Найти интервалы выпуклости вогнутости и точки перегиба графика функции онлайн. Выпуклость функции

Инструкция

Точки перегиба функции должны принадлежать области ее определения, которую нужно найти в первую очередь. График функции – это линия, которая может быть непрерывной или иметь разрывы, монотонно убывать или возрастать, иметь минимальные или максимальные точки (асимптоты), быть выпуклой или вогнутой. Резкая смена двух последних состояний и называется перегибом.

Необходимое условие существования перегиба функции состоит в равенстве второй нулю. Таким образом, дважды продифференцировав функцию и приравняв получившееся выражение нулю, можно найти абсциссы возможных точек перегиба.

Это условие следует из определения свойств выпуклости и вогнутости графика функции, т.е. отрицательному и положительному значению второй производной. В точке перегиба резкая смена этих свойств, значит, производная переходит нулевую отметку. Однако равенства нулю еще недостаточно для того, чтобы обозначить перегиб.

Существует два достаточных того, что найденная на предыдущем этапе абсцисса принадлежит точке перегиба:Через эту точку можно провести касательную к функции. Вторая производная имеет разные знаки справа и слева от предполагаемой точки перегиба. Таким образом, ее существование в самой точке необязательно, достаточно определить, что в ней она меняет знак.Вторая производная функции равна нулю, а третья – нет.

Первое достаточное условие является универсальным и применяется чаще других. Рассмотрим иллюстрирующий пример: у = (3 х + 3) ∛(х - 5).

Решение.Найдите область определения. В данном случае ограничений нет, следовательно, ею является все пространство действительных чисел. Вычислите первую производную:у’ = 3 ∛(х - 5) + (3 х + 3)/∛(х - 5)².

Обратите внимание на появление дроби. Из него следует, что область определения производной ограничена. Точка х = 5 является выколотой, а значит, через нее может проходить касательная, что отчасти соответствует первому признаку достаточности перегиба.

Определите односторонние пределы для получившегося выражения при х → 5 – 0 и х → 5 + 0. Они равны -∞ и +∞. Вы доказали, что через точку х=5 проходит вертикальная касательная. Эта точка может оказаться точкой перегиба, но сначала вычислите вторую производную:У’’ = 1/∛(х - 5)² + 3/∛(х - 5)² – 2/3 (3 х + 3)/∛(х - 5)^5 = (2 х – 22)/∛(х - 5)^5.

Опустите знаменатель, поскольку точку х = 5 вы уже учли. Решите уравнение 2 х – 22 = 0. Оно имеет единственный корень х = 11.Последний этап – подтверждение того, что точки х = 5 и х = 11 являются точками перегиба. Проанализируйте поведение второй производной в их окрестностях. Очевидно, что в точке х = 5 она меняет знак с «+» на «-», а в точке х = 11 – наоборот. Вывод: обе точки являются точками перегиба. Выполнено первое достаточное условие.

Для определения выпуклости (вогнутости) функции на некотором интервале можно использовать следующие теоремы.

Теорема 1. Пусть функция определена и непрерывна на интервале и имеет конечную производную . Для того, чтобы функция была выпуклой (вогнутой) в , необходимо и достаточно, чтобы ее производная убывала (возрастала) на этом интервале.

Теорема 2. Пусть функция определена и непрерывна вместе со своей производной на и имеет внутри непрерывную вторую производную . Для выпуклости (вогнутости) функции в необходимо и достаточно, чтобы внутри

Докажем теорему 2 для случая выпуклости функции .

Необходимость. Возьмем произвольную точку . Разложим функцию около точки в ряд Тейлора

Уравнение касательной к кривой в точке, имеющей абсциссу :

Тогда превышение кривой над касательной к ней в точке равно

Таким образом, остаток равен величине превышения кривой над касательной к ней в точке . В силу непрерывности , если , то и для , принадлежащих достаточно малой окрестности точки , а потому, очевидно, и для любого отличного от значения , принадлежащего к указанной окрестности.

Значит, график функции лежит выше касательной и кривая выпукла в произвольной точке .

Достаточность. Пусть кривая выпукла на промежутке . Возьмем произвольную точку .

Аналогично предыдущему разложим функцию около точки в ряд Тейлора

Превышение кривой над касательной к ней в точке, имеющей абсциссу , определяемой выражением равно

Так как превышение положительно для достаточно малой окрестности точки , то положительна и вторая производная . При стремлении получаем, что для произвольной точки .

Пример. Исследовать на выпуклость (вогнутость) функцию .

Ее производная возрастает на всей числовой оси, значит по теореме 1 функция вогнута на .

Ее вторая производная , поэтому по теореме 2 функция вогнута на .

3.4.2.2 Точки перегиба

Определение. Точкой перегиба графика непрерывной функции называется точка, разделяющая интервалы, в которых функция выпукла и вогнута.

Из этого определения следует, что точки перегиба - это точки точки экстремума первой производной. Отсюда вытекают следующие утверждения для необходимого и достаточного условий перегиба.

Теорема (необходимое условие перегиба) . Для того чтобы точка являлась точкой перегиба дважды дифференцируемой функции , необходимо, чтобы ее вторая производная в этой точке равнялась нулю () или не существовала.

Теорема (достаточное условие перегиба). Если вторая производная дважды дифференцируемой функции при переходе через некоторую точку меняет знак, то есть точка перегиба.

Отметим, что в самой точке вторая производная может не существовать.

Геометрическая интерпретация точек перегиба иллюстрируется рис. 3.9

В окрестности точки функция выпукла и график ее лежит ниже касательной, проведенной в этой точке. В окрестности точки функция вогнута и график ее лежит выше касательной, проведенной в этой точке. В точке перегиба касательная разделяет график функции на области выпуклости и вогнутости.

3.4.2.3 Исследование функции на выпуклость и наличие точек перегиба

1. Найти вторую производную .

2. Найти точки, в которых вторая производная или не существует.

3. Исследовать знак второй производной слева и справа от найденных точек и сделать вывод об интервалах выпуклости или вогнутости и наличии точек перегиба.

Пример. Исследовать функцию на выпуклость и наличие точек перегиба.

2. Вторая производная равна нулю при .

3. Вторая производная меняет знак при , значит точка - точка перегиба.

На интервале , значит функция выпукла на этом интервале.

На интервале , значит функция вогнута на этом интервале.

3.4.2.4 Общая схема исследования функций и построения графика

При исследовании функции и построении ее графика рекомендуется использовать следующую схему:

1. Найти область определения функции.
2. Исследовать функцию на четность - нечетность. Напомним, что график четной функции симметричен относительно оси ординат, а график нечетной функции симметричен относительно начала координат.
3. Найти вертикальные асимптоты.
4. Исследовать поведение функции в бесконечности, найти горизонтальные или наклонные асимптоты.
5. Найти экстремумы и интервалы монотонности функции.
6. Найти интервалы выпуклости функции и точки перегиба.
7. Найти точки пересечения с осями координат.

Исследование функции проводится одновременно с построением ее графика.

Пример. Исследовать функцию и построить ее график.

1. Область определения функции - .

2. Исследуемая функция - четная , поэтому ее график симметричен относительно оси ординат.

3. Знаменатель функции обращается в ноль при , поэтому график функции имеет вертикальные асимптоты и .

Точки являются точками разрыва второго рода, так как пределы слева и справа в этих точках стремятся к .

4. Поведение функции в бесконечности.

Поэтому график функции имеет горизонтальную асимптоту .

5. Экстремумы и интервалы монотонности. Находим первую производную

При , поэтому в этих интервалах функция убывает.

При , поэтому в этих интервалах функция возрастает.

При , поэтому точка является критической точкой.

Находим вторую производную

Так как , то точка является точкой минимума функции .

6. Интервалы выпуклости и точки перегиба.

Функция при , значит на этом интервале функция вогнута.

Функция при , значит на этих интервалах функция выпукла.

Функция нигде не обращается в ноль, значит точек перегиба нет.

7. Точки пересечения с осями координат.

Уравнение , имеет решение , значит точка пересечения графика функции с осью ординат (0, 1).

Уравнение не имеет решения, значит точек пересечения с осью абсцисс нет.

С учетом проведенного исследования можно строить график функции

Схематически график функции изображен на рис. 3.10 .

3.4.2.5 Асимптоты графика функции

Определение. Асимптотой графика функции называется прямая, обладающая тем свойством, что расстояние от точки () до этой прямой стремится к 0 при неограниченном удалении точки графика от начала координат.

Когда мы чертим график функции, важно определить интервалы выпуклости и точки перегиба. Они, наряду с промежутками убывания и возрастания, нужны нам для четкого представления функции в графическом виде.

Понимание этой темы требует знания того, что такое производная функции и как ее вычислить до некоторого порядка, а также умения решать разные виды неравенств.

В начале статьи определяются основные понятия. Потом мы покажем, какая связь существует между направлением выпуклости и значением второй производной на определенном интервале. Далее мы укажем условия, в которых можно определить точки перегиба графика. Все рассуждения будут проиллюстрированы примерами решений задач.

По направлению вниз на некотором интервале в том случае, когда ее график располагается не ниже касательной к нему в любой точке этого интервала.

Определение 2

Дифференцируемая функция является выпуклой по направлению вверх на некотором интервале в том случае, если график данной функции располагается не выше касательной к нему в любой точке этого интервала.

Выпуклую вниз функцию можно иначе назвать вогнутой. Оба определения наглядно показаны на графике ниже:

Определение 3

Точка перегиба функции – это точка M (x 0 ; f (x 0)) , в которой существует касательная к графику функции, при условии существования производной в окрестности точки x 0 , где с левой и правой стороны график функции принимает разные направления выпуклости.

Проще говоря, точка перегиба – это место на графике, в котором есть касательная, и направление выпуклости графика при прохождении через это место будет менять направление выпуклости. Если вы не помните, при каких условиях возможно существование вертикальной и невертикальной касательной, советуем повторить раздел о касательной графика функции в точке.

Ниже указан график функции, имеющей несколько точек перегиба, которые выделены красным. Уточним, что наличие точек перегиба не является обязательным. На графике одной функции их может быть одна, две, несколько, бесконечно много или ни одной.

В этом пункте мы расскажем о теореме, с помощью которой можно определить промежутки выпуклости на графике конкретной функции.

Определение 4

График функции будет иметь выпуклость по направлению вниз или вверх в том случае, если у соответствующей ему функции y = f (x) будет вторая конечная производная на указанном интервале x при условии, что неравенство f "" (x) ≥ 0 ∀ x ∈ X (f "" (x) ≤ 0 ∀ x ∈ X) будет верным.

Используя данную теорему, можно найти промежутки вогнутости и выпуклости на любом графике функции. Для этого нужно просто решить неравенства f "" (x) ≥ 0 и f "" (x) ≤ 0 на области определения соответствующей функции.

Уточним, что те точки, в которых вторая производная не существует, но функция y = f (x) определена, будут включаться в интервалы выпуклости и вогнутости.

Посмотрим на примере конкретной задачи, как правильно применять эту теорему.

Пример 1

Условие: дана функция y = x 3 6 - x 2 + 3 x - 1 . Определите, на каких промежутках ее график будет иметь выпуклости и вогнутости.

Решение

Областью определения данной функции является все множество действительных чисел. Начнем с вычисления второй производной.

y " = x 3 6 - x 2 + 3 x - 1 " = x 2 2 - 2 x + 3 ⇒ y " " = x 2 2 - 2 x + 3 = x - 2

Мы видим, что область определения второй производной совпала с областью самой функции Значит, для выявления интервалов выпуклостей нам надо решить неравенства f "" (x) ≥ 0 и f "" (x) ≤ 0 .

y "" ≥ 0 ⇔ x - 2 ≥ 0 ⇔ x ≥ 2 y "" ≤ 0 ⇔ x - 2 ≤ 0 ⇔ x ≤ 2

Мы получили, что график заданной функции будет иметь вогнутость на отрезке [ 2 ; + ∞) и выпуклость на отрезке (- ∞ ; 2 ] .

Для наглядности изобразим график функции и отметим на нем выпуклую часть синим, а вогнутую – красным цветом.

Ответ: график заданной функции будет иметь вогнутость на отрезке [ 2 ; + ∞) и выпуклость на отрезке (- ∞ ; 2 ] .

А что же делать в случае, если область определения второй производной не совпадает с областью определения функции? Здесь нам пригодится замечание, сделанное выше: те точки, где конечная вторая производная не существует, мы тоже будем включать в отрезки вогнутости и выпуклости.

Пример 2

Условие: дана функция y = 8 x x - 1 . Определите, в каких промежутках ее график будет иметь вогнутость, а в каких – выпуклость.

Решение

Для начала выясним область определения функции.

x ≥ 0 x - 1 ≠ 0 ⇔ x ≥ 0 x ≠ 1 ⇔ x ∈ [ 0 ; 1) ∪ (1 ; + ∞)

Теперь вычисляем вторую производную:

y " = 8 x x - 1 " = 8 · 1 2 x · (x - 1) - x · 1 (x - 1) 2 = - 4 · x + 1 x · (x - 1) 2 y "" = - 4 · x + 1 x · (x - 1) 2 " = - 4 · 1 · x · x - 1 2 - (x + 1) · x · x - 1 2 " x · (x - 1) 4 = = - 4 · 1 · x · x - 1 2 - x + 1 · 1 2 x · (x - 1) 2 + x · 2 (x - 1) x · x - 1 4 = = 2 · 3 x 2 + 6 x - 1 x 3 2 · (x - 1) 3

Область определения второй производной – это множество x ∈ (0 ; 1) ∪ (1 ; + ∞) . Мы видим, что x , равный нулю, будет принадлежать области определения исходной функции, но не области определения второй производной. Эту точку нужно обязательно включить в отрезок вогнутости или выпуклости.

После этого нам надо решить неравенства f "" (x) ≥ 0 и f "" (x) ≤ 0 на области определения заданной функции. Используем для этого метод интервалов: при x = - 1 - 2 3 3 ≈ - 2 , 1547 или x = - 1 + 2 3 3 ≈ 0 , 1547 числитель 2 · (3 x 2 + 6 x - 1) x 2 3 · x - 1 3 обращается в 0 , а знаменатель равен 0 при x , равном нулю или единице.

Нанесем получившиеся точки на график и определим знак выражения на всех интервалах, которые войдут в область определения исходной функции. На графике эта область обозначена штриховкой. Если значение положительно, отмечаем интервал плюсом, если отрицательно, то минусом.

Следовательно,

f "" (x) ≥ 0 x ∈ [ 0 ; 1) ∪ (1 ; + ∞) ⇔ x ∈ 0 ; - 1 + 2 3 3 ∪ (1 ; + ∞) , а f "" (x) ≤ 0 x ∈ [ 0 ; 1) ∪ (1 ; + ∞) ⇔ x ∈ [ - 1 + 2 3 3 ; 1)

Включаем ранее отмеченную точку x = 0 и получаем нужный ответ. График исходной функции будет иметь выпуклость по направлению вниз при 0 ; - 1 + 2 3 3 ∪ (1 ; + ∞) , и вверх – при x ∈ [ - 1 + 2 3 3 ; 1) .

Изобразим график, отметив на нем выпуклую часть синим, а вогнутую красным цветом. Вертикальная асимптота отмечена черным пунктиром.

Ответ: График исходной функции будет иметь выпуклость по направлению вниз при 0 ; - 1 + 2 3 3 ∪ (1 ; + ∞) , и вверх – при x ∈ [ - 1 + 2 3 3 ; 1) .

Условия перегиба графика функции

Начнем с формулировки необходимого условия перегиба графика некоторой функции.

Определение 5

Допустим, что у нас есть функция y = f (x) , график которой имеет точку перегиба. При x = x 0 у него есть непрерывная вторая производная, следовательно, будет выполняться равенство f "" (x 0) = 0 .

Учитывая данное условие, нам следует поискать точки перегиба среди тех, в которых вторая производная будет обращаться в 0 . Это условие не будет достаточным: не все такие точки нам подойдут.

Также обратите внимание, что, согласно общему определению, нам нужна будет касательная прямая, вертикальная или невертикальная. На практике это означает, что для нахождения точек перегиба следует взять те, в которых вторая производная данной функции обращается в 0 . Следовательно, чтобы найти абсциссы точек перегиба, нам нужно взять все x 0 из области определения функции, где lim x → x 0 - 0 f " (x) = ∞ и lim x → x 0 + 0 f " (x) = ∞ . Чаще всего это такие точки, в которых знаменатель первой производной обращается в 0 .

Первое достаточное условие существования точки перегиба графика функции

Мы нашли все значения x 0 , которые можно взять в качестве абсцисс точек перегиба. После этого нам нужно применить первое достаточное условие перегиба.

Определение 6

Допустим, что у нас есть функция y = f (x) , которая является непрерывной в точке M (x 0 ; f (x 0)) . При этом она имеет на этой точке касательную, а сама функция имеет вторую производную в окрестности этой точки x 0 . В таком случае если с левой и правой стороны вторая производная приобретает противоположные знаки, то данную точку можно считать точкой перегиба.

Мы видим, что данное условие не требует, что в этой точке непременно существовала вторая производная, достаточно ее наличия в окрестности точки x 0 .

Все сказанное выше удобно представить в виде последовательности действий.

1. Для начала нужно найти все абсциссы x 0 возможных точек перегиба, где f "" (x 0) = 0 , lim x → x 0 - 0 f " (x) = ∞ , lim x → x 0 + 0 f " (x) = ∞ .
2. Выясним, в каких точках производная будет менять знак. Эти значения и есть абсциссы точек перегиба, а точки M (x 0 ; f (x 0)) , соответствующие им, – это сами точки перегиба.

Для наглядности разберем две задачи.

Пример 3

Условие: дана функция y = 1 10 · x 4 12 - x 3 6 - 3 x 2 + 2 x . Определите, где график данной функции будет иметь точки перегиба и выпуклости.

Решение

Указанная функция определена на всем множестве действительных чисел. Считаем первую производную:

y " = 1 10 · x 4 12 - x 3 6 - 3 x 2 + 2 x " = 1 10 · 4 x 3 12 - 3 x 2 6 - 6 x + 2 = = 1 10 · x 3 3 - x 2 2 - 6 x + 2

Теперь найдем область определения первой производной. Это также множество всех действительных чисел. Значит, равенства lim x → x 0 - 0 f " (x) = ∞ и lim x → x 0 + 0 f " (x) = ∞ не могут быть выполнены ни при каких значениях x 0 .

Вычисляем вторую производную:

y " " = = 1 10 · x 3 3 - x 2 2 - 6 x + 2 " = 1 10 · 3 x 2 3 - 2 x 2 - 6 = 1 10 · x 2 - x - 6

y "" = 0 ⇔ 1 10 · (x 2 - x - 6) = 0 ⇔ x 2 - x - 6 = 0 D = (- 1) 2 - 4 · 1 · (- 6) = 25 x 1 = 1 - 25 2 = - 2 , x 2 = 1 + 25 2 = 3

Мы нашли абсциссы двух вероятных точек перегиба – 2 и 3 . Все, что нам осталось сделать – это проверить, в какой точке производная изменит свой знак. Изобразим числовую ось и нанесем на нее данные точки, после чего расставим знаки второй производной на получившихся промежутках.

Дуги показывают направление выпуклости графика в каждом интервале.

Вторая производная меняет знак на противоположный (с плюса на минус) в точке с абсциссой 3 , проходя через нее слева направо, и также делает это (с минуса на плюс) в точке с абсциссой 3 . Значит, мы можем сделать вывод, что x = - 2 и x = 3 – это абсциссы точек перегиба графика функции. Им будут соответствовать точки графика - 2 ; - 4 3 и 3 ; - 15 8 .

Взглянем вновь на изображение числовой оси и получившиеся знаки на интервалах, чтобы сделать выводы о местах вогнутости и выпуклости. Получается, что выпуклость будет расположена на отрезке - 2 ; 3 , а вогнутость на отрезках (- ∞ ; - 2 ] и [ 3 ; + ∞) .

Решение задачи наглядно изображено на графике: синий цвет – выпуклости, красный – вогнутость, черный цвет означает точки перегиба.

Ответ: выпуклость будет расположена на отрезке - 2 ; 3 , а вогнутость на отрезках (- ∞ ; - 2 ] и [ 3 ; + ∞) .

Пример 4

Условие: вычислите абсциссы всех точек перегиба графика функции y = 1 8 · x 2 + 3 x + 2 · x - 3 3 5 .

Решение

Область определения заданной функции – множество всех действительных чисел. Вычисляем производную:

y " = 1 8 · (x 2 + 3 x + 2) · x - 3 3 5 " = = 1 8 · x 2 + 3 x + 2 " · (x - 3) 3 5 + (x 2 + 3 x + 2) · x - 3 3 5 " = = 1 8 · 2 x + 3 · (x - 3) 3 5 + (x 2 + 3 x + 2) · 3 5 · x - 3 - 2 5 = 13 x 2 - 6 x - 39 40 · (x - 3) 2 5

В отличие от функции, ее первая производная не будет определена при значении x , равном 3 , но:

lim x → 3 - 0 y " (x) = 13 · (3 - 0) 2 - 6 · (3 - 0) - 39 40 · 3 - 0 - 3 2 5 = + ∞ lim x → 3 + 0 y " (x) = 13 · (3 + 0) 2 - 6 · (3 + 0) - 39 40 · 3 + 0 - 3 2 5 = + ∞

Это значит, что через данную точку будет проходить вертикальная касательная к графику. Следовательно, 3 может быть абсциссой точки перегиба.

Вычисляем вторую производную. Также находим область ее определения и точки, в которых она обращается в 0:

y "" = 13 x 2 - 6 x - 39 40 · x - 3 2 5 " = = 1 40 · 13 x 2 - 6 x - 39 " · (x - 3) 2 5 - 13 x 2 - 6 x - 39 · x - 3 2 5 " (x - 3) 4 5 = = 1 25 · 13 x 2 - 51 x + 21 (x - 3) 7 5 , x ∈ (- ∞ ; 3) ∪ (3 ; + ∞) y "" (x) = 0 ⇔ 13 x 2 - 51 x + 21 = 0 D = (- 51) 2 - 4 · 13 · 21 = 1509 x 1 = 51 + 1509 26 ≈ 3 , 4556 , x 2 = 51 - 1509 26 ≈ 0 , 4675

У нас получились еще две возможные точки перегиба. Нанесем их все на числовую прямую и разметим получившиеся интервалы знаками:

Перемена знака будет происходить при прохождении через каждую указанную точку, значит, они все являются точками перегиба.

Ответ: Изобразим график функции, отметив вогнутости красным, выпуклости синим и точки перегиба – черным:

Зная первое достаточное условие перегиба, мы можем определить нужные точки, в которых не обязательно наличие второй производной. Исходя из этого, первое условие можно считать наиболее универсальным и пригодным для решения разных типов задач.

Отметим, что существует еще два условия перегиба, однако их можно применять только тогда, когда в указанной точке есть конечная производная.

Если мы имеем f "" (x 0) = 0 и f """ (x 0) ≠ 0 , то x 0 будет абсциссой точки перегиба графика y = f (x) .

Пример 5

Условие: задана функция y = 1 60 x 3 - 3 20 x 2 + 7 10 x - 2 5 . Определите, будет ли график функции иметь перегиб в точке 3 ; 4 5 .

Решение

Первое, что нужно сделать, – это убедиться в том, что данная точка вообще будет принадлежать графику этой функции.

y (3) = 1 60 · 3 3 - 3 20 · 3 2 - 2 5 = 27 60 - 27 20 + 21 10 - 2 5 = 9 - 27 + 42 - 8 20 = 4 5

Заданная функция определена для всех аргументов, являющихся действительными числами. Вычислим первую и вторую производные:

y " = 1 60 x 3 - 3 20 x 2 + 7 10 x - 2 5 " = 1 20 x 2 - 3 10 x + 7 10 y "" = 1 20 x 2 - 3 10 x + 7 10 " = 1 10 x - 3 10 = 1 10 (x - 3)

Мы получили, что вторая производная будет обращаться в 0 , если x будет равен 0 . Значит, необходимое условие перегиба для этой точки будет выполнено. Теперь используем второе условие: найдем третью производную и выясним, будет ли она обращаться в 0 при 3:

y " " " = 1 10 (x - 3) " = 1 10

Третья производная не будет обращаться в нуль ни при одном значении x. Поэтому можно заключить, что данная точка будет точкой перегиба графика функции.

Ответ: Покажем решение на иллюстрации:

Допустим, что f " (x 0) = 0 , f "" (x 0) = 0 , . . . , f (n) (x 0) = 0 и f (n + 1) (x 0) ≠ 0 .В таком случае при четном n мы получим, что x 0 – это абсцисса точки перегиба графика y = f (x) .

Пример 6

Условие: дана функция y = (x - 3) 5 + 1 . Вычислите точки перегиба ее графика.

Решение

Данная функция является определенной на всем множестве действительных чисел. Вычисляем производную: y " = ((x - 3) 5 + 1) " = 5 · x - 3 4 . Поскольку она тоже будет определена для всех действительных значений аргумента, то в любой точке ее графике будет существовать невертикальная касательная.

Теперь вычислим, при каких значениях вторая производная будет обращаться в 0:

y "" = 5 · (x - 3) 4 " = 20 · x - 3 3 y "" = 0 ⇔ x - 3 = 0 ⇔ x = 3

Мы получили, что при x = 3 график функции может иметь точку перегиба. Используем третье условие, чтобы подтвердить это:

y " " " = 20 · (x - 3) 3 " = 60 · x - 3 2 , y " " " (3) = 60 · 3 - 3 2 = 0 y (4) = 60 · (x - 3) 2 " = 120 · (x - 3) , y (4) (3) = 120 · (3 - 3) = 0 y (5) = 120 · (x - 3) " = 120 , y (5) (3) = 120 ≠ 0

Имеем n = 4 по третьему достаточному условию. Это четное число, значит, x = 3 будет абсциссой точки перегиба и ей соответствует точка графика функции (3 ; 1) .

Ответ: Вот график данной функции с отмеченными выпуклостями, вогнутостями и точкой перегиба:

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

1. Понятие выпуклой и вогнутой функции

При исследовании функции бывает полезно установить, на каких промежутках функция выпуклая, а на каких – вогнутая.

Для определения выпуклой и вогнутой функции проведем касательные к графикам функции в произвольных точках х 1 и х 2 (рис. 15.1 и 15.2):

График функции называется вогнутым на интервале , если он расположен выше любой касательной к графику функции на данном интервале.

График функции называется выпуклым на интервале , если он расположен ниже любой касательной к графику функции на данном интервале.

Точка графика непрерывной функции, в которой меняется характер выпуклости, называется точкой перегиба . В точке перегиба касательная будет пересекать кривую.

Функция может иметь несколько интервалов выпуклости и вогнутости, несколько точек перегиба. При определении промежутков выпуклости и вогнутости в качестве ответа выбирают интервал значений: точки перегиба не относят ни к промежуткам выпуклости, ни к промежуткам вогнутости.

Так, график функции на рис.15.3 является выпуклым на промежутках (- ;х 1) и (х 2 ; + ); вогнутым на (х 1 ;х 2). График функции имеет две точки перегиба: (х 1 ;у 1) и (х 2 ;у 2).

1. Критерий выпуклости-вогнутости функции и точек перегиба.

Интервалы выпуклости и вогнутости функции находят с помощью следующей теоремы:

Теорема . 1. Если функция имеет положительную вторую производную, то график функции на интервале вогнутый.

2. Если функция имеет отрицательную вторую производную, то график функции на интервале выпуклый.

Представим критерий выпуклости-вогнутости функции в виде схемы:

Таким образом, исследовать функцию на выпуклость-вогнутость означает найти те интервалы области определения, в которых вторая производная сохраняет свой знак.

Заметим, что может менять свой знак лишь в тех точках, в которых вторая производная равна нулю или не существует. Такие точки принято называть критическими точками второго рода .

Только критические точки могут быть точками перегиба. Для их нахождения используется следующая теорема:

Теорема (достаточное условие существования точек перегиба ). Если вторая производная при переходе через точку х о меняет знак, то точка графика с абсциссой х о является точкой перегиба.

При исследовании функции на выпуклость-вогнутость и точки перегиба можно использовать следующий алгоритм :

Пример 15.1. Найдите промежутки выпуклости и вогнутости, точки перегиба графика функции .

Решение . 1. Данная функция определена на множестве R.

2. Найдем первую производную функции: = .

3. Найдем вторую производную функции: =2х -6.

4. Определим критические точки второго рода ( 0): 2х -6= 0 х =3.

5. На числовой оси отметим критическую точку х =3. Она разбивает область определения функции на два интервала (-∞;3) и (3;+∞). Расставим знаки второй производной функции 2х -6 на каждом из полученных интервалов:

при х =0 (-∞;3) (0)=-6<0;

при х =4 (3;+∞) (4)= 2∙4-6=2>0.

6. Согласно критерию выпуклости-вогнутости график функции выпуклый при х (-∞;3), вогнутый при х (3;+ ∞).

Значение х =3 – абсцисса точки перегиба. Вычислим значение функции при х =3:

2. Итак, точка с координатами (3;2) – точка перегиба.

Ответ : график функции выпуклый при х (-∞;3),

вогнутый при х (3;+ ∞); (3;2) – точка перегиба.

Пример 15.2 . Найдите промежутки выпуклости и вогнутости, точки перегиба графика функции .

Решение . 1. Данная функция определена в том случае, когда знаменатель отличен от нуля: х -7≠0 .

2. Найдем первую производную функции:

3. Найдем вторую производную функции: = =

Вынесем в числителе 2∙(х -7) за скобки:

= = = . (7;+∞) (8)= >0.

6. Согласно критерию выпуклости-вогнутости график функции является выпуклым при х (-∞;7), вогнутым при х (7;+ ∞).

Точка с абсциссой х =7 не может быть точкой перегиба, т.к. в этой точке функция не существует (терпит разрыв).

Ответ : график функции выпуклый при х (-∞;7), вогнутый при х (7;+ ∞).

Контрольные вопросы:

График функции y =f(x) называется выпуклым на интервале (a; b) , если он расположен ниже любой своей касательной на этом интервале.

График функции y =f(x) называется вогнутым на интервале (a; b) , если он расположен выше любой своей касательной на этом интервале.

На рисунке показана кривая, выпуклая на (a; b) и вогнутая на (b; c) .

Примеры.

Рассмотрим достаточный признак, позволяющий установить, будет ли график функции в данном интервале выпуклым или вогнутым.

Теорема . Пусть y =f(x) дифференцируема на (a; b) . Если во всех точках интервала (a; b) вторая производная функции y = f(x) отрицательная, т.е. f ""(x ) < 0, то график функции на этом интервале выпуклый, если же f ""(x ) > 0 – вогнутый.

Доказательство . Предположим для определенности, что f ""(x ) < 0 и докажем, что график функции будет выпуклым.

Возьмем на графике функции y = f(x) произвольную точку M 0 с абсциссой x 0 Î (a ; b ) и проведем через точку M 0 касательную. Ее уравнение . Мы должны показать, что график функции на (a; b) лежит ниже этой касательной, т.е. при одном и том же значении x ордината кривой y = f(x) будет меньше ордината касательной.

Итак, уравнение кривой имеет вид y = f(x) . Обозначим ординату касательной, соответствующую абсциссе x . Тогда . Следовательно, разность ординат кривой и касательной при одном и том же значении x будет .

Разность f(x) – f(x 0) преобразуем по теореме Лагранжа , где c между x и x 0 .

Таким образом,

К выражению, стоящему в квадратных скобках снова применим теорему Лагранжа: , где c 1 между c 0 и x 0 . По условию теоремы f ""(x ) < 0. Определим знак произведения второго и третьего сомножителей.

Таким образом, любая точка кривой лежит ниже касательной к кривой при всех значениях x и x 0 Î (a ; b ), а это значит, что кривая выпукла. Вторая часть теоремы доказывается аналогично.

Примеры .

Точка графика непрерывной функции, отделяющая его выпуклую часть от вогнутой, называется точкой перегиба .

Очевидно, что в точке перегиба касательная, если она существует, пересекает кривую, т.к. с одной стороны от этой точки кривая лежит под касательной, а с другой стороны – над нею.

Определим достаточные условия того, что данная точка кривой является точкой перегиба.

Теорема . Пусть кривая определяется уравнением y = f(x) . Если f ""(x 0) = 0 или f ""(x 0) не существует и при переходе через значение x = x 0 производная f ""(x ) меняет знак, то точка графика функции с абсциссой x = x 0 есть точка перегиба.

Доказательство . Пусть f ""(x ) < 0 при x < x 0 и f ""(x ) > 0 при x > x 0 . Тогда при x < x 0 кривая выпукла, а при x > x 0 – вогнута. Следовательно, точка A , лежащая на кривой, с абсциссой x 0 есть точка перегиба. Аналогично можно рассматривать второй случай, когда f ""(x ) > 0 при x < x 0 и f ""(x ) < 0 при x > x 0 .

Таким образом, точки перегиба следует искать только среди таких точек, где вторая производная обращается в нуль или не существует.

Примеры. Найти точки перегиба и определить интервалы выпуклости и вогнутости кривых.

АСИМПТОТЫ ГРАФИКА ФУНКЦИИ

При исследовании функции важно установить форму ее графика при неограниченном удалении точки графика от начала координат.

Особый интерес представляет случай, когда график функции при удалении его переменной точки в бесконечность неограниченно приближается к некоторой прямой.

Прямая называется асимптотой графика функции y = f(x) , если расстояние от переменной точки M графика до этой прямой при удалении точки M в бесконечность стремится к нулю, т.е. точка графика функции при своем стремлении в бесконечность должна неограниченно приближаться к асимптоте.

Кривая может приближаться к своей асимптоте, оставаясь с одной стороны от нее или с разных сторон, бесконечное множество раз пересекая асимптоту и переходя с одной ее стороны на другую.

Если обозначим через d расстояние от точки M кривой до асимптоты, то ясно, что d стремится к нулю при удалении точки M в бесконечность.

Будем в дальнейшем различать асимптоты вертикальные и наклонные.

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АСИМПТОТЫ

Пусть при x → x 0 с какой-либо стороны функция y = f(x) неограниченно возрастает по абсолютной величине, т.е. или или . Тогда из определения асимптоты следует, что прямая x = x 0 является асимптотой. Очевидно и обратное, если прямая x = x 0 является асимптотой, т. о. .

Таким образом, вертикальной асимптотой графика функции y = f(x) называется прямая, если f(x) → ∞ хотя бы при одном из условий x → x 0 – 0 или x → x 0 + 0, x = x 0

Следовательно, для отыскания вертикальных асимптот графика функции y = f(x) нужно найти те значения x = x 0 , при которых функция обращается в бесконечность (терпит бесконечный разрыв). Тогда вертикальная асимптота имеет уравнение x = x 0 .

Примеры.

НАКЛОННЫЕ АСИМПТОТЫ

Поскольку асимптота – это прямая, то если кривая y = f(x) имеет наклонную асимптоту, то ее уравнение будет y = kx + b . Наша задача найти коэффициенты k и b .

Теорема . Прямая y = kx + b служит наклонной асимптотой при x → +∞ для графика функции y = f(x) тогда и только тогда, когда . Аналогичное утверждение верно и при x → –∞.

Доказательство . Пусть MP – длина отрезка, равного расстоянию от точки M до асимптоты. По условию . Обозначим через φ угол наклона асимптоты к оси Ox . Тогда из ΔMNP следует, что . Так как φ постоянный угол (φ ≠ π/2), то , но