2 Reálné funkce jedné reálné proměnné

Transkript

1 2 Reálné funkce jedné reálné proměnné S funkcemi se setkáváme na každém kroku, ve všech přírodních vědách, ale i v každodenním životě. Každá situace, kd jsou nějaký jev nebo veličina jednoznačně určen jinými jev nebo veličinami, se dá popsat pomocí funkce. Někd je jednoduché takovou funkci sestavit. Snadno například dokážeme určit přírustek našich úspor ve spořitelně v závislosti na době spoření, pokud známe úrokou míru. Nebo dokážeme zjistit, jakou dráhu urazí automobil jedoucí známou rchlostí v závislosti na tom jak dlouho jede. Jind je naopak skoro nemožné přijít nato, jak taková funkce vpadá, neboť nemáme dostatek informací o parametrech, které do jejího zápisu vstupují. Závisí-li zkoumaný jev na jediné veličině, jejíž hodnot jsou reálné, hovoříme o funkci jedné reálné proměnné. Definice 2.1. Nechť A R, A. Zobrazení f množin A do množin R (f : A R) nazýváme reálnou funkcí jedné reálné proměnné (dále jen funkcí). Množina A se nazývá definiční obor funkce f a značí se D f. Podle definice je funkce zobrazení, které každému A přiřadí právě jedno R, zapisujeme = f(). Říkáme, že je hodnotou funkce f v bodě. Definice 2.2. Množinu všech takových R, k nimž eistuje D f tak, že = f(), nazýváme obor hodnot funkce f a označujeme H f. Tj. H f = { R : D f takové, že = f()}. Definice 2.3. Je-li = f() nazýváme proměnnou nezávislou proměnnou a proměnnou závislou proměnnou. Grafem funkce rozumíme množinu všech uspořádaných dvojic [, ] R 2 s vlastností = f(). U rálných funkcí jedné proměnné hraje grafické znázornění funkce velkou roli. To souvisí s geometrickou interpretací pojmů uspořádaná dvojice, kartézský součin atd. Geometrick lze uspořádanou dvojici (, ) chápat jako bod o souřadnicích a. Libovolnou množinu uspořádaných dvojic lze pak geometrick chápat jako množinu bodů v rovině. Ab množina v rovině bla grafem funkce, nesmí množina obsahovat bod tvaru (, 1 ), (, 2 ), 1 2, tj. bod, které leží nad sebou. 2.1 Zadání a graf funkce Zadat funkci znamená udat její definiční obor a zobrazovací předpis. Často se stává, že je funkce zadána pouze předpisem a definiční obor není výslovně uveden. Pak pokládáme za definiční množinu všech takových R, pro která má daný předpis smsl. Ukážeme jednotlivé možnosti na jednoduchém příkladu, kd chceme hodnotám proměnné z množin D přiřadit jejich druhé mocnin. 11

2 12 2. REÁLNÉ FUNKCE JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ Obrázek 2.1: Kružnice není grafem funkce Obrázek 2.2: Parabola je grafem funkce Zvolme pro náš příklad definiční obor výčtem, například Nní zadáme předpis: D f = { 3, 2, 1,, 1, 2, 3, 4}. Zadání slovním předpisem: Předpis f přiřazuje každé z hodnot D f její druhou mocninu. Zadání vzorcem: Jednoduchý vzorec = 2 pro D f zadává zobrazení f : D f f() = 2 R. Zadání tabulkou: Hodnot obrazů pro všechn vzor z D f vpíšeme do tabulk: Zadání grafem: Zadáme množinu G f = { [, f()] D f } = { [, 2 ] : D f } tak, že dvojice [, f()] znázorníme jako bod v rovině (obr. 2.3) Obrázek 2.3: Zadání funkce grafem Obrázek 2.4: Zadání funkce grafem Zadání pomocí rovnice, jíž funkce řešením, obecně F (, ) =. Jiné způsob zadání předpisu funkce přesahují v současnosti rámec našich znalostí, nebudeme se jim v tetu věnovat. Zadání definičního oboru je nepominutelnou součástí zadání funkce. Kdbchom například zadali funkci opět předpisem = 2, avšak za definiční obor stanovili uzavřený interval D f = [ 3, 4], dostali bchom graf na obrázku 2.4. Jde o jinou funkci než na obrázku 2.3. Její úplnou tabulku bchom nedokázali napsat vůbec.

3 Graf: Příklad 2.4. Nakreslete graf funkce 1, <, f : =, =, 1, >. 2. ZADÁNÍ A GRAF FUNKCE 13 Obrázek 2.5: = sign Tato funkce se nazývá signum a dále ji budeme značit sign, tj. f : = sign. Přitom D f = R a H f = { 1,, 1}. Graf: Příklad 2.5. Nakreslete graf funkce f : = {, <,,. Obrázek 2.6: = Tato funkce se nazývá absolutní hodnota a dále budeme používat zápis f : =. Přitom D f = R a H f = [, ). Poznámka 2.6. S funkcí = se budeme dále často setkávat. Uveďme si proto její nejdůležitější vlastnosti. Pro, 1, 2 R platí: (1),, =, (2) , (3) 1 2 = 1 2, (4) 1 2 = 1 2 pro 2. Příklad 2.7. Uvažujme funkci f : = { 1, Q,, I.

4 14 2. REÁLNÉ FUNKCE JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ Tato funkce se nazývá Dirichletova funkce, D f = R a H f = {, 1}. Graf této funkce nelze nakreslit, protože množin racionálních i iracionálních čísel jsou husté v množině reálných čísel Ohraničené funkce 2.2 Vlastnosti funkcí V kapitole 1 jsme definovali pojem ohraničená množina. Nní si pojem ohraničenosti zavedeme také pro funkce. Definice 2.8. Řekneme, že funkce f je shora (resp. zdola) ohraničená na množině M D f, je-li shora (resp. zdola) ohraničená množina {f() : M}. Řekneme, že funkce f je shora (resp. zdola) ohraničená, je-li shora (resp. zdola) ohraničená na D f. Funkce se nazývá ohraničená, je-li současně ohraničená shora i zdola. Poznámka 2.9. Množina {f() : D f } je shora ohraničená, právě kdž eistuje horní závora této množin. Ted funkce f je shora ohraničená, jestliže lze najít konstantu L R tak, že f() L pro každé D f. Graf shora ohraničené funkce ted leží celý pod přímkou = L - viz násl. obr. L = f() = L Podobně si rozmslete funkci ohraničenou zdola. Funkce je ohraničená, jestliže lze najít konstant K a L tak, že K f() L pro každé D f. Graf leží mezi rovnoběžkami ve výškách K a L. L = L = f() K = K Často budeme používat ekvivalentní vjádření ohraničenosti: Funkce je ohraničená, jestliže eistuje konstanta C > taková, že pro každé D f platí f() C. Můžeme např. zvolit C = ma{k, L}.

5 2. VLASTNOSTI FUNKCÍ Monotónní funkce Definice 2.1. Řekneme, že funkce f je (1) rostoucí (resp. klesající) na množině M D f, jestliže pro každé 1, 2 M takové, že 1 < 2, platí f( 1 ) < f( 2 ) (resp. f( 1 ) > f( 2 )). (2) neklesající (resp. nerostoucí) na množině M D f, jestliže pro každé 1, 2 M takové, že 1 < 2, platí f( 1 ) f( 2 ) (resp. f( 1 ) f( 2 )). (3) rostoucí (resp. klesající, neklesající, nerostoucí), je-li rostoucí (resp. klesající, neklesající, nerostoucí) na celém svém definičním oboru. Je-li funkce rostoucí, klesající, nerostoucí nebo neklesající, říkáme, že je monotónní. Speciálně, je-li rostoucí nebo klesající, říkáme, že je rze monotónní. Zřejmě každá rostoucí funkce je i neklesající a každá klesající funkce je i nerostoucí. Opak ale neplatí (monotónní funkce mohou být na nějakém intervalu konstantní). Situace je znázorněna na následujících obrázcích. f( 2 ) f( 1 ) f( 1 ) = f( 2 ) graf rostoucí funkce graf neklesající funkce (která není rostoucí) f( 1 ) f( 1 ) = f( 2 ) f( 2 ) graf klesající funkce graf nerostoucí funkce (která není klesající) Zatím nemáme vhodné prostředk na ověřování monotónie (t budeme mít až v kapitole týkající se průběhu funkce), a proto uvedeme pouze několik jednoduchých příkladů, kde situace bude zřejmá. Příklad Všetřete monotonii následujících funkcí Řešení: a) f : = 2, [, ], b) g : = 2, (, ], c) h : = 2, R. a) Nechť 1, 2 [, ], 1 < 2. Pak (vzhledem k tomu, že 1, 2 jsou nezáporná čísla) je 2 1 < 2 2, tj. f( 1) < f( 2 ), a ted f je rostoucí. b) Nechť 1, 2 (, ], 1 < 2. Pak je 2 1 > 2 2, tj. g( 1) > g( 2 ), a ted g je klesající.

6 16 2. REÁLNÉ FUNKCE JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ c) Vzhledem k předešlým výsledkům víme, že funkce h je na (, ] klesající a na [, ) rostoucí. Z toho vplývá, že na (, ) funkce h není monotónní. Grafem funkce h je parabola viz následující obrázek = f() = g() = h() Prostá funkce Definice Řekneme, že funkce f je prostá, jestliže pro každé 1, 2 D f, 1 2, platí f( 1 ) f( 2 ). Ověřujeme-li, zda je funkce prostá, vužíváme často ekvivalentní podmínku: Jestliže pro 1, 2 D f platí f( 1 ) = f( 2 ), pak musí být 1 = 2. Všimněme si, že každá rze monotónní funkce je prostá (nemůže mít v různých bodech stejnou funkční hodnotu), ale opak neplatí, tj. ne každá prostá funkce musí být nutně monotónní. Např. funkce = Sudá a lichá funkce Další dvě vlastnosti se týkají určité souměrnosti grafu. Budeme uvažovat takovou funkci f, jejíž definiční obor D f je souměrný vzhledem k počátku, tj. s každým číslem současně obsahuje i opačné číslo. Pak má smsl porovnávat funkční hodnot f() a f( ). Definice Funkce f se nazývá sudá (resp. lichá), jestliže platí (1) je-li D f, pak D f, (2) f( ) = f() (resp. f( ) = f()) pro každé D f. Z definice vplývá, že graf sudé funkce je souměrný podle os a graf liché funkce je souměrný podle počátku. Obecně nemusí být funkce sudá ani lichá. Funkce = je zárověň sudá i lichá Periodická funkce Definice Řekneme, že funkce f je periodická s periodou p, p R +, jestliže platí (1) je-li D f, pak + p D f, (2) f( + p) = f() pro každé D f.

7 2. OPERACE S FUNKCEMI 17 Jinými slov, v bodech majících od sebe vzdálenost p jsou stejné funkční hodnot. Ted stačí znát graf funkce f na nějakém intervalu délk p a celý graf dostaneme kopírováním této části, kterou posouváme o p vpravo nebo vlevo (vlevo jen pokud to definiční obor připouští). Funkce periodická s periodou p je též periodická s periodou k p, k N. Pokud eistuje nejmenší perioda, nazývá se základní perioda. Nejznámější periodické funkce jsou funkce goniometrické. Např. sinus a kosinus mají základní periodu 2π. Funkce = c, c R je periodická funkce, která nemá základní periodu. 2.3 Operace s funkcemi Součet, rozdíl, součin a podíl funkcí Definice Nechť f a g jsou funkce. Součtem f +g, rozdílem f g, součinem f g a podílem f/g funkcí f a g nazveme funkce definované následujícími předpis (f + g)() = f() + g() pro D f D g, (f g)() = f() g() pro D f D g, (f ( ) g)() = f() g() pro D f D g, f () = f() pro D f D g \{z R : g(z) = }. g g() Absolutní hodnotou funkce f nazýváme funkci f definovanou předpisem: f () = f() pro D f. Je třeba si uvědomit, že například ve vztahu (f + g)() = f() + g() vstupuje stejný smbol + ve dvou různých významech. Na levé straně rovnosti znamená operaci mezi funkcemi (funkcím f a g je přiřazena funkce f + g) a na pravé straně má + význam součtu dvou reálných čísel f() a g(). Obdobně pro ostatní operace. Speciálním případem součinu dvou funkcí je součin konstant a funkce, tj. pro c R dostáváme Skládání funkcí (c f)() = c f(), D f. Uvažujme dvě funkce f a g. Funkce f každému prvku D f přiřadí prvek = f() H f. Jestliže tento prvek náleží definičnímu oboru funkce g ( D g ), pak jej funkce g zobrazí na prvek z = g() H g. Přitom platí z = g() = g(f()). Dostáváme ted novou funkci, která prvku přiřazuje prvek z = g(f()). H f D f f() g g[f()] f D g H g g f

8 18 2. REÁLNÉ FUNKCE JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ Definice Nechť f, g jsou funkce. Složenou funkcí g f nazýváme funkci definovanou předpisem (g f)() = g(f()), kde D f f() D g. Funkci f nazýváme vnitřní složka a funkci g vnější složka složené funkce g f. Zápis g f čteme g složena s f (nejprve bereme funkci f a pak funkci g). Při určování D g f (který je obecně pouze částí D f ) musíme vžd zvážit, která je možno vzít, abchom mohli f() dosadit do předpisu pro funkci g. Poznámka (1) Lze jednoduše dokázat, že složením dvou prostých funkcí dostaneme funkci prostou. Speciálně, složením dvou rostoucích funkcí dostáváme rostoucí funkci, složením dvou klesajících funkcí dostáváme rostoucí funkci, složením funkce rostoucí a klesající v libovolném pořadí dostáváme funkci klesající. (2) Složením dvou sudých funkcí dostáváme sudou funkci. Složením dvou lichých funkcí dostáváme lichou funkci. Složíme-li sudou a lichou funkci v libovolném pořadí, dostáváme sudou funkci Inverzní funkce Definice Nechť f je funkce. Funkce f 1 se nazývá funkce inverzní k funkci f, jestliže (1) D f 1 = H f, (2) pro každé D f 1 platí f 1 () = f() =. Označení f 1 je pro inverzní funkci, pozor na f 1 1 f. Nezávislá proměnná je pro funkci f 1 označena písmenem a pro funkci f označena jako především kvůli praktickým výpočtům. Fakt, že funkce f 1 je inverzní k funkci f, závisí na tvaru těchto funkcí a ne na písmenu, kterým označujeme nezávisle proměnnou. Věta Nechť f je funkce. Pak f 1 eistuje právě tehd, kdž f je prostá. Je-li f funkce, pak ke každému D f eistuje právě jedno H f tak, že = f(). Je-li navíc f prostá funkce, pak také ke každému H f eistuje právě jedno D f tak, že = f(). Věta 2.2. Nechť f je prostá funkce a f 1 funkce k ní inverzní. Potom platí: (1) f 1 je prostá funkce. (2) Je-li f rostoucí, resp. klesající, potom je i f 1 rostoucí, resp. klesající. (3) Pro každé D f platí (f 1 f)() =. Pro každé D f 1 platí (f f 1 )() =. (4) Inverzní funkce k f 1 je f, tj. (f 1 ) 1 = f. (5) Graf funkcí f a f 1 jsou navzájem souměrné podle přímk =.

9 2. OPERACE S FUNKCEMI 19 = f() = 3 2 = f 1 () Transformace grafu Nechť je dána funkce f : = f(), D f. Připomeňme si, jak lze pomocí grafu funkce f sestrojit graf následujících funkcí: a) f 1 : = f(), b) f 2 : = f( ), c) f 3 : = f() + b, d) f 4 : = f( a), e) f 5 : = k f(), f) f 6 : = f(m), kde a, b R\{}, k >, m > jsou konstant. f() f( ) f() f() a) b) f() + b f() f( + a) f() f( a) f() b c) d)

10 2 2. REÁLNÉ FUNKCE JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ f() k f(), k > 1 k f(), < k < 1 f() f(m), m > 1 f(m), < m < 1 e) f) Příklad Nakreslete graf funkce f : = Řešení: Jedná se o kvadratickou funkci, jejímž definičním oborem je R a grafem je parabola. Doplněním kvadratického trojčlenu na druhou mocninu lineárního dvojčlenu, tzv. doplnění na čtverec, získáme = 1 2 ( ) = 1 2 ( ) = = 1 2 ( ) ( 6) = 1 2 ( 4)2 3. Grafem je rozšířená parabola s vrcholem v bodě (4, 3), graf sestrojíme podle výše uvedených pravidel. = ( 4) 2 = 2 = 1 ( 4) f : = Co je třeba znát z této kapitol Pojm k zapamatování reálná funkce jedné reálné proměnné graf funkce ohraničená funkce monotónní funkce prostá funkce sudá a lichá funkce, periodická funkce složená funkce inverzní funkce

11 2. CO JE TŘEBA ZNÁT Z TÉTO KAPITOLY 21 Kontrolní otázk (1) Jak poznáte, že je daná množina bodů v rovině grafem nějaké funkce? (2) Nakreslete graf libovolné ohraničené funkce. (3) Jaký je rozdíl mezi rostoucí a neklesající funkcí? (4) Uveďte příklad funkce, která není prostá. (5) Jaké vlastnosti mají graf sudých, resp. lichých funkcí? (6) Uveďte příklad funkce, jejíž základní perioda je π. (7) Kd eistuje k dané funkci f funkce inverzní f 1?

12