Асимптоты функций

Выпуклость функции, точки перегиба

Хорда, соединяющая точки M1(x1, f(x1)), M2(x2, f(x2))графика функции f(x)задается функцией

y=L(x, x1, x2 ) = + (*)

Это проверяется подстановкой координат x1, x2в правую часть (*).

Определение. Функция f(x) называется выпуклой вверх на [a,b], если для "x1<x<x2 из [a,b]

(1)

 

Рис. 4.18

Аналогично определяется выпуклая вниз функция. Можно дать определение строгой выпуклости, заменив нестрогое неравенство на строгое в (1) .

Теорема ( Достаточное условие выпуклости )

Если f непрерывна на [a,b], дважды дифференцируема на (a,b) и f¢¢(x)>0 на (a,b), то f строго выпукла вниз.

Доказательство. Для любых , a£x1<x<x2£b имеем

=

Участвующие в этих соотношениях величины расположены на оси в показанном на рисунке порядке.

 

Рис. 4.19

Определение. Точка x0 называется точкой перегиба функции f, если в точке x0 существует касательная и в некоторой окрестности точки x0 график f лежит по разные стороны от касательной.

 

 

Рис. 4.20

 

Теорема 1. ( Необходимое условие точки перегиба )

Если f дважды непрерывно-дифференцируема в окрестности точки перегиба x0, то f¢¢(x0)=0.

Доказательство. Противное f¢¢(x0) ¹ 0. По теореме о сохранении знака f¢¢(x) сохраняет знак в окрестности точки x0 . По формуле Тейлора с остатком Лагранжа

Левая часть этого равенства имеет смысл уклонения точки графика функции от касательной. Это, в свою очередь, означает, что график функции лежит с одной стороны от касательной. не меняет знак.

 

Рис. 4.21

 

Теорема 2 ( Достаточное условие точки перегиба )

1) $f¢¢(x) в U(x0) и f¢¢(x0)=0

2) f¢¢ меняет знак при переходе через точку x0 .

Тогда x0 точка перегиба.

Доказательство. По формуле Тейлора с остатком Лагранжа

.

Следствие. Если f¢¢(x0)=0 и f¢¢¢(x0)¹ 0, то x0 – точка перегиба.

Доказательство. При данных условиях f¢¢ будет монотонной, и будет менять знак при переходе через x0.

Определение. Пусть f определна на полуоси x>c. Прямая y=ax+b называется наклонной асимптотой при x®+¥ , если .

Пусть f определна на полуоси x < c . Прямая y=ax+b называется наклонной асимптотой при x®-¥, если .

Пример.

 

В дальнейшем рассматривается лишь случай +¥.

Теорема. Пусть f(x) определена на [c,+ ¥). Для того, чтобы прямая y=ax+b была асимптотой функции f необходимо и достаточно, чтобы

1)

2)

Пример.

 

 

Рис. 4.22

Наклонные асимптоты: в линия y= - x+1, в линия y = x+1.

Вертикальная асимптота

Функция f определена на (a,a+d). Линия x=a называется вертикальной асимптотой, если , аналогично при x®a - 0.

Для нахождения наклонных асимптот параметрически заданных функций поступают похожим образом. Вначале разыскиваются значения параметра t0 , для которых и . Далее коэффициенты наклонной асимптоты находятся из соотношений

1)

2) (y(t) – a x(t)) = b ,

при условии, что указанные пределы существуют.

Для нахождения вертикальной асимптоты вида x=x0 параметрически заданных функций находят t0 такие, что , . Для горизонтальной асимптоты ,