

=

.  

       

2

( )

0

3

3

0

1

1

f x

x

x

x

=

− =

⇔ = − ∨ =

.  

Punktu  

1

x

= −

 nie bierzemy pod uwagę, gdyż nie należy do przedziału 

1;3

Obliczamy:   (1)

2 ,

(3)

27 9 18

f

f

= −

=

− =

. Zatem  

1;3

1;3

max ( )

18 , min

( )

2

x

x

f x

f x

=

= −

b) Wyznaczyć najmniejszą  i największą wartość funkcji  

( )

2

2

ln

g x

x

x

=

  w przedziale     

1; e

   . 

Rozwiązanie: 

(

)

1

2

2

1

1

( )

4 ln

2

2

2 ln

1 ,

( )

0

1;

g x

x

x

x

x

x

g x

x

e

e

x

e

=

+

⋅ =

+

=

=

=

 

Obliczmy wartości funkcji na końcach przedziału:  

2

2

(1)

2 ln1

0 ,

( )

2

ln

2

g

g e

e

e

e

=

=

=

=

Zatem:      

2

1;

1;

max

( )

2

,

min

( )

0

x

e

x

e

g x

e

g x

=

=

 

5. Funkcje wypukłe i wklęsłe 
 

Definicja 14. 
Funkcja różniczkowalna  f  jest 

wypukła (wklęsła) w przedziale 

( )

;

a b

, jeżeli dla każdego 

( )

;

x

a b

 styczna do wykresu funkcji f  leży pod (nad)  wykresem funkcji  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Uwaga. 
Podana definicja określa tzw. ścisłą wypukłość (wklęsłość). Jeżeli nie będziemy 
zakładać różniczkowalność funkcji, to definicja wypukłości (wklęsłości) jest inna. Nie 
będziemy jednak w tym miejscu jej przedstawiali, gdyż większość rozpatrywanych funkcji 
jest różniczkowalna 
 
Definicja 15. 
Załóżmy, że f  jest różniczkowalna w sposób ciągły. 
Punkt 

(

)

0

0

, (

)

x

f x

 wykresu funkcji f  nazywamy 

punktem przegięcia ( w skrócie  pp ), jeżeli 

wykres funkcji w tym punkcie przechodzi z jednej strony stycznej na drugą ( funkcja 
przechodzi z wklęsłej w wypukłą lub odwrotnie). 
 
 

background image

 

52 

 

Twierdzenie 12 
Załóżmy, że funkcja f  jest dwukrotnie różniczkowalna  ( ma pierwszą i drugą pochodną) w 

( )

;

a b

. Jeżeli 

                                

(

)

(

)

; )

( )

0 ,

( )

0

x

a b

f

x

f

x

′′

′′

>

<

to funkcja jest wypukła (wklęsła) w przedziale 

( )

;

a b

 
 
Twierdzenie 13  
(warunek konieczny  istnienia punktu przegięcia)  
Załóżmy, że funkcja f  jest dwukrotnie różniczkowalna  ( ma pierwszą i drugą pochodną) w 

( )

;

a b

. Jeżeli  punkt  

(

)

0

0

, (

)

x

f x

 wykresu funkcji jest punktem przegięcia, to 

                                                     

0

(

)

0

f

x

′′

=

.  

 
Uwaga. 
Warunkiem dostatecznym istnienia punktu przegięcia w 

0

 jest zmiana znaku 

( )

f

x

′′

przy 

przejściu przez ten punkt. 
 
Przykład 15. 
Wyznacz punkty przegięcia oraz przedziały wypukłości i wklęsłości funkcji 

                                                

3

2

( )

2

3

8

5

f x

x

x

x

=

+

 
Rozwiązanie. 

Obliczamy kolejno:   

2

( )

6

6

8 ,

( ) 12

6

f x

x

x

f

x

x

′′

=

=

.   

1

( )

0

2

f

x

x

′′

= ⇔ =

  oraz 

( )

0

f

x

′′

>

 dla  

( )

1
2

;

x

 i   

( )

0

f

x

′′

<

 dla  

(

)

1
2

;

x

∈ −∞

.  

Zatem: 

- funkcja ta jest wypukła w przedziale   

( )

1
2

;

,   

- jest wklęsła w przedziale 

(

)

1
2

;

−∞

-  ma punkt przegięcia  

(

)

(

)

3

1

1

1

2

2

2

2

,

( )

,

f

=

 

6. Tempo zmian wartości funkcji 

 
Pojęcie wypukłości i wklęsłości funkcji używamy do badania 

tempa zmian wartości 

funkcji.   
Mówimy, że

 

a)  funkcja 

rośnie coraz szybciej w przedziale 

( )

;

a b

, jeżeli jest rosnąca i wypukła w tym 

przedziale, 
b)  funkcja 

rośnie coraz wolniej w przedziale 

( )

;

a b

, jeżeli jest rosnąca i wklęsła    w tym 

przedziale, 
c)  funkcja 

maleje coraz wolniej w przedziale 

( )

;

a b

, jeżeli jest malejąca i wypukła w tym 

przedziale, 
b)  funkcja 

maleje coraz szybciej w przedziale 

( )

;

a b

, jeżeli jest malejąca i  wklęsła    w tym 

przedziale. 

background image

 

53 

 

 

 
 
 
 
 

 
 
                              Funkcja rośnie coraz szybciej                    Funkcja rośnie coraz wolniej                     

 
 
 
 
 
 

                              Funkcja maleje coraz wolniej                  Funkcja maleje coraz szybciej                    

 

 
 

Twierdzenie 14 
Załóżmy, że funkcja f jest określona i dwukrotnie różniczkowalna w sposób ciągły w 
przedziale 

( )

;

a b

.  Jeżeli dla każdego 

( )

;

x

a b

a)  

( )

0

f

x

>

  i   

( )

0

f

x

′′

>

, to funkcja rośnie coraz szybciej w przedziale  

( )

;

a b

 ,   

b) 

( )

0

f

x

>

  i   

( )

0

f

x

′′

<

, to funkcja rośnie coraz wolniej  w przedziale  

( )

;

a b

 ,   

c)  

( )

0

f

x

<

  i   

( )

0

f

x

′′

>

, to funkcja maleje coraz wolniej w przedziale  

( )

;

a b

 ,   

d)   

( )

0

f

x

<

  i   

( )

0

f

x

′′

<

, to funkcja maleje coraz szybciej w przedziale  

( )

;

a b

 . 

 
Uwaga. 
Fakty te stają się bardziej zrozumiałe, jeżeli zwrócimy uwagę na interpretację fizyczną 
pierwszej i drugiej pochodnej , ( str.13  oraz  str.  19). 
 
Przykład 16. 

Zbadać tempo zmian funkcji 

( )

2

1

x

f x

x

=

+

 
Rozwiązanie 
Obliczamy pierwszą i drugą pochodną : 

                        

( )

(

)

( )

(

)

(

)

2

2

2

3

2

2

2

3

1

,

1

1

x

x

x

f

x

f

x

x

x

′′

=

=

+

+

 
Zestawienie znaków pierwszej i drugiej pochodnej przedstawiamy w tabeli: 
 

     

… 

3

  … 

1

  …  0  

…    1  … 

3   …   

   

( )

f

x

 

 

 

    0 

+

 

+

 

+

    0 

 

 

 

  

( )

f

x

′′

 

 

   0 

+

 

+

 

+

   0 

 

 

    0 

+

 

 

background image

 

54 

 

 

Porównując znaki pierwszej i drugiej pochodnej stwierdzamy, że: 

funkcja maleje coraz szybciej w przedziałach  

(

)

;

3

−∞ −

 oraz  

( )

1; 3 ,   

funkcja maleje coraz wolniej w przedziałach  

(

)

3; 1

 oraz  

(

)

3;

+∞

,   

funkcja rośnie coraz szybciej w przedziale  

(

)

1;0

,   

funkcja rośnie coraz wolniej w przedziale  

( )

0;1

. 

 

7.  Badanie przebiegu zmienności funkcji   

 

 
Badając przebieg zmienności funkcji  f  posługujemy się następującym planem: 

1)

 

wyznaczamy dziedzinę  

f

D

, badamy parzystość , nieparzystość, okresowość funkcji , 

2)

 

znajdujemy punkty przecięcia wykresu funkcji f z osiami współrzędnych, 

3)

 

znajdujemy granice funkcji na końcach przedziałów określoności oraz w punktach 
nieciągłości oraz asymptoty wykresu funkcji  f  , 

4)

 

wyznaczmy przedziały monotoniczności i ekstrema lokalne oraz przedziały 
wypukłości i wklęsłości i punkty przegięcia wykresu  funkcji, 

5)

 

sporządzamy tabelkę i szkicujemy wykres funkcji. 

 
Przykład 16.
 
 Zbadać przebieg zmienności funkcji  

3

( )

3

f x

x

x

= −

Rozwiązanie: 

1)  Dziedzina 

f

D

R

=

 

. Ponieważ  

( )

( )

(

)

3

3

3

(

)

3

3

3

( )

f

x

x

x

x

x

x

x

f x

− = −

− − = − +

= −

= −

więc funkcja jest nieparzysta. 
 

2)  

(

)

2

( )

0

3

0

f x

x x

= ⇔

− =

Zatem miejscami zerowymi funkcji są: 

1

2

3

3 ,

0 ,

3

x

x

x

= −

=

=

 

3)  

(

)

3

3

2

3

lim

3

lim

1

x

x

x

x

x

x

→∞

→∞

=

= ∞

,    

(

)

3

3

2

3

lim

3

lim

1

x

x

x

x

x

x

→−∞

→−∞

=

= −∞

Brak asymptot . 
 
4)
  

2

( )

3

3

f x

x

=

 ;   

( )

6

f

x

x

′′

=

2

( )

0

3

3

0

f x

x

> ⇔

− >

. Nierówność ta jest prawdziwa dla  

(

) ( )

; 1

1;

x

∈ −∞ − ∪ ∞

Wynika stąd, że funkcja  f  rośnie  w przedziałach  

(

)

;1

−∞

 oraz  

( )

1;

.              

2

( )

0

3

3

0

f x

x

< ⇔

− <

. Nierówność ta jest prawdziwa dla  

(

)

1;1

x

∈ −

Wynika stąd, ze funkcja  f  maleje  w przedziale  

(

)

1;1

 . 

(

)

2

( )

0

3

3

0

1

1

f x

x

x

x

=

− = ⇔

= − ∨ =

max

( 1)

2

y

f

= − =

  ,    

min

(1)

2

y

f

=

= −

( )

0

6

0

0

f

x

x

x

′′

> ⇔

> ⇔ >

( )

0

6

0

0

f

x

x

x

′′

< ⇔

< ⇔ <

,   

( )

0

6

0

0

f

x

x

x

′′

= ⇔

= ⇔ =

. Zatem funkcja jest wypukła w przedziale 

( )

0;

, jest wklęsła 

w przedziale  

(

)

;0

−∞

. Punkt przegięcia:  

( )

0,0

P

background image

 

55 

 

 
5) 
         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Przykład 17. 

Zbadać przebieg zmienności funkcji  

2

4

( )

1

f x

x

=

+

 i narysować jej wykres. 

Rozwiązanie. 
 
1)  Dziedzina   D

R

=

. Ponieważ   

(

)

( )

x R

f

x

f x

− =

 więc funkcja jest parzysta. 

2)  Funkcja nie ma miejsc zerowych. 

3)  

2

2

4

4

lim

lim

0

1

1

x

x

x

x

→−∞

→+∞

=

=

+

+

 , więc prosta  

0

y

=

 jest asymptotą poziomą wykresu. 

4)  

(

)

2

2

8

( )

1

x

f x

x

= −

+

.  

( )

0

0

f x

x

<

⇔ >

  , 

( )

0

0

f x

x

>

⇔ <

 i  

( )

0

0

f x

x

= ⇔ =

     

(

)

2

3

2

8 (3

1)

( )

1

x

f

x

x

′′

=

+

,   

2

3

3

( )

0

3

1 0

;

3

3

f

x

x

x

′′

<

− < ⇔ ∈ −

  ,  

    

2

3

3

( )

0

3

1

0

;

;

3

3

f

x

x

x

′′

>

− > ⇔ ∈ −∞ −

+∞

 , 

    

3

3

( )

0

3

3

f

x

x

x

′′

= ⇔ = −

∨ =

 
 
5)   
 
        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

56 

 

 
Zadanie 8. 
 
Zbadać przebiegi zmienności funkcji i naszkicować ich wykresy: 

a)   

4

2

( )

2

3

f x

x

x

=

+

  ;     b)    

2

1

( )

x

f x

x

+

=

  .  

 
Odpowiedzi: 
 
a)  
 
 
 
 
 
 
 
b)       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

57 

 

 
IV.  Wybrane zastosowania ekonomiczne rachunku 
              różniczkowego funkcji jednej zmiennej 
                                            

 

 

1. Zagadnienia związane z rachunkiem marginalnym 

  
Załóżmy, że 

( )

K x

 jest funkcją kosztu całkowitego, gdzie 

x

 wielkość produkcji (

0

x

>

). 

Kwotę, jaką uzyskamy ze sprzedaży  x jednostek produkcji , oznaczamy przez  

( )

U x

 i 

nazywamy  

utargiem (na poziomie sprzedaży x). 

Jeżeli  

( )

p x

 oznacza ceną jednostki wyrobu (przy sprzedaży 

x jednostek), to zachodzi 

zależność: 
                                               

( )

( )

U x

x p x

= ⋅

Funkcję  

( )

( )

( )

Z x

U x

K x

=

 nazywamy 

zyskiem (na poziomie sprzedaży x jednostek). 

Zakładając różniczkowalność funkcji  

K  oraz  , mamy 

    

( )

K x

koszt krańcowy (marginalny) , 

    

( )

U x

utarg krańcowy (marginalny) , 

    

( )

Z x

zysk krańcowy (marginalny) . 

    

( )

( )

/

k x

K x

x

=

 

koszt przeciętny (jednostkowy). 

 
Podamy twierdzenie wiążące koszt przeciętny  z kosztem krańcowym.

 

 
Twierdzenie 15 

Załóżmy, że funkcja kosztów  

( )

y

K x

=

 dla  

)

0;

x

M

 jest dwukrotnie różniczkowalna w 

sposób ciągły oraz spełnia założenia: 
1.  

( )

0

0

K

c

= >

, ( 

c

koszt stały), 

2.  

( )

0

K x

>

  dla  

)

0;

x

M

3.  

( )

( )

( )

0

lim

, lim

, lim

0,

x

M

x

M

x

K x

K x

K x

g

+

= +∞

= +∞

= >

 

4.   

( )

( )

( )

( )

(

)

0

0;

,

0

,

0

;

.

K

x

dla x

a

K

x

dla x

a

K

x

dla x

a M

′′

<

′′

=

=

′′

>

 

Wówczas  

1. istnieje dokładnie jedna liczba  

(

)

0;

b

M

 taka, że  

( )

( )

K b

K b

b

=

2. koszt krańcowy jest minimalny w punkcie a
3. koszt przeciętny jest minimalny w punkcie  b
 
Uwaga. 
Koszt przeciętny  

osiąga minimum w punkcie, w którym koszt przeciętny jest równy 

kosztowi krańcowemu.  
 
 

background image

 

58 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                     

Krzywa kosztów                           Koszt krańcowy i przeciętny

 

 

Definicja 16. (Optimum technologiczne
Wielkość produkcji 

0

 ,dla której koszt przeciętny osiąga minimum nazywamy optimum 

technologicznym 
 
Definicja 17. 
(Optimum produkcyjne
Wielkość produkcji  xɶ , dla której zysk osiąga maksimum nazywamy optimum 
produkcyjnym. 
 
Optimum to wyznaczamy z następujących warunków dla funkcji zysku: 
 

                              

( )

( )

0

0

Z x

Z

x

=



′′

<



ɶ

ɶ

    

lub    

( )

( )

( )

0

0

0

Z x

dla x

x

Z

x

dla x

x

Z x

dla x

x

>

<

′′

=

=

<

>

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

   

 
Definicja 18. (Przedział opłacalności produkcji
Przedział produkcji  

( )

;

x x

 dającej dodatni zysk nazywamy przedziałem opłacalności 

produkcji, (rys.) 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                   Przedział opłacalności produkcji 

 
Przykład 18. 
W pewnym przedsiębiorstwie funkcja kosztów całkowitych wyraża się wzorem: 

(

)

3

2

1

( )

3

12

,

0

3

K x

x

x

x

x

=

+

>

  , gdzie   

x

 wielkość produkcji, natomiast utarg 

przedsiębiorstwa w zależności od ilości sprzedanej produkcji określa funkcja 

2

( )

12

U x

x

x

=

.  

a) Jaki jest przedział opłacalności produkcji?  
a) Dla jakiej wielkości produkcji przedsiębiorstwo osiągnie maksymalny zysk?  

background image

 

59 

 

 
Rozwiązanie. 
Zysk przedsiębiorstwa określony jest wzorem:   

                ( )

( )

( )

Z x

U x

K x

=

=  

2

3

2

3

2

1

1

12

3

12

2

3

3

x

x

x

x

x

x

x

− −

+

= −

+

a)      ( )

Z x  

3

2

1

2

0

0

6

3

x

x

x

= −

+

>

< <

 .  

 Zatem  

przedziałem opłacalności produkcji jest przedział 

( )

0;6

   

 
b)            

2

( )

4

Z x

x

x

= − +

.   

( )

0

0

4

Z x

x

x

=

⇔ = ∨ =

.  

                 

( )

2

4

Z

x

x

′′

= − +

Łatwo sprawdzić, że dla  

4

x

=

  

( )

4

4

0

Z

′′

= − <

. Oznacza to, że funkcja  ( )

Z x

 osiąga w tym 

punkcie maksimum. Zatem 

optimum produkcyjne wynosi  

4

x

=

 

 
2. Funkcja popytu i podaży 

 
Analizując zachowanie konsumentów  na rynku  jednego dobra możemy rozważać funkcję 
popytu D na te dobro w zależności od dochodu   konsumenta : 
                                                      

( )

D

D x

=

,    (popyt dochodowy) 

jak również  funkcję popytu w zależności od ceny p tego dobra: 
                                                      

( )

D

D p

=

,   (popyt cenowy). 

 
Ponieważ w grze rynkowej uczestniczą również producenci (sprzedawcy) rozpatruje się 
również funkcję podaży  S danego dobra w zależności od jego ceny 

p

                                                      

( )

S

S p

=

Dziedzinę funkcji popytu wyznaczamy z nierówności: 

                                                     

( )

0,

0,

p

D p





 

natomiast dziedzinę funkcji podaży wyznaczamy z nierówności: 

                                                     

( )

0,

0.

p

S p





 

 
Cenę, przy której producentowi przestanie się opłacać sprzedaż określamy mianem 
granicznej ceny niskiej  i oznaczamy ją  przez  

N

p

. Jej wartość wyznaczymy z równania 

                                                     

( )

0

S p

=

Natomiast cenę, przy której konsument przestanie kupować towar nazywamy 

graniczną ceną 

wysoką i oznaczamy ją przez  

W

. Cenę tą wyznaczamy z równania: 

                                                      

( )

0

D p

=

 
 
 
 

background image

 

60 

 

 
Jeżeli zachodzi równość 
                                                   

( ) ( )

D p

S p

=

to mówimy, że rozpatrywany rynek jest w równowadze. Cenę, dla której popyt jest równy 
podaży nazywamy ceną równowagi rynkowej i oznaczamy przez   *

p

, zaś zrównoważone 

wartości popytu i podaży  odpowiednio przez  

*

D

  oraz   *

S

. Punkt o współrzędnych 

(

)

*, *

*

p D

S

=

 nazywamy 

punktem równowagi rynkowej

Przykładowe funkcje popytu i podaży, jak również graniczną cenę niską i wysoką oraz punkt 
równowagi przedstawia poniższy rysunek, (w tym przypadku funkcje popytu i podaży są 
liniowe). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Zakładając, że funkcje   oraz 

są różniczkowalne mamy 

popyt krańcowy:    

( )

D p

podaż krańcowa:    

( )

S

p

Elastyczność popytu ze względu na cenę określa wzór: 

                                         

( )

( )

( )

p

p D p

E D p

D p

=

Elastyczność podaży ze względu na cenę określa wzór: 

                                         

( )

( )

( )

p

p S

p

E S p

S p

=

 
Ponieważ, w większości wypadków, funkcja popytu jest funkcją malejącą (ze wzrostem ceny 
popyt maleje) , więc  

( )

0

D p

<

, stąd  

( )

0

p

E D p

<

. Odwrotnie, funkcja podaży jest rosnąca  

(ze wzrostem ceny podaż rośnie), więc  

( )

0

S

p

>

, stąd  

( )

0

p

E S p

>

Interpretacja elastyczności : 
Elastyczność 
funkcji popytu (podaży) w punkcie  

0

 jest  przybliżoną miarą procentowego 

przyrostu  (wzrostu lub spadku) wartości tych funkcji  odpowiadającego przyrostowi 
argumentu 

0

 o 1%. 

Jeżeli : 

1.   

(

)

0

0

0

0

(

)

1 ,

(

)

1

p

p

E D p

E S p

<

<

  to mówimy, że funkcje popytu i podaży są 

nieelastyczne w punkcie 

0

 - procentowy wzrost argumentu od 

0

 powoduje przyrost 

wartości funkcji o mniej niż 1%, 

background image

 

61 

 

2.   

(

)

0

0

0

0

(

)

1 ,

(

)

1

p

p

E D p

E D p

=

=

  mówimy, że funkcje popytu i podaży są neutralne w 

punkcie 

0

 - procentowy wzrost argumentu od 

0

 powoduje przyrost wartości funkcji o 1%, 

 

3.   

(

)

0

0

0

0

(

)

1 ,

(

)

1

p

p

E D p

E S p

>

>

  to mówimy, że funkcje popytu i podaży są elastyczne 

w punkcie 

0

 - procentowy wzrost argumentu od 

0

 powoduje przyrost wartości funkcji o 

więcej niż 1%, 
 
Przykład 19. 
Dla funkcji popytu i podaży określonych równaniami: 
                               

( )

( )

2

4

6 ,

3

1

D p

p

S p

p

= −

+

=

 

wyznaczyć następujące wartości: 
a) cenę równowagi rynkowej, 
b) cenę, przy której konsument przestanie kupować towar. 
c) cenę, przy której producentowi przestanie się opłacać sprzedaż, 
d) przedział cen, w którym popyt przewyższa podaż, 
e) elastyczność popytu oraz elastyczność podaży w punkcie równowagi oraz podać ich 
     interpretacje ekonomiczne. 
 
Rozwiązanie. 
a) Cena równowagi rynkowej: 
                     

( ) ( )

2

2

4

6

3

1

3

4

7

0

D p

S p

p

p

p

p

=

⇔ −

+ =

− ⇔

+

− =

Wynika stąd, że  

7

1

3

p

p

= ∨

= −

. Warunki zadania spełnia jedynie   

1

p

=

.   

Cena równowagi wynosi zatem   * 1

p

=

b) Cenę, przy której konsument przestanie kupować towar, wyznaczamy z równania: 
      

( )

0

D p

=

.    Mamy:         

( )

0

4

6

0

D p

p

=

⇔ −

+ =

.  

Stąd      

1, 5

W

p

=

.                                              

c)  Cenę, przy której producentowi przestanie się opłacać sprzedaż, wyznaczamy z równania 
     

( )

0

S p

=

.    Mamy:    

( )

2

0

3

1

0

S p

p

=

− =

Wynika stąd, że  graniczna cena niska wynosi   

3

0, 57...

3

N

p

=

=

.        

d) Przedział cen, w którym popyt przewyższa podaż , wyznaczamy z układu nierówności: 

                                                  

( ) ( )

0,

.

p

D p

S p



>



 

Mamy: 

         

( )

(

)

)

2

7
3

0

0

0

0;1

( )

;1

4

6

3

1

p

p

p

p

D p

S p

p

p

p

>

∈ −

+ >

e) Elastyczności popytu i podaży wyrażają się za pomocą wzorów: 

                      

( )

( )

( )

p

p D p

E D p

D p

=

 oraz   

( )

( )

( )

p

p S

p

E S p

S p

=

Ponieważ    

( )

( )

4 ,

6

D p

S

p

p

= −

=

, więc 

background image

 

62 

 

                       

( )

4

4

6

p

p

E D p

p

=

+

 oraz   

( )

2

2

6

3

1

p

p

E S p

p

=

Dla ceny równowagi   * 1

p

=

 otrzymujemy            ; 

( )

1

1

2

E D

= −

  oraz  

( )

1

1

3

E S

=

Wzrost ceny od poziomu  

1

p

=

  o  1% spowoduje spadek popytu o około 2% i wzrost 

podaży o około 3%. Oznacza to, że przy tej cenie zarówno popyt jak i podaż są elastyczne. 
Zadanie 9. 
Funkcji popytu i podaży określone są równaniami: 
                               

( )

( )

2

116 20

,

9

D p

p

S p

p

=

=

gdzie p - cena [w zł] , 

( )

( )

,

D p

S p

  [w tys. sztuk] . Na podstawie tych informacji 

wyznaczyć: 
a) cenę równowagi rynkowej oraz wartości zrównoważonego popytu i zrównoważonej 
    podaży, 
b) cenę, przy której konsument przestanie kupować towar. 
c) cenę, przy której producentowi przestanie się opłacać sprzedaż, 
d) przyjmując, ze produkt ten jest sprzedawany po cenie 

4

p

=

 zł za sztukę określić, jak 

    zmieni się popyt i podaż, gdy cena produktu wzrośnie 1 zł. 
 
Odpowiedź. 
a)  

*

*

*

5 ,

16,

p

D

S

=

=

=

  b)   graniczna cena niska  

3,

N

p

=

 zł, 

c) graniczna cena wysoka  

5,8

W

p

=

 zł,  d)  popyt zmaleje o 20 jednostek, zaś podaż wzrośnie 

o 8 jednostek. 
 

 
3.  Funkcje  Törnquista

  

 
   Szwedzki ekonomista  Törnquist zaproponował by dobra zaliczyć do jednej z trzech grup: 
1. grupa dóbr pierwszej potrzeby, 
2. grupa dóbr wyższego rzędu, 
3. grupa dóbr luksusowych. 
   Postawił przy tym hipotezę, że 

funkcje popytu (wydatków)  

1

2

3

,

,

T T

 dla tych 

trzech 

rodzajów 

dóbr  mają postać: 

               

( )

1

,

0

x

T x

x

x

α

=

+ β

   ( dla dóbr pierwszej potrzeby) , 

               

( )

(

)

2

,

x

T x

x

x

α − γ

=

≥ γ

+ β

   ( dla dóbr wyższego rzędu) ,

  

               

( )

2

,

x

T x

x

x

x

− γ

= α

≥ γ

+ β

   ( dla dóbr luksusowych) , 

gdzie  

x

oznacza 

dochód (konsumentów), natomiast   , ,

α β γ

 są dodatnimi parametrami. 

 
Przedstawimy teraz badanie przebiegu zmienności funkcji  

1

2

3

,

,

T T

 
 
 
 

background image

 

63 

 

I.  Funkcja Törnquista ( dla dóbr pierwszej potrzeby): 

                                           

( )

1

,

0,

0 ,

0

x

T x

x

x

α

=

α >

β >

+ β

1.  Dziedzina :  

)

0;

.

D

=

+∞

 

2. Wyznaczamy granice funkcji na końcach dziedziny 

                            

0

lim

0, lim

lim

1

/

x

x

x

x

x

x

x

x

+

→+∞

→+∞

α

α

α

=

=

= α

+ β

+ β

+ β

 . 

 
Zatem prosta   y

= α

 jest asymptotą poziomą (prawostronną) funkcji  

1

T

 . Asymptot 

pionowych i ukośnych w dziedzinie 

)

0;

D

=

+∞

 funkcja 

1

T

 nie posiada. 

( )

1

0

0

T

=

 .  

3.  Obliczamy pochodną funkcji 

1

T

 : 

                               

( )

(

)

(

)

1

2

2

x

x

T x

x

x

α + αβ − α

αβ

=

=

+ β

+ β

.  

 

( )

1

0

T x

>

  dla każdego  

)

0;

x

D

∈ =

+∞

⇒  funkcja  

1

T

 jest rosnąca w zbiorze D

Brak ekstremum. 
4. Obliczamy drugą pochodną funkcji 

1

T

 : 

                                                

( )

(

)

1

3

2

T x

x

αβ

′′

= −

+ β

.  

( )

1

0

T x

′′

<

  w dziedzinie  D , wobec tego funkcja 

1

T

 nie ma punktów przegięcia i jest wklęsła 

w zbiorze D. 
5.  Tabelka zmienności funkcji: 
                                     

       

    0 

   … 

+

 

     

( )

1

T x

 

 

    + 

 

     

( )

1

T x

′′

 

 

    

 

 

     

( )

1

T x

 

   0 

   ր  

  

α

 

 
 
6.   Wykres :      
 
                               
 
 
 
 
 
 
 

 

       
 

background image

 

64 

 

Wniosek 
Wydatki na dobra pierwszej grupy są rosnącymi funkcjami dochodów, przy czym wzrost ich 
jest coraz wolniejszy. Popyt na te dobra stabilizuje się wraz ze wzrostem dochodów osiągając 
poziom nasycenia 

α

. Dobra pierwszej potrzeby konsument nabywa już przy najniższych 

dochodach. 
Uwaga. 
Obliczmy teraz elastyczność popytu względem dochodu: 

                    

( )

( )

( )

(

)

(

)

1

1

2

1

T x

x

ET x

x

x

T x

x

x

x

+ β

αβ

β

=

=

=

α

+ β

+ β

Zatem elastyczność jest zmienna i jej wartość maleje do zera, gdy dochód konsumenta 
rośnie; elastyczność ta jest zawsze mniejsza od 1. Oznacza to, że konsumenci o wyższych 
dochodach w większym stopniu zaspokajają popyt na dobra podstawowe
 i ich reakcje na 
dalszy wzrost dochodów, jeżeli chodzi o te dobra są słabsze niż konsumentów o niższych 
dochodach. 
 
 II.  Funkcja Törnquista ( dla dóbr wyższego rzędu): 

                               

( )

(

)

2

,

0,

0 ,

0,

x

T

x

x

x

α − γ

=

α >

β >

γ >

≥ γ

+ β

1.  Dziedzina :  

)

;

.

D

= γ +∞

 

2. Wyznaczamy granice funkcji na końcach dziedziny 

                            

(

)

(

)

(

)

1

/

lim

0, lim

lim

1

/

x

x

x

x

x

x

x

x

x

+

→+∞

→+∞

→γ

α − γ

α − γ

− γ

=

=

α

= α

+ β

+ β

+ β

 . 

 
Zatem prosta   y

= α

 jest asymptotą poziomą (prawostronną) funkcji  

1

T

 . Asymptot 

pionowych i ukośnych w dziedzinie 

)

;

D

= γ +∞

 funkcja 

1

T

 nie posiada. 

( )

2

0

T x

x

=

⇔ = γ

 .  

3.  Obliczamy pochodną funkcji 

2

T

 : 

                               

( )

(

)

2

2

T x

x

β + γ

= α

+ β

.  

 

( )

1

0

T x

>

  dla

x

> γ

⇒  funkcja  

2

T

 jest rosnąca w zbiorze w przedziale  

(

)

;

γ +∞

Brak ekstremum. 
4. Obliczamy drugą pochodną funkcji 

2

T

 : 

                                                

( )

(

)

(

)

2

3

2

T x

x

− β + γ

′′

= α

.  

( )

2

0

T x

′′

<

  dla  

x

> γ

, wobec tego funkcja 

2

T

 jest wklęsła w zbiorze 

D. 

5.  Tabelka zmienności funkcji: 
                                     

       

    

γ

 

   … 

+

 

     

( )

1

T x

 

    

+

 

    + 

 

     

( )

1

T x

′′

 

    

 

    

 

 

     

( )

1

T x

 

   0 

   ր  

  

α

 

background image

 

65 

 

 
6.   Wykres:      
 
                               
 
 
 
 
Z analizy wykresu funkcji 

2

T

 wynika, że popyt na dobra  i usługi wyższego rzędu  rośnie w 

miarę wzrostu dochodu konsumenta , przy czym wzrost ich jest coraz wolniejszy. Popyt na te 
dobra stabilizuje się wraz ze wzrostem dochodów osiągając poziom nasycenia 

α

.  

Elastyczność popytu względem dochodu dla funkcji  

2

T

 wynosi 

 

         

( )

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)(

)

2

2

2

2

T x

x

x

ET x

x

x

T x

x

x

x

x

x

x

α β + γ

+ β

β + γ

β

γ

=

=

=

=

+

α − γ

+ β

− γ

+ β

− γ

+ β

 
Z analizy tego wzoru wynika, że elastyczność funkcji 

2

T

  jest zmienna i maleje do zera wraz 

ze wzrostem dochodu konsumenta, co interpretujemy podobnie jak w przypadku funkcji 

1

T

    Założenie  

0

γ >

 interpretujemy następująco: konsument zaczyna realizować wydatki na 

dobra wyższego rzędu, gdy ma zaspokojone podstawowe potrzeby. 
 
                                        
 

II.  Funkcja Törnquista ( dla dóbr luksusowych): 

                               

( )

3

,

0,

0 ,

0,

x

T x

x

x

x

− γ

= α

α >

β >

γ >

≥ γ

+ β

1.  Dziedzina :  

)

;

.

D

= γ +∞

 

2. Wyznaczamy granice funkcji na końcach dziedziny 

    lim

0, lim

lim

1

/

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

+

→+∞

→+∞

→γ

− γ

− γ

− γ

α

=

α

=

α

= +∞

+ β

+ β

+ β

 . 

Badamy, czy istnieje asymptota ukośna funkcji

  

3

T

 w kierunku 

+∞

 postaci   y

ax b

=

+

.        

W tym celu obliczmy granice: 

                         

( )

3

1

/

lim

lim

lim

1

/

x

x

x

T x

x

x

a

x

x

x

→+∞

→+∞

→+∞

− γ

− γ

=

=

α

=

α

= α

+ β

+ β

    

( )

(

)

(

)

(

)

3

lim

lim

lim

lim

.

1

/

x

x

x

x

x

x

b

T x

x

x

x

x

x

x

→+∞

→+∞

→+∞

→+∞

−α γ + β

−α γ + β

− γ

=

− α =

α

− α =

=

= −α γ + β

+ β

+ β

+ β

 

Równanie asymptoty ukośnej 
                                                   

(

)

y

x

= α − α γ +β

( )

3

0.

T

γ =

 .  

 
 
3.  Obliczamy pierwszą  pochodną funkcji 

3

T

 : 

                               

( )

(

)

2

3

2

2

x

x

T x

x

+ β −βγ

= α

+ β

.  

background image

 

66 

 

Badamy licznik  (gdyż mianownik jest stale dodatni dla   x

D

). Ma on postać 

2

2

y

x

x

=

+ β − βγ

.  Mamy  

2

4

4

0

∆ = β + βγ >

. Zatem ma on dwa miejsca zerowe 

1

2

,

x x

, dla 

których  

1

2

2

x

x

+ = − β

 oraz  

1 2

x x

= −βγ

, (wzory Vieta). Wynika stąd, że pierwiastki są 

różnych znaków. Pierwiastek ujemny nie należy do dziedziny. Pokażemy, że pierwiastek 
dodatni jest mniejszy od 

γ

.  

Mamy 

2

2

2

2

4

4

2

x

− β +

β + βγ

=

= −β + β + βγ

                         

(

)

(

)

2

2

x

< γ ⇔ −β + β + βγ < γ

Nierówność po prawej stronie przedstawiamy  w równoważny sposób w postaci 

                                           

2

β + βγ < β + γ

co po podniesieniu obu stron do kwadratu i uporządkowaniu daje nierówność prawdziwą 
                                                 

2

0

γ + βγ >

Z własności funkcji kwadratowej wynika, że dla   x

≥ γ

   

2

2

0

x

x

+ β −βγ >

, a co za tym idzie 

( )

3

0

T x

>

  dla   x

≥ γ

. Funkcja 

3

T

 jest więc rosnąca w przedziale  

(

)

;

γ +∞

 
4. Obliczamy drugą pochodną funkcji 

3

T

 : 

                                                

( )

(

)

(

)

3

3

2

T x

x

β β + γ

′′

= α

+ β

.  

( )

3

0

T x

′′

>

  dla  

x

≥ γ

 ,(gdyż 

0,

0 ,

0

α >

β >

γ >

).  Wobec tego funkcja 

3

T

 jest wypukła          

w zbiorze D. 
5.  Tabelka zmienności funkcji: 
                                     

       

    

γ

 

   … 

         +

 

     

( )

3

T x

 

     

    + 

 

     

( )

3

T x

′′

 

     

    

+

 

 

     

( )

3

T x

 

   0 

   ր  

(

)

y

x

= α − α β + γ

  

6.   Wykres :      
 
                               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Z analizy wykresu funkcji 

2

T

 wynika, że popyt na dobra  i usługi wyższego rzędu  rośnie w 

miarę wzrostu dochodu konsumenta , przy czym wzrost ich jest coraz szybszy. Popyt na te 
dobra  wraz ze wzrostem dochodów  jest nieograniczony.  

background image

 

67 

 

Elastyczność popytu względem dochodu dla funkcji  

3

 wynosi 

 

         

( )

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

) (

)(

)

2

3

3

2

3

2

1

T x

x

x

x

ET x

x

x

T x

x

x

x

x

x

x

α β + γ

+ β

+ β − βγ

β

γ

=

=

=

= +

+

α − γ

+ β

− γ

+ β

− γ

+ β

 
Elastyczność ta jest większa od 1 , gdy dochód rośnie nieograniczenie. 
 
    Założenie  

0

γ >

 interpretujemy następująco: konsument po osiągnięciu poziomu 

dochodu w wysokości 

γ

 zaczyna realizować wydatki na dobra luksusowe (które w 

przeciwieństwie do poprzednich wzrastają nieograniczenie). 
 
Uwaga 
Parametr  

γ

 w funkcjach  

2

T

 oraz  

3

 wyznacza hierarchię pilności potrzeb , a parametr 

α

 

dla funkcji  

1

T

 oraz  

2

T

  

poziom ich nasycenia. 

 

4.  Krzywa (funkcja) logistyczna 

 
   Szczególnym przypadkiem funkcji jednej zmiennej są tzw. trendy. W ekonomii trendem 
nazywa się funkcję lub krzywą, która obrazuje proces zmian badanej wielkości w czasie. Czas 
zwykle oznaczamy literą  

t.  

    Szerokie zastosowanie w badaniach ekonomicznych ma funkcja (krzywa) logistyczna 
określona dla  

0

t

 wzorem: 

                                                

( )

1

t

y t

e

−γ

α

=

+ β

 , 

gdzie  

0,

1,

0

α >

β >

γ >

Przeprowadzimy badanie przebiegu zmienności tej funkcji. 
 

1.  Dziedzina  funkcji      

( )

1

t

y t

e

−γ

α

=

+ β

    

)

0;

D

=

+∞

     

( )

0

1

y

α

=

+ β

2. Granice na końcach dziedziny: 

                       

0

lim

1

1

t

t

e

+

−γ

α

α

=

+ β

+ β

   ,    lim

lim

1

1

1 0

t

t

t

t

e

e

γ

−γ

β

→+∞

→+∞

α

α

α

=

=

= α

+ β

+

+

.     

   Zatem prosta   y

= α

 jest asymptotą prawostronną funkcji. 

3. Obliczmy pochodną funkcji: 

               

(

)

( )

(

) (

)

(

)

1

2

2

1

1

1

(

)

1

t

t

t

t

t

e

y

e

e

e

e

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

αβγ

′ = α + β

= − α + β

⋅ β −γ

=

+ β

 . 

  Ponieważ dla  

0

t

  

( )

0

y t

>

 , więc funkcja jest rosnąca dla  

(

)

0;

t

+∞

.      

4. Obliczamy drugą pochodną: 

    

(

)

(

)(

)

(

)

(

)

2

2

4

3

(

)

1

2 1

1

1

1

t

t

t

t

t

t

t

t

t

e

e

e

e

e

e

y

e

e

e

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

−γ

+ β

+ β

−βγ

β

′′ = αβγ

= αβγ

+ β

+ β

 . 

 

background image

 

68 

 

Badamy znak drugiej pochodnej: 
                                            

( )

0

1

0

t

y t

e

−γ

′′

>

⇔ β

− >

Nierówność przedstawiamy w postaci    

 

1

t

e

γ

β >

  , która jest równoważna nierówności   

t

e

γ

< β

. Wynika stąd, że  

ln

t

γ < β

  

i ostatecznie   

ln

t

β

<

γ

.  Zatem krzywa logistyczna jest wypukła dla  

ln

0

t

β

≤ <

γ

Podobnie pokazujemy, że 

( )

0

y t

′′

<

  dla  

ln

t

β

>

γ

, co oznacza, że  krzywa logistyczna jest 

wklęsła dla  

ln

t

β

>

γ

Dla   

ln

t

β

=

γ

  jest punkt przegięcia. 

5.  Tabelka zmienności:     
                          

       

  

   … 

    

ln

β

γ

 

   … 

  +

 

     

( )

y t

 

 

   

+

 

    

+

 

    + 

 

     

( )

y t

′′

 

 

    

+

 

     0 

    

 

 

     

( )

y t

 

1

α

 

  ր  

    

2

α

 

   ր  

   

α

  

 
 
6.  Wykres 
 

                                                                   

 

 
 
 

    
   
 
 
 
Przedstawiona na wykresie krzywa logistyczna ma własność charakterystyczną dla wzrostu 
wielu wielkości ekonomicznych. Często bowiem obserwujemy następującą tendencję: 
na początku wielkość rośnie szybko, po osiągnięciu pewnego poziomu prędkości wzrost 

słabnie i następuje stabilizacja. U nas tym poziomem jest punkt przegięcia  

(

)

ln

2

,

β α

γ

Parametr 

α

 krzywej logistycznej nazywamy 

poziomem nasycenia. 

Elastyczność funkcji logistycznej 

                                         

( )

( )

( )

1

t

t

t

t y t

e

t

E y

y t

e

−γ

−γ

βγ

=

=

+ β

                                                                                     
 
 
 
 

background image

 

69 

 

 

BIBLOGRAFIA 
 

1.

  

Banaś  J. , Podstawy matematyki dla ekonomistów,  

        Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2005. 
 
2.  
Dziedzic I., Sozański B., Algebra i analiza w zagadnieniach ekonomicznych, 
       
Wydawnictwo Bila, Rzeszów, 2007. 
 
3.   Gawinecki J. , Matematyka dla ekonomistów, Wyższa Szkoła Handlu i Prawa 
      w Warszawie, 2000. 
 
4.   Gewert M. , Skoczylas Z.,  Analiza matematyczna 1. Definicje, twierdzenia, wzory, 
      
Oficyna Wydawnicza Gis, Wrocław ,2006. 

 

5.   Gewert M. , Skoczylas Z., Analiza matematyczna 1.  Przykłady i zadania , 
      
Oficyna Wydawnicza Gis, Wrocław ,2006. 
        
6

.  

Gurgul H. , Suder M. , Matematyka dla kierunków ekonomicznych ,  

      Oficyna a Wolter Kluwer business , Kraków .2009. 
 
7.  Leja F., Rachunek różniczkowy i całkowy,  PWN, Warszawa , 1977 (lub wydania 
      późniejsze). 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                         Opracował: dr Franciszek Bogowski