Квант

46

П. Сатьянов

Формулы и графики

Арифметические знаки — это записанные геометрические фигуры, а геометрические фигуры — это нарисованные формулы.

(Д. Гильберт)

Как та или иная особенность формулы, задающей функцию, отражается на графике этой функции? Умение правильно ответить на этот вопрос — в разных ситуациях — было полезным при построении графиков, в частности таких, которые попадаются на вступительных экзаменах. Мы не останавливаемся здесь на особенности графиков функции, связанных с их экстремумами (об этом подробно сказано в учебном пособии «Ал-

Нули и изменение знака

Если функция y=f(x)y=f(x) обращается в нуль в некоторой точке x0x_0, это еще не означает, что график функции ff обращательно пересекает ось OxOx под ненулеевым углом. Есть и другие возможности — например, касание (смена знака или без). Как отличить касание от простой смены знака?

График функции∗^*

y=(x−1)3(x−2)2y=(x-1)^3(x-2)^2

изображен на рисунке 1. В формулу (1) можноть x−1x-1 входит в нечетной степени — поэтому при перехождение x=1x=1 он меняет знак. Множитель x−2x-2 при перехождение x=1x=1 знака, конечно, не меняет. Следовательно, при перехождение x=1x=1 их произведение меняет знак — график пересекает ось абсцисс. Множитель x−2x-2 входит в формулу (1) в четной

*) На этом и следующее рисунок масштаб по оси OyOy отличается от масштаба по OxOx.

47

степени — поэтому при перехождение через x=2x=2 он знака не меняет. Множитель x−1x-1 при перехождение через x=2x=2 тоже, конечно, не меняет знака. Следовательно, их произведение при перехождение через x=2x=2 знака не меняет, и график касается оси xx, не пересекая ее, в точке x=2x=2.

Графики функций y=(x−1)2×(x−4)4y=(x-1)^2 \times (x-4)^4 и y=−(x−1)2(x−4)4y=-(x-1)^2(x-4)^4 изображены соответственно на рисунках 2 и 3.

Таким образом, в выражениях вида f(x)=φ(x)(x−a)kf(x)=\varphi(x)(x-a)^k (k∈Nk \in N), где φ(a)≠0\varphi(a) \neq 0 и φ\varphi неперивна в точке x=ax=a, все дело в чистости kk: смена знака в точке x=ax=a произходит тогда и только тогда, когда kk нечетно. В случае, когда φ\varphi дифференцируема в точке x=ax=a, график ff касается оси OxOx в точке aa, если k≥2k \geq 2 (подумайте, почему), и остается при этом по одному сторону от оси OxOx тогда и только тогда, когда kk четно.

Вертикальные асимптоты

График функций y=1x−2y=\frac{1}{x-2} показан на рисунке 4. Когда xx стремится к 2, модель ∣1x−2∣\left|\frac{1}{x-2}\right| неограниченно увеличивается; в этом случае прямая x=2x=2 называется вертикальной асимптотой. Мы запишем это так:

lim⁡x→2∣1x−2∣=+∞.\lim_{x \to 2} \left|\frac{1}{x-2}\right| = +\infty.

В дальнейшем мы будем пользоваться этой удобной записью, хотя ее нет в школьном учебнике. На экзамене, конечно, немного опасно пользоваться внешрограммным материалом; поэтому лучше сказать словами, что при x→2x \to 2 функция 1/∣x−2∣1/|x-2| неограниченно возрастает. Для любозначенных сообщаем соответствующее определение в общем случае: функция f(x)f(x) стремится к +∞+\infty при x→ax \to a (запись: lim⁡x→af(x)=+∞\lim_{x \to a} f(x) = +\infty), если для любого числа A0A_0 существует такое x0x_0, что f(x)>A0f(x) > A_0, как только xx близке к aa, чем x0x_0, точнее, как только 0<∣x−a∣<∣x0−a∣0 < |x-a| < |x_0-a|.

Поведение функций y=1x−2y=\frac{1}{x-2} в окрестности точки x=2x=2 можно описать и детальнее — при xx, стремящемся к 2 справа («Алгебра и начала анализа 9-10», п. 11), 1x−2\frac{1}{x-2} стремится к +∞+\infty:

lim⁡x→2+01x−2=+∞;\lim_{x \to 2+0} \frac{1}{x-2} = +\infty;

при xx, стремящемся к 2 слова, 1x−2\frac{1}{x-2} стремится к −∞-\infty:

lim⁡x→2−01x−2=−∞.\lim_{x \to 2-0} \frac{1}{x-2} = -\infty.

Прямая x=2x=2 является также (вертикальной) асимптотой графика функции y=1(x−2)2y=\frac{1}{(x-2)^2} (рис. 5):

lim⁡x→∞∣1(x−2)2∣=lim⁡x→21(x−2)2=+∞.\lim_{x \to \infty} \left|\frac{1}{(x-2)^2}\right| = \lim_{x \to 2} \frac{1}{(x-2)^2} = +\infty.

В этом случае при xx, стремящемся к 2 слова, и при xx, стремящемся к 2 слова, 1(x−2)2\frac{1}{(x-2)^2} стремится к +∞+\infty:

lim⁡x→2+01(x−2)2=+∞,\lim_{x \to 2+0} \frac{1}{(x-2)^2} = +\infty,

lim⁡x→2−01(x−2)2=+∞.\lim_{x \to 2-0} \frac{1}{(x-2)^2} = +\infty.

Прямая x=2x=2 является также асимптотой графика функций y=−1x−2y=-\frac{1}{x-2} (рис. 6) и y=−1(x−2)2y=-\frac{1}{(x-2)^2} (рис. 7).

Любая прямая вида x=π2+πkx=\frac{\pi}{2}+\pi k (k∈Zk \in Z) является асимптотой графика функции y=tgxy=\mathrm{tg} x (рис. 8).

Прямая x=0x=0 является асимптотой графика функции y=log⁡axy=\log_a x при xx,

48

стремящемся к 0 справа (на рисунке 9 a>1a > 1).

Горизонтальные асимптоты

Когда xx неограниченно увеличивается (математики говорят «стремиться к +∞»), график функции y=1+xxy = \frac{1+x}{x} неограниченно приближается к прямой y=1y=1 (рис. 10); в этом случае прямая y=1y=1 называется горизонтальной асимптой. Когда xx неограниченно увеличивается, то есть неограниченно увеличивается по modulo, будучи отрицательным (математики говорят «стремиться к —∞»), график функции y=1+xxy = \frac{1+x}{x} тоже неограниченно приближается к прямой y=1y=1 (см. рис. 10); прямая y=1y=1 является горизонтальной асимптой также при неограниченной увеличении xx. Все это можно коротко записать в виде

lim⁡x→+∞1+xx=1,\lim_{x \to +\infty} \frac{1+x}{x} = 1,

lim⁡x→−∞1+xx=1.\lim_{x \to -\infty} \frac{1+x}{x} = 1.

Мы также будем пользоваться этой удобной записью, хотя ее нет в учебнике. Сообщаем определение в общем случае: функция f(x)f(x)streмиться к AA при xx,streмиемся к +∞+\infty (в формульной записи lim⁡x→+∞f(x)=A\lim_{x \to +\infty} f(x)=A), если для любого ε>0\varepsilon > 0 можно найти такое XX, что x>X⇒∣f(x)−A∣<ε.x > X \Rightarrow |f(x)-A| < \varepsilon.