1.4 Průběh funkce

Často potřebujeme získat celkovou představu, jak zadaná funkce závisí na své nezávislé proměnné - vyšetřit její průběh. Konečným cílem takového snažení pak obvykle bývá náčrt grafu zkoumané funkce.

Teorii naleznete v kapitole 4.6 Multimediální encyklopedie nebo v kapitole 1.4 Breviáře

Příklad 1

Vyšetřete průběh funkce "1_4_1.gif"

Řešení


Definujme funkci (viz definice funkce)

"1_4_2.gif"


Protože výraz  je vždy nenulový, je maximální definiční obor studované funkce totožný s množinou všech reálných čísel.

Průsečík s osou y (x = 0, stačí spočítat funkční hodnotu):

"1_4_3.gif"

"1_4_4.gif"

Průsečík s osou x (y = 0, řešíme rovnici pro neznámou x, pomocí funkce Solve ):

"1_4_5.gif"

"1_4_6.gif"

Funkce je spojitá na množině všech reálných čísel, neboť  obě funkce  x a "1_4_7.gif" jsou spojitými funkcemi  a druhá znich  nenabývá navíc v žádném bodě reálné osy nulové hodnoty.

Limita v minus nekonečnu (pomocí funkce Limit):

"1_4_8.gif"

"1_4_9.gif"

Limita v plus nekonečnu (opět funkce Limit):

"1_4_10.gif"

"1_4_11.gif"

Intervaly monotonie:
Intervaly monotonie hledáme řešením nerovnic "1_4_12.gif" resp. "1_4_13.gif" .
Potřebujeme tedy znát první derivaci studované funkce (spočteme použitím funkce D a zjednodušíme ji pomocí Simplify)

"1_4_14.gif"

"1_4_15.gif"

Pro rostoucí funkci je derivace kladná a pro klesající záporná,  body (tzv. stacionární body, či obecně oblasti), kde dochází ke změně znaménka, odpovídají nulové derivaci. Tyto body určíme řešením příslušné rovnice.

"1_4_16.gif"

"1_4_17.gif"

Kladná derivace resp. záporná derivace určí intervaly, kde je funkce monotónně rostoucí resp. klesající (využijeme funci Reduce k vyřešení příslušných nerovnic):

"1_4_18.gif"

"1_4_19.gif"

Na intervalu (-1,1) je tedy funkce f rostoucí, na intervalech (-∞,-1)  a (1,∞) klesající.

Lokální extrémy
Na základě právě určených intervalů monotonie vidíme okamžitě, že v bodě x = -1 nabývá studovaná funkce svého lokálního minima a v bodě x = 1 lokálního maxima. Výše jsme již ukázali, že jsou to staconární body s nulovou první derivací. O tom, zda je v těchto bodech extrém (minimum či maximum) rozhodne druhá derivace funkce (můžeme derivovat 1. derivaci opět pomoci funkce D nebo zadat výpočet druhé derivace původní funkce f(x) rozšířením  parametru funkce D na {x, 2}).

"1_4_20.gif"

"1_4_21.gif"

"1_4_22.gif"


V případě minima je druhá derivace kladná:

"1_4_23.gif"

"1_4_24.gif"


V případě maxima je druhá derivace záporná:

"1_4_25.gif"

"1_4_26.gif"


(V Mathematice lze hodnotu či hodnoty výrazu nebo funkce, zde derivace, v daném bodě určit také přímo pomocí operátoru /.)

"1_4_27.gif"

"1_4_28.gif"

(Ve výše uvedené formě se ale derivace pokaždé počítá znovu)

Intervaly konvexnosti a konkávnosti
Musíme zjistit, pro které intervaly  má druhá derivace funkce  kladnou (konvexní funkce) resp. zápornou hodnotu (konkávní funkce).
(Využit lze i zde funkci Reduce pro řešení příslušných nerovnic).

"1_4_29.gif"

"1_4_30.gif"

Pro první dvojici spočtených intervalů je funkce konvexní pro druhou konkávní.


Asymptoty
Přímky   "1_4_31.gif", k nimž se graf funkce v plus či minus nekonečnu neomezně blíží.

Asymptota v -∞
Parametry určíme pomocí limity.

Parametr k1

"1_4_32.gif"

"1_4_33.gif"

Parametr q1

"1_4_34.gif"

"1_4_35.gif"

Tedy y = 0 - asymptotou je osa x.


Asymptota v ∞
Parametry určíme podobným způsobem.

Parametr k2

"1_4_36.gif"

"1_4_37.gif"

Parametr q2

"1_4_38.gif"

"1_4_39.gif"

Opět y = 0 - i zde je asymptotou je osa x.


Graf funkce
Nakonec můžeme vykreslit graf funkce např. na intervalu (-10,10).
(využijeme funkci Plot s možností nastavení požadovaného intervalu).

"1_4_40.gif"

"1_4_41.gif"

Spikey Created with Wolfram Mathematica 7.0