MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA UŽITÍ DERIVACÍ, PRŮBĚH FUNKCE Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakult MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplin společného základu http://akademie.ldf.mendelu.cz/cz (reg. č. CZ.1.7/2.2./28.21) za přispění finančních prostředků EU a státního rozpočtu České republik. Mgr. Radka SMÝKALOVÁ, Ph.D. smk@seznam.cz
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 2 Monotónnost funkce. Lokální etrém Vztah mezi směrnicí tečn v bodě (f ( )) a monotónností funkce v bodě Jestliže tečna funkce f() v bodě roste (f ( ) > ), pak roste v bodě i funkce f(). Jestliže tečna funkce f() v bodě klesá (f ( ) < ), pak klesá v bodě i funkce f(). Jestliže je tečna funkce f() v bodě konstantní (f ( ) = ), pak se v bodě mění nebo nemění monotónnost funkce f(). f() 1 2 f() 1 1 f() 1 1 1 f() 4
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 3 Změna monotónnosti v bodech, kde funkce f() není definovaná V bodech, kde funkce f() není definovaná, se mění nebo nemění monotónnost funkce f(). = 1 = 1/ = 2 = 1/ 2 = tan = cot π π π π VĚTA (Vztah mezi monotónností v bodě a monotónností na intervalu). Funkce je rostoucí na otevřeném intervalu právě tehd, kdž je rostoucí v každém bodě tohoto intervalu. Funkce je klesající na otevřeném intervalu právě tehd, kdž je klesající v každém bodě tohoto intervalu. VĚTA (Vztah mezi derivací funkce na intervalu a monotónností na intervalu). Nechť má funkce f() derivaci na otevřeném intervalu (má derivaci v každém bodě intervalu). Pak jestliže f () > pro každé z intervalu, pak je f() na intervalu rostoucí jestliže f () < pro každé z intervalu, pak je f() na intervalu klesající DEFINICE (Lokální etrém - lokální maimum a minimum). Nechť je funkce f() v bodě definovaná. Řekneme, že funkce má v tomto bodě lokální maimum, jestliže pro každé z rzího okolí bodu platí lokální minimum, jestliže pro každé z rzího okolí bodu platí f( ) f() f( ) f()
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 4 VĚTA (Vztah mezi lokálními etrém v bodě a derivací v bodě ). Nechť má funkce f() v bodě lokální etrém a nechť eistuje derivace funkce v bodě f ( ). Pak DEFINICE (Stacionární bod). Bod, pro který platí, že f ( ) =, se nazývá stacionární bod. (Je to tzv. podezřelý bod z etrému - bude nebo nebude zde lokální etrém.) Postup při zjišťování monotónnosti funkce = f() a etrémů funkce f ( ) =. Vpočítáme derivaci funkce = f () Vpočítáme, v jakých bodech je derivace rovna nule - stacionární bod. (Jsou to bod, kde se může měnit monotónnost, ted zde funkce může mít lokální etrém.) Pokud je = = zlomek, vpočítáme i nulové bod jmenovatele, jelikož znaménko zlomku závisí i na znaménku jmenovatele!!! Vpočítáme, v jakých bodech funkce není definovaná. (Jsou to bod, kde se může měnit monotónnost.) Nalezené bod vznačíme na číselné ose. (Bod, kde f() není definovaná budou v prázdném kolečku.) Získáme tak několik intervalů. Z každého intervalu si zvolíme libovolný bod a dosadíme do derivace. Kdž vjde kladné číslo, v celém intervalu funkce roste, kdž vjde záporné číslo, v celém intervalu funkce klesá. V bodech, kde je funkce definovaná a mění se zde monotónnost, má funkce lokální etrém. Změna + na je maimum. Změna na + je minimum. Kdž má funkce v bodě etrém, jeho souřadnice na funkci jsou [,f( )]. Ted -ovou souřadnici vpočítáme dosazením do předpisu funkce, čímž vpočítáme funkční hodnotu v bodě.
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 5 DEFINICE (Konvenost, konkávnost ). Funkce f() má v bodě derivaci. Pak je Konvenost, konkávnost. Inflení bod konvení v bodě, jestliže pro všechna z rzího okolí bodu leží graf funkce f() nad tečnou sestrojenou ke grafu funkce f() v bodě. Ted f() > f ( ) ( )+f( ) konkávní v bodě, jestliže pro všechna z rzího okolí bodu leží graf funkce f() pod tečnou sestrojenou ke grafu funkce f() v bodě. Ted f() < f ( ) ( )+f( ) f() f() f() f() konvení (konkávní) na otevřeném intervalu, jestliže je konvení (konkávní) v každém jeho bodě VĚTA (Vztah konvenosti a konkávnosti s druhou derivací v bodě ) Nechť má funkce f() druhou derivaci v bodě. Je-li f ( ) >, pak je funkce f() konvení v bodě f ( ) <, pak je funkce f() konkávní v bodě VĚTA (Vztah konvenosti a konkávnosti s druhou derivací na intervalu) Nechť má funkce f() druhou derivaci na otevřeném intervalu. Je-li f () > pro každé z intervalu, pak je funkce f() konvení na intervalu f () < pro každé z intervalu, pak je funkce f() konkávní na intervalu
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 6 DEFINICE (Inflení bod) Bod na funkci, ve kterém eistuje ke grafu funkce právě jedna tečna a graf funkce v něm přechází z konveit do konkávit (nebo naopak), tj. z jedné stran tečn na druhou, se nazývá inflení bod. Funkce f() může mít inflení bod v takovém bodě, kde f ( ) = f() f() f ( ) neeistuje f()
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 7 Postup při zjišťování konvenosti, konkávnosti a infleních bodů funkce f() Vpočítáme druhou derivaci funkce = f () Vpočítáme, v jakých bodech je druhá derivace rovna nule. (Jsou to bod, kde se může měnit konvenost na konkávnost (nebo naopak), ted zde funkce může mít inflení bod.) Pokud je = = zlomek, vpočítáme i nulové bod jmenovatele, jelikož znaménko zlomku závisí i na znaménku jmenovatele!!! Vpočítáme, v jakých bodech funkce není definovaná. (Jsou to bod, kde se může měnit konvenost na konkávnost (nebo naopak).) Nalezené bod vznačíme na číselné ose. (Bod, kde f() není definovaná budou v prázdném kolečku.) Získáme tak několik intervalů. Z každého intervalu si zvolíme libovolný bod a dosadíme do druhé derivace. Kdž vjde kladné číslo, v celém intervalu je funkce konvení, kdž vjde záporné číslo, v celém intervalu je funkce konkávní. V bodech, kde je funkce definovaná a mění se zde konvenost na konkávnost (nebo naopak), má funkce inflení bod. Kdž je inflení bod funkce, jeho souřadnice na funkci jsou [,f( )]. Ted -ovou souřadnici vpočítáme dosazením do předpisu funkce, čímž vpočítáme funkční hodnotu v bodě.
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 8 Asmptot funkce DEFINICE (Asmptota funkce). Asmptota funkce je přímka, ke které se funkce f() nekonečně blíží. = = = : = : = : = 1 : = : = 1 se směrnicí - přímka, která je lineární funkce = a+b. Může být pouze v nevlastních bodech ±. bez směrnice - přímka kolmá na osu, ted to není funkce. Může být pouze v bodech nespojitosti - většinou v bodech, kde funkce není definovaná. VĚTA (Asmptota se směrnicí). Přímka, která je lineární funkce = a+b, je asmptota se směrnicí grafu funkce f() v nebo v, právě kdž f() a = lim R, f() a = lim R, b = lim (f() a ) R nebo b = lim (f() a ) R VĚTA (Asmptota bez směrnice). Přímka =, která je kolmá na osu, je asmptota bez směrnice grafu funkce f(), právě kdž v bodě, ve kterém f() není definovaná, nastane alespoň jeden z případů: lim f() =, lim f() =, lim f() =, lim f() = + +
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 9 Průběh funkce Ze zadaného předpisu funkce = f() postupně počítáme různé vlastnosti funkce a na závěr nakreslíme její graf. Postup při všetřování průběhu funkce = f() Definiční obor Znaménko funkce, neboli kde je funkce nad osou a kde je pod osou, neboli kde je funkce kladná a kde záporná. Průsečík s osou a osou Parita - sudá, lichá, ani jedno, obojí Monotónnost a lokální etrém - pomocí první derivace Konvenost, konkávnost a inflení bod - pomocí druhé derivace Asmptot se směrnicí a bez směrnice - pomocí limit Graf Příklad. Všetřete průběh funkce: 1. = 3 3 Řešení. Postupně počítáme vlastnosti funkce a na závěr nakreslíme graf. Definiční obor: D(f) = R Znaménko funkce (f() > kladná, f() < záporná): Nulové bod:, 3, 3 3 3 > 3 3 < (3 2 ) > (3 2 ) < ( 3 )( 3+) > ( 3 )( 3+) < + + 3 3
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 1 Kladná: (, 3) (, 3) Záporná: ( 3,) ( 3, ) Průsečík s osou ( = ), průsečík s osou ( = ): S osou : [,],[ 3,],[ 3,] S osou : [,] = = = 3 3 = 3 3 = (3 2 ) = = ( 3 )( 3+) Parita - sudá (f() = f( )), lichá (f() = f( )), ani jedno, obojí Není sudá, je lichá. f() = 3 3 f() = 3 3 f( ) = 3( ) ( ) 3 [f( )] = [ 3+ 3] f( ) = 3 ( 3 ) = 3+ 3 f( ) = 3 3 f() f( ) Monotónnost a lokální etrém - pomocí první derivace f() = f( ) = (3 3 ) = (3) ( 3 ) = 3() 3 2 = 3 3 2 Nulové bod: 1, 1 ց = 3 3 2 = 3(1 2 ) = 3(1 )(1+) = ր ց 1 + 1
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 11 Roste: ( 1,1) Klesá: (, 1) (1, ) V bodě = 1 je lokální minimum a v bodě = 1 je lokální maimum. Lokální minimim: f( 1) = 3 ( 1) ( 1) 3 = 2. Souřadnice [ 1, 2]. Lokální maimum: f(1) = 3 1 1 3 = 2. Souřadnice [1,2]. Konvenost, konkávnost a inflení bod - pomocí druhé derivace = (3 3 2 ) = (3) (3 2 ) = 3( 2 ) = 3 2 = 6 Nulové bod: Konvení: (, ) Konkávní: (, ) + = 6 = = Inflení bod je =. Inflení bod: f() = 3 3 =. Souřadnice [,]. Asmptot se směrnicí a bez směrnice - pomocí limit se směrnicí = a+b f() : a = lim = 3 3 = lim 3 = lim = = lim 2 = f() : a = lim = = = lim 3 3 = = lim 3 = = lim 2 = a / R a / R
MT MATEMATIKA Užití derivací, průběh funkce 12 Asmptota v neeistuje. Asmptota v neeistuje. Ani v jednom případě nemá smsl počítat b. bez směrnice - hledáme v bodech, kde funkce f() není definovaná Definiční obor funkce D(f) = R. Nejsou bod, kde bchom hledali asmptotu. Asmptot bez směrnice neeistují. Graf 2 3 1 1 3 2 Cvičení 1. 1. = 3 2 2 + 2. = 2 +1 3. = 2 2 1