Кусочные функции - это функции, заданные разными формулами на разных числовых промежутках. Например,
Такая запись обозначает, что значение функции вычисляется по формуле √x, когда x больше или равен нулю. Когда же x меньше нуля, то значение функции определяется по формуле –x 2 . Например, если x = 4, то f(x) = 2, т. к. в данном случае используется формула извлечения корня. Если же x = –4, то f(x) = –16, т. к. в этом случае используется формула –x 2 (сначала возводим в квадрат, потом учитываем минус).
Чтобы построить график такой кусочной функции, сначала строятся графики двух разных функций не зависимо от значения x (т. е. на всей числовой прямой аргумента). После этого от полученных графиков берутся только те части, которые принадлежат соответствующим диапазонам x. Эти части графиков объединяются в один. Понятно, что в простых случаях чертить можно сразу части графиков, опустив предварительную прорисовку их «полных» вариантов.
Для приведенного выше примера для формулы y = √x получим такой график:
Здесь x в принципе не может принимать отрицательных значений (т. е. подкоренное выражение в данном случае не может быть отрицательным). Поэтому в график кусочной функции уйдет весь график уравнения y = √x.
Построим график функции f(x) = –x 2 . Получим перевернутую параболу:
В данном случае в кусочную функции мы возьмем только ту часть параболы, для которой x принадлежит промежутку (–∞; 0). В результате получится такой график кусочной функции:
Рассмотрим другой пример:
Графиком функции f(x) = (0.6x – 0.5) 2 – 1.7 будет видоизмененная парабола. Графиком f(x) = 0.5x + 1 является прямая:
В кусочной функции x может принимать значения в ограниченных промежутках: от 1 до 5 и от –5 до 0. Ее график будет состоять из двух отдельных частей. Одну часть берем на промежутке от параболы, другую - на промежутке [–5; 0] от прямой:
7
Урок по алгебре в 9А классе учителя Микитчук Ж.Н. МОУ «СОШ №23»
19.03.07г
Тема урока:
«Кусочно-заданные функции»
Цели:
- обобщить и совершенствовать знания, умения и навыки учащихся по указанной теме; воспитывать у учащихся внимательность, сосредоточенность, настойчивость, уверенность в своих знаниях; развивать мыслительные способности, логическое мышление; речевую культуру, умение применять теоретические знания.
- понятие кусочно-заданной функции; формулы различных функций, соответствующие названия и изображения графиков;
- строить график кусочно-заданной функции; читать график; задавать функцию аналитически по графику.
Ход урока
I. Организационно-психологический момент. Начнем наш урок словами Д.К.Фадеева «Какую бы задачу вы не решали, в концевас ждёт счастливая минута – радостноечувство успеха, укрепление веры в свои силы.Пусть эти слова на нашем уроке обретут реальное подтверждение.II. Проверка домашнего задания. Начнем урок как обычно с проверки д/з.-Повторите определение кусочной функции и план исследования функций.1). На доске изобразить придуманные вами графики кусочных функций (рис.1,2,3)2).Карточки .№1. Расставьте порядок исследования свойств функций:- выпуклость; четность, нечётность; область значений; ограниченность; монотонность; непрерывность; наибольшее и наименьшее значение функции; область определения.
А) у = kx + b, k0; Б) y = kx, k0;
В) у = , k0.
3).Устная работа . – 2мин
- Какая функция называется кусочной?
- Из каких функций состоят кусочные функции, изображенные на рис.1,2,3? Какие ещё названия функций вы знаете? Как называются графики соответствующих функций? Является ли графиком какой-либо функции, фигура, изображенная на рис.4? Почему?
- повторить шаги построения кусочно-заданной функции; применять обобщенные знания при решении нестандартных задач.
Основная тема 8-го класса – квадратичная функция, моделирующая равноускоренные процессы.Пример: изученная вами в 9-ом классе формула определения сопротивления нагретой лампы (R) при постоянной мощности (Р) и изменяющемся напряжении (U). ФормулаR = , график – ветвь параболы, расположен-ная в I четверти.
На протяжении трёх лет наши знания о функциях обогащались, количество изученных функций росло, пополнялся и набор заданий для решения которых приходится прибегать к графикам.Назовите эти типы заданий…- решение уравнений; - решение систем уравнений; - решение неравенств; - исследование свойств функций. V.Подготовка уч-ся к обобщающей деятельности. Вспомним один из типов заданий, а именно – исследование свойств функций или чтение графика.Обратимся к учебнику. Страница 65 рис.20а из №250.Задание: прочитать график функции. Порядок исследования функции перед нами.1. область определения – (-∞; +∞) 2. четность, нечётность – ни четная, ни нечётная 3. монотонность- возрастает [-3; +∞), убывает [-5;-3], постоянна (-∞; -5]; 4. ограниченность – ограничена снизу 5. наибольшее и наименьшее значение функции – у наим = 0, у наиб – не существует; 6. непрерывность- непрерывна на всей области определения; 7. область значений – , выпукла и вниз и вверх (-∞; -5] и [-2; +∞). VI. Воспроизведение знаний на новом уровне. Вы знаете, что построение и исследование графиков кусочно-заданных функций, рассматриваются во второй части экзамена по алгебре в разделе функции и оцениваются 4-мя и 6-ю баллами. Обратимся к сборнику заданий.Страница 119 - №4.19-1).Решение: 1).у = - x, - квадратичная функция, график – парабола, ветви вниз (а = -1, а 0). х -2 -1 0 1 2 у -4 -1 0 1 4 2) у= 3х – 10, - линейная функция, график – прямая Составим таблицу некоторых значений х 3 3 у 0 -1 3) у= -3х -10, - линейная функция, график – прямая Составим таблицу некоторых значений х -3 -3 у 0 -1 4)Построим графики функций в одной системе координат и выделим части графиков на заданных промежутках.
Найдем по графику, при каких значениях х значения функции неотрицательны. Ответ: f(x) 0 при х = 0 и при 3VII.Работа над нестандартными заданиями. №4.29-1), стр. 121. Решение: 1)Прямая (слева) у = kx + b проходит через точки (-4;0) и (-2;2). Значит,-4 k + b = 0,-2 k + b = 2;
k = 1, b = 4, у = х+4.Ответ: х +4, если х -2 у = , если -2 х £ 3 3, если х 3
VIII.Контроль знаний. Итак, подведём небольшой итог. Что мы повторили на уроке?План исследования функций, шаги построения графика кусочной функции, задание функции аналитически. Проверим как вы усвоили данный материал.Тестирование на «4»- «5», «3» I вариант№ У
2 1 -1 -1 1 Х
- D(f) = , выпуклая и вверх и вниз на , выпуклая вверх и вниз на , убывает на ________ Ограничена ____________ у наим не существует, у наиб =_____ Непрерывна на всей области определения Е(f) = ____________ Выпукла и вниз и вверх на всей области определения
Непрерывность и построение графиков кусочно-заданных функций – сложная тема. Учиться строить графики лучше непосредственно на практическом занятии. Здесь в основном показано исследование на непрерывность.
Известно, что элементарная функция (см. с. 16) непрерывна во всех точках, в которых определена. Поэтому нарушение непрерывности у элементарных функций возможно только в точках двух типов:
а) в точках, где функция «переопределяется»;
б) в точках, где функция не существует.
Соответственно только такие точки и проверяются при исследовании на непрерывность, что показано в примерах.
Для неэлементарных функций исследование сложнее. Например, функция (целая часть числа) определена на всей числовой оси, но терпит разрыв при каждом целомx . Подобные вопросы выходят за рамки пособия.
Перед изучением материала следует повторить по лекции или учебнику, какими (какого рода) бывают точки разрыва.
Исследование кусочно-заданных функций на непрерывность
Функция задана кусочно , если она на разных участках области определения задаётся разными формулами.
Основная идея при исследовании таких функций – выяснить, задана ли функция в тех точках, в которых переопределяется, и как. Затем проверяется, совпадают ли значения функции слева и справа от таких точек.
Пример 1.
Покажем, что функция
непрерывна.
Функция
элементарна и потому непрерывна в тех
точках, в которых определена. Но, очевидно,
она определена во всех точках.
Следовательно, во всех точках она и
непрерывна, в том числе при
,
как требует условие.
То же справедливо
для функции
,
и при
она непрерывна.
В таких случаях
непрерывность может нарушаться только
там, где функция переопределяется. В
нашем примере это точка
.
Проверим её, для чего найдём пределы
слева и справа:
Пределы слева и справа совпадают. Остаётся узнать:
а) определена ли
функция в самой точке
;
б) если да, то
совпадает ли
со значениями пределов слева и справа.
По условию, если
,
то
.
Поэтому
.
Видим, что
(все равны числу 2). Это означает, что в
точке
функция
непрерывна
.
Итак, функция непрерывна на всей оси,
включая точку
.
Замечания к решению
а) При вычислениях
не играло роли, подставляем
мы в конкретную формулу число
или
.
Обычно это важно, когда получается
деление на бесконечно малую величину,
поскольку влияет на знак бесконечности.
Здесь же
и
отвечают только завыбор
функции;
б) как правило,
обозначения
и
равноправны, то же касается обозначений
и
(и справедливо для любой точки, а не
только для
).
Дальше для краткости применяются
обозначения вида
;
в) когда пределы слева и справа равны, для проверки на непрерывность фактически остаётся посмотреть, будет ли одно из неравенств нестрогим . В примере таковым оказалось 2-е неравенство.
Пример 2.
Исследуем на непрерывность функцию
.
По тем же причинам,
что в примере 1, непрерывность может
нарушаться только в точке
.
Проверим:
Пределы слева и
справа равны, но в самой точке
функция не определена (неравенства
строгие). Это означает, что
– точкаустранимого
разрыва
.
«Устранимый
разрыв» означает, что достаточно или
сделать любое из неравенств нестрогим,
или придумать для отдельной точки
функцию, значение которой при
равно –5, или просто указать, что
,
чтобы вся функция
стала непрерывной.
Ответ:
точка
– точка устранимого разрыва.
Замечание 1. В литературе устранимый разрыв обычно считается частным случаем разрыва 1-го рода, однако студентами чаще понимается как отдельный тип разрыва. Во избежание разночтений будем придерживаться 1-й точки зрения, а «неустранимый» разрыв 1-го рода оговаривать особо.
Пример 3.
Проверим, непрерывна ли функция
В точке
Пределы слева и
справа различны:
.
Независимо от того, определена ли функция
при
(да) и если да, то чему равна (равна 2),
точка
–точка
неустранимого разрыва 1-го рода
.
В точке
происходитконечный
скачок
(от
1 к 2).
Ответ:
точка
Замечание 2.
Вместо
и
обычно пишут
и
соответственно.
Возможен вопрос: чем отличаются функции
и
,
а также их графики? Правильный ответ:
а) 2-я функция не
определена в точке
;
б) на графике 1-й
функции точка
«закрашена», на графике 2-й – нет
(«выколотая точка»).
Точка
,
где обрывается график
,
не закрашена на обоих графиках.
Сложнее исследовать функции, по-разному определённые на трёх участках.
Пример 4.
Непрерывна ли функция
?
Так же, как в
примерах 1 – 3, каждая из функций
,
инепрерывна на всей числовой оси, в том
числе – на участке, на котором задана.
Разрыв возможен только в точке
или (и) в точке
,
где функция переопределяется.
Задача распадается на 2 подзадачи: исследовать на непрерывность функции
и
,
причём точка
не представляет интереса для функции
,
а точка
– для функции
.
1-й
шаг.
Проверяем
точку
и функцию
(индекс не пишем):
Пределы совпадают.
По условию,
(если пределы слева и справа равны, то
фактически функция непрерывна, когда
одно и из неравенств нестрогое). Итак,
в точке
функция непрерывна.
2-й
шаг.
Проверяем
точку
и функцию
:
Поскольку
,
точка
– точка разрыва 1-го рода, и значение
(и то, есть ли оно вообще) уже не играет
роли.
Ответ:
функция непрерывна во всех точках, кроме
точки
,
где имеет место неустранимый разрыв
1-го рода – скачок от 6 к 4.
Пример 5.
Найти точки разрыва функции
.
Действуем по той же схеме, что в примере 4.
1-й
шаг.
Проверяем
точку
:
а)
,
поскольку слева от
функция постоянна и равна 0;
б)
(
– чётная функция).
Пределы совпадают,
но при
функция по условию не определена, и
получается, что
– точка устранимого разрыва.
2-й
шаг.
Проверяем
точку
:
а)
;
б)
– значение функции не зависит от
переменной.
Пределы различны:
,
точка
– точка неустранимого разрыва 1-го рода.
Ответ:
– точка устранимого разрыва,
– точка неустранимого разрыва 1-го рода,
в остальных точках функция непрерывна.
Пример 6.
Непрерывна ли функция
?
Функция
определена при
,
поэтому условие
превращается в условие
.
С другой стороны,
функция
определена при
,
т.е. при
.
Значит, условие
превращается в условие
.
Получается, что
должно выполняться условие
,
и область определения всей функции –
отрезок
.
Сами по себе
функции
и
элементарны и потому непрерывны во всех
точках, в которых определены – в
частности, и при
.
Остаётся проверить,
что происходит в точке
:
а)
;
Поскольку
,
смотрим, определена ли функция в точке
.
Да, 1-е неравенство – нестрогое относительно
,
и этого достаточно.
Ответ:
функция определена на отрезке
и непрерывна на нём.
Более сложные случаи, когда одна из составляющих функций неэлементарна или не определена в какой-либо точке своего отрезка, выходят за рамки пособия.
НФ1. Постройте графики функций. Обратите внимание, определена ли функция в той точке, в которой переопределяется, и если да – каково значение функции (слово «если » в определении функции для краткости пропущено):
1) а)
б)
в)
г)
2) а)
б)
в)
г)
3) а)
б)
в)
г)
4) а)
б)
в)
г)
Пример 7.
Пусть
.
Тогда на участке
строим горизонтальную прямую
,
а на участке
строим горизонтальную прямую
.
При этом точка с координатами
«выколота», а точка
«закрашена». В точке
получается разрыв 1-го рода («скачок»),
и
.
НФ2. Исследуйтена непрерывность функции, по-разному определённые на 3-х интервалах. Постройте графики:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
Пример 8.
Пусть
.
На участке
строим прямую
,
для чего находим
и
.
Соединяем точки
и
отрезком. Сами точки не включаем,
поскольку при
и
функция по условию не определена.
На участке
и
обводим осьOX
(на ней
),
однако точки
и
«выколоты». В точке
получаем устранимый разрыв, а в точке
– разрыв 1-го рода («скачок»).
НФ3. Постройте графики функций и убедитесь в их непрерывности:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
НФ4. Убедитесь в непрерывности функций и постройте их графики:
1) а)
б)
в)
2 а)
б)
в)
3) а)
б)
в)
НФ5. Постройте графики функций. Обратите внимание на непрерывность:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
4) а)
б)
в)
г)
д)
е)
5) а)
б)
в)
г)
д)
е)
НФ6. Постройте графики разрывных функций. Обратите внимание на значение функции в той точке, где функция переопределяется (и существует ли оно):
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
4) а)
б)
в)
г)
д)
е)
5) а)
б)
в)
г)
д)
е)
НФ7. То же задание, что и в НФ6:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
4) а)
б)
в)
г)
д)
е)
Аналитическое задание функции
Функция %%y = f(x), x \in X%% задана явным аналитическим способом , если дана формула, указывающая последовательность математических действий, которые надо выполнить с аргументом %%x%%, чтобы получить значение %%f(x)%% этой функции.
Пример
- %% y = 2 x^2 + 3x + 5, x \in \mathbb{R}%%;
- %% y = \frac{1}{x - 5}, x \neq 5%%;
- %% y = \sqrt{x}, x \geq 0%%.
Так, например, в физике при равноускоренном прямолинейном движении скорость тела определяется формулой %%v = v_0 + a t%%, а формула для перемещения %%s%% тела при равномерно ускоренном движении на промежутке времени от %%0%% до %%t%% записывается в виде: %% s = s_0 + v_0 t + \frac{a t^2}{2} %%.
Кусочно-заданные функции
Иногда рассматриваемая функция может быть задана несколькими формулами, действующими на различных участках области ее определения, в которой изменяется аргумент функции. Например: $$ y = \begin{cases} x ^ 2,~ если~x < 0, \\ \sqrt{x},~ если~x \geq 0. \end{cases} $$
Функции такого вида иногда называют составными или кусочно-заданными . Примером такой функции является %%y = |x|%%
Область определения функции
Если функция задана явным аналитическим способом с помощью формулы, но область определения функции в виде множества %%D%% не указана, то под %%D%% будем всегда подразумевать множество значений аргумента %%x%%, при которых данная формула имеет смысл. Так для функции %%y = x^2%% областью определения служит множество %%D = \mathbb{R} = (-\infty, +\infty)%%, поскольку аргумент %%x%% может принимать любые значения на числовой прямой . А для функции %%y = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}%% областью определения будет множество значений %%x%% удовлетворяющих неравенству %%1 - x^2 > 0%%, т.е. %%D = (-1, 1)%%.
Преимущества явного аналитического задания функции
Отметим, что явный аналитический способ задания функции достаточно компактен (формула, как правило, занимает немного места), легко воспроизводим (формулу нетрудно записать) и наиболее приспособлен к выполнению над функциями математических действий и преобразований.
Некоторые из этих действий - алгебраические (сложение, умножение и др.) - хорошо известны из школьного курса математики, другие (дифференцирование, интегрирование) будем изучать в дальнейшем. Однако этот способ не всегда нагляден, так как не всегда четок характер зависимости функции от аргумента, а для нахождения значений функции (если они необходимы) требуются иногда громоздкие вычисления.
Неявное задание функции
Функция %%y = f(x)%% задана неявным аналитическим способом , если дано соотношение $$F(x,y) = 0, ~~~~~~~~~~(1)$$ связывающее значения функции %%y%% и аргумента %%x%%. Если задавать значения аргумента, то для нахождения значения %%y%%, соответствующего конкретному значению %%x%%, необходимо решить уравнение %%(1)%% относительно %%y%% при этом конкретном значении %%x%%.
При заданном значении %%x%% уравнение %%(1)%% может не иметь решения или иметь более одного решения. В первом случае заданное значение %%x%% не принадлежит области определения неявно заданной функции, а во втором случае задает многозначную функцию , имеющую при данном значении аргумента более одного значения.
Отметим, что если уравнение %%(1)%% удается явно разрешить относительно %%y = f(x)%%, то получаем ту же функцию, но уже заданную явным аналитическим способом. Так, уравнение %%x + y^5 - 1 = 0%%
и равенство %%y = \sqrt{1 - x}%% определяют одну и ту же функцию.
Параметрическое задание функции
Когда зависимость %%y%% от %%x%% не задана непосредственно, а вместо этого даны зависимости обоих переменных %%x%% и %%y%% от некоторой третьей вспомогательной переменной %%t%% в виде
$$ \begin{cases} x = \varphi(t),\\ y = \psi(t), \end{cases} ~~~t \in T \subseteq \mathbb{R}, ~~~~~~~~~~(2) $$то говорят о параметрическом способе задания функции;
тогда вспомогательную переменную %%t%% называют параметром.
Если из уравнений %%(2)%% удается исключить параметр %%t%%, то приходят к функции, заданной явной или неявной аналитической зависимостью %%y%% от %%x%%. Например, из соотношений $$ \begin{cases} x = 2 t + 5, \\ y = 4 t + 12, \end{cases}, ~~~t \in \mathbb{R}, $$ исключением параметра %%t%% получим зависимость %%y = 2 x + 2%%, которая задает в плоскости %%xOy%% прямую.
Графический способ
Пример графического задания функции
Приведенные выше примеры показывают, что аналитическому способу задания функции соответствует ее графическое изображение , которое можно рассматривать как удобную и наглядную форму описания функции. Иногда используют графический способ задания функции, когда зависимость %%y%% от %%x%% задают линией на плоскости %%xOy%%. Однако при всей наглядности он проигрывает в точности, поскольку значения аргумента и соответствующие им значения функции можно получить из графика лишь приближенно. Возникающая при этом погрешность зависит от масштаба и точности измерения абсциссы и ординаты отдельных точек графика. В дальнейшем графику функции отведем роль только иллюстрации поведения функции и поэтому будем ограничиваться построением «эскизов» графиков, отражающих основные особенности функций.
Табличный способ
Отметим табличный способ задания функции, когда некоторые значения аргумента и соответствующие им значения функции в определенном порядке размещаются в таблице. Так построены известные таблицы тригонометрических функций, таблицы логарифмов и т.п. В виде таблицы обычно представляют зависимость между величинами, измеряемыми при экспериментальных исследованиях, наблюдениях, испытаниях.
Недостаток этого способа состоит в невозможности непосредственного определения значений функции для значений аргумента, не входящих в таблицу. Если есть уверенность, что непредставленные в таблице значения аргумента принадлежат области определения рассматриваемой функции, то соответствующие им значения функции могут быть вычислены приближенно при помощи интерполяции и экстраполяции.
Пример
x | 3 | 5.1 | 10 | 12.5 |
y | 9 | 23 | 80 | 110 |
Алгоритмический и словесный способы задания функций
Функцию можно задать алгоритмическим (или программным ) способом, который широко используют при вычислениях на ЭВМ.
Наконец, можно отметить описательный (или словесный ) способ задания функции, когда правило соответствия значений функции значениям аргумента выражено словами.
Например, функцию %%[x] = m~\forall {x \in }