Pregled elementarnih funkcij - Matematika
Transcription
Pregled elementarnih funkcij - Matematika
Univerza v Ljubljani, FE Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Melita Hajdinjak Matematika I (VS) Pregled elementarnih funkcij Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 2013/14 1 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Potenčna funkcija Korenska funkcija Funkcijo oblike f (x ) = x n , kjer je n ∈ Z, imenujemo potenčna funkcija. Število n imenujemo eksponent. Funkciji, ki ju dobimo za n = 0 in n = 1, sta pravzaprav linearni funkciji f (x ) = 1 in f (x ) = x , zato ju ne uvrščamo med prave potenčne funkcije. Definicijsko območje potenčne funkcije je R, če je n ≥ 0, in R\{0}, če je n < 0. Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 2 / 46 Pregled elementarnih funkcij n ≥ 1, lih: n > 1, sod: x3 x4 4 2 Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom 2 Racionalna funkcija 1 Eksponentna funkcija -2 1 -1 2 x -1.5 -1.0 0.5 -0.5 1.0 1.5 x Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije -2 -1 Hiperbolične funkcije -4 -2 3 / 46 Pregled elementarnih funkcij n ≤ −1, lih: n < −1, sod: 1 1 4 4 2 2 2 -2 Polinom x2 x -4 Potenčna funkcija Korenska funkcija 4 x -4 Racionalna funkcija Eksponentna funkcija 2 -2 4 x Logaritemska funkcija Kotne funkcije -2 -2 -4 -4 Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 4 / 46 Pregled elementarnih funkcij Korenska funkcija Potenčna funkcija Funkcijo oblike f (x ) = √ n x, kjer je n ∈ N, n > 1, imenujemo korenska funkcija. Število n imenujemo korenski eksponent. Definicijsko območje korenske funkcije je R, če je n lih, in [0, ∞), če je n sod. Zveza med korensko in potenčno funkcijo za n > 1: √ n x = y ⇐⇒ x = y n . Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 5 / 46 Korenska funkcija je inverzna funkcija (cele ali zožene) potenčne funkcije: ◮ če je n liho število, je potenčna funkcija f (x ) = x n injektivna √ −1 n funkcija, ki ima inverz f (x ) = x , Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija 3 x Polinom 2 Racionalna funkcija Eksponentna funkcija 1 Logaritemska funkcija Kotne funkcije -2 1 -1 2 x Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije -1 -2 6 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija ◮ če je n sodo število, potenčna funkcija f (x ) = x n ni injektivna funkcija in inverz dobimo, če se omejimo na nenegativna števila. Če je x pozitiven, ima enačba x = y celo dve realni rešitvi, ki se razlikujeta samo za predznak. Po dogovoru za rezultat n-tega korena izberemo nenegativno rešitev te enačbe. n Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 7 / 46 Pregled elementarnih funkcij x 4 Potenčna funkcija Korenska funkcija 3 Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija 2 Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije 1 Hiperbolične funkcije 1 -1 2 3 x -1 8 / 46 Pregled elementarnih funkcij Polinom Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Funkcijo oblike p(x ) = an x n + an−1 x n−1 + · · · + a1 x + a0 , kjer je an 6= 0, ai ∈ R, i = 0, . . . , n, imenujemo polinom. Število n imenujemo stopnja polinoma p. Definicijsko območje vsakega polinoma je R. Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 9 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Izrek. (Osnovni izrek algebre) Polinom p stopnje n ima največ n realnih ničel, torej p(x ) = 0 za največ n različnih realnih vrednosti spremenljivke x . Natančneje, polinom p stopnje n ima natanko n kompleksnih ničel, od katerih so nekatere lahko tudi večkratne. Če ima polinom p točno n realnih ničel x1 , . . . , xn , ga lahko zapišemo v obliki p(x ) = an (x − xn )...(x − x1 ). Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 10 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Primer. Narišimo graf polinoma p(x ) = 6x 4 − 13x 3 + 7x 2 + x − 1. Niče polinoma lahko iščemo s Hornerjevim algoritmom. Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Ničle: x1,2 = 1 (2. stopnje), x3 = 21 , x4 = − 13 . Hiperbolične funkcije 11 / 46 Pregled elementarnih funkcij 6 x4 - 13 x3 + 7 x2 + x - 1 1.0 Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom 0.5 Racionalna funkcija Eksponentna funkcija -1.0 0.5 -0.5 1.0 1.5 2.0 x Logaritemska funkcija Kotne funkcije -0.5 Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije -1.0 12 / 46 Pregled elementarnih funkcij Racionalna funkcija Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Funkcijo oblike p(x ) , R(x ) = q(x ) kjer sta p in q polinoma, imenujemo racionalna funkcija. Definicijsko območje racionalne funkcije je množica R\{x : q(x ) = 0}. Po osnovnem izreku algebre zato racionalna funkcija ni definirana v največ toliko točkah, kot je stopnja polinoma q. Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 13 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Če želimo narisati graf racionalne funkcije, je dobro skupne faktorje polinomov p in q najprej okrajšati. Le če polinoma p in q racionalne funkcije R nimata skupnih ničel, namreč velja: ◮ ničle polinoma p so ničle racionalne funkcije R, ◮ ničle polinoma q so poli racionalne funkcije R, v okolici katerih je graf R neomejen. Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 14 / 46 Pregled elementarnih funkcij Če je stopnja polinoma p manjša od stopnje polinoma q, ima racionalna funkcija vodoravno asimptoto y = 0. Potenčna funkcija Korenska funkcija x-3 Polinom x2 - x + 1 Racionalna funkcija 1 -4 2 -2 4 6 x Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija -1 Kotne funkcije -2 Ciklometrične funkcije -3 Hiperbolične funkcije -4 15 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Če je stopnja polinoma p večja ali enaka stopnji polinoma q, asimptoto racionalne funkcije dobimo kot kvocient pri deljenju polinomov p in q. Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 16 / 46 Pregled elementarnih funkcij Primer. Izračunajmo asimptoti racionalnih funkcij: x2 − 1 a) R(x ) = x +5 5x 4 + x 3 − 1 b) R(x ) = x2 + 5 Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Asimptoti: y = x − 5 (premica), y = 5x 2 + x − 25 (parabola). Hiperbolične funkcije 17 / 46 Pregled elementarnih funkcij Primer. Narišimo graf racionalne funkcije 3 R(x ) = x −x . x (x + 5) Skupne faktorje najprej okrajšajmo! Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Ničli x1,2 = ±1, pol x = −5, asimptota y = x − 5. Hiperbolične funkcije 18 / 46 Pregled elementarnih funkcij x2 - 1 x+5 20 Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom 10 Racionalna funkcija Eksponentna funkcija -30 -20 10 -10 20 30 x Logaritemska funkcija Kotne funkcije -10 Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije -20 -30 19 / 46 Eksponentna funkcija Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Funkcijo oblike Polinom f (x ) = ax , kjer je realno število a > 0 in a 6= 1, imenujemo eksponentna funkcija. Najpogosteje uporabljamo osnovo a = e, torej Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije f (x ) = e x . Definicijsko območje eksponentne funkcije je množica R. Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 20 / 46 Za a > 1 je f (x ) = ax strogo naraščajoča, pozitivna in neomejena funkcija. Njena zaloga vrednosti je množica (0, ∞). 2 x Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom 4 Racionalna funkcija 3 Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija 2 Kotne funkcije Ciklometrične funkcije 1 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 x Hiperbolične funkcije 21 / 46 Pregled elementarnih funkcij Za 0 < a < 1 je f (x ) = ax strogo padajoča, pozitivna in neomejena funkcija. Njena zaloga vrednosti je množica (0, ∞). Potenčna funkcija 2-x Korenska funkcija 4 Polinom Racionalna funkcija 3 Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija 2 Kotne funkcije Ciklometrične funkcije 1 Hiperbolične funkcije -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 x 22 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Eksponentna funkcija je strogo monotona, zato injektivna, torej obstaja njena inverzna funkcija. Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 23 / 46 Logaritemska funkcija Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Inverzna funkcija eksponentne funkcije ax je oblike f (x ) = loga x , kjer je realno število a > 0 in a 6= 1, in jo imenujemo logaritemska funkcija. Definicijsko območje logaritemske funkcije je enako zalogi vrednosti eksponentne funkcije, torej množici (0, ∞). Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 24 / 46 Za a > 1 je f (x ) = loga x strogo naraščajoča in neomejena funkcija. Njena zaloga vrednosti je množica R. logHxL Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija logH2L Korenska funkcija 4 Polinom Racionalna funkcija 3 Eksponentna funkcija 2 Logaritemska funkcija 1 Kotne funkcije -3 -2 1 -1 2 3 4 x Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije -2 -3 25 / 46 Za 0 < a < 1 je f (x ) = loga x strogo padajoča in neomejena funkcija. Njena zaloga vrednosti je množica R. logHxL Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija logH2L Korenska funkcija 4 Polinom Racionalna funkcija 3 Eksponentna funkcija 2 Logaritemska funkcija Kotne funkcije 1 Ciklometrične funkcije -3 -2 1 -1 2 3 4 x Hiperbolične funkcije -1 -2 26 / 46 Pregled elementarnih funkcij Lastnosti logaritemske funkcije: ◮ definirana je samo za pozitivna realna števila, ◮ je strogo monotona in neomejena, ◮ premica x = 0 je njen pol, ◮ loga 1 = 0 (ničla je x0 = 1), ◮ y = ax ⇐⇒ x = loga y , ◮ loga (xy ) = loga x + loga y , ◮ loga ◮ loga x = b loga x . x y = loga x − loga y , b Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 27 / 46 Pregled elementarnih funkcij Največkrat obravnavamo logaritemsko funkcijo z osnovo a = e. V tem primeru logaritemsko funkcijo imenujemo naravni logaritem in pišemo f (x ) = loge x = ln x . Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Opomba. Nekateri naravni logaritem zapisujejo kot log x , kar je včasih tudi oznaka za desetiški logaritem. Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 28 / 46 Kotne (trigonometrične) funkcije Kotne funkcije so sinus, kosinus, tangens in kotangens. Za kote, manjše od π/2, so definirane s pomočjo razmerij med stranicami v pravokotnem trikotniku. sin α = naspr. kateta hipotenuza pril. kateta cos α = hipotenuza tan α = naspr. kateta pril. kateta ctan α = pril. kateta naspr. kateta Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 29 / 46 Pregled elementarnih funkcij Definicijsko območje kotnih funkcij sinus in kosinus razširimo na množico vseh realnih števil. Potenčna funkcija Definicijsko območje funkcije Polinom tan x = tg x = Racionalna funkcija sin x cos x Eksponentna funkcija je množica R\{ π2 + kπ : k ∈ Z}. Logaritemska funkcija Definicijsko območje funkcije ctan x = cot x = ctg x = je množica R\{kπ : k ∈ Z}. Korenska funkcija Kotne funkcije cos x sin x Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 30 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Funkciji sinus in kosinus sta periodični s periodo 2π: Korenska funkcija Polinom sin x = sin(x + 2π) in cos x = cos(x + 2π) za vsak x ∈ R. Funkciji tangens in kotangens sta periodični s periodo π: tan x = tan(x + π) in ctan x = ctan(x + π) za vsak x ∈ R. Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 31 / 46 Pregled elementarnih funkcij Med kotnimi funkcijami veljajo številne zveze, kot so: Potenčna funkcija 2 2 sin x + cos x = 1, tan2 x + 1 = 1/ cos2 x , ctan2 x + 1 = 1/ sin2 x , tan x ctan x = 1, sin(2x ) = 2 sin x cos x , cos(2x ) = cos2 x − sin2 x , x 1 − cos x sin2 = , 2 2 x 1 + cos x cos2 = . 2 2 Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 32 / 46 Pregled elementarnih funkcij Grafa funkcij sinus in kosinus: Potenčna funkcija sinHxL Korenska funkcija 1 -2 Π 3Π - Π -Π Polinom Π Π - 2 2 3Π 2 2 x 2Π Racionalna funkcija Eksponentna funkcija -1 Logaritemska funkcija cosHxL Kotne funkcije Ciklometrične funkcije 1 -2 Π 3Π 2 Π -Π Π Π 2 2 3Π 2 x 2Π Hiperbolične funkcije -1 33 / 46 Grafa funkcij tangens in kotangens: Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija cotHxL Kotne funkcije 4 Ciklometrične funkcije 3 Hiperbolične funkcije 2 1 -2 Π 3Π 2 Π -Π Π Π 2 2 3Π 2 x 2Π -1 -2 -3 -4 34 / 46 Ciklometrične funkcije Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Kotne funkcije niso injektivne, zato inverzne funkcije kotnih funkcij ne obstajajo. Če pa se omejimo na območje, kjer je posamezna kotna funkcija injektivna, lahko definiramo inverze zoženih kotnih funkcij. Te inverze imenujemo ciklometrične funkcije. Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 35 / 46 Pregled elementarnih funkcij Pri sinusni funkciji se omejimo na interval [− π2 , π2 ]. Inverzno oziroma ciklometrično funkcijo te zožene sinusne funkcije imenujemo arkus sinus in pišemo f (x ) = arcsin x . Velja: y = arcsin x ⇐⇒ sin y = x . Definicijsko območje funkcije arkus sinus je [−1, 1], njena zaloga vrednosti pa [− π2 , π2 ]. Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 36 / 46 Graf funkcije arkus sinus Pregled elementarnih funkcij sin-1 HxL Π 2 Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom 1 Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Π 1 -1 2 Π 2 x Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije -1 Π 2 37 / 46 Pregled elementarnih funkcij Pri kosinusni funkciji se omejimo na interval [0, π]. Inverzno oziroma ciklometrično funkcijo te zožene kosinusne funkcije imenujemo arkus kosinus in pišemo f (x ) = arccos x . Velja: y = arccos x ⇐⇒ cos y = x . Definicijsko območje funkcije arkus kosinus je [−1, 1], njena zaloga vrednosti pa [0, π]. Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 38 / 46 Graf funkcije arkus kosinus Pregled elementarnih funkcij cos-1 HxL Π Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Π 2 Logaritemska funkcija 1 Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 1 -1 x Π Π 2 -1 39 / 46 Pregled elementarnih funkcij Pri funkciji tangens se omejimo na interval [− π2 , π2 ]. Inverzno oziroma ciklometrično funkcijo tako zožene funkcije tangens imenujemo arkus tangens in pišemo f (x ) = arctan x . Velja: y = arctan x ⇐⇒ tan y = x . Definicijsko območje funkcije arkus tangens je R, njena zaloga vrednosti pa [− π2 , π2 ]. Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 40 / 46 Graf funkcije arkus tangens Pregled elementarnih funkcij tan-1 HxL Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Π Eksponentna funkcija 2 Logaritemska funkcija Π Π 2 2 - x Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije Π 2 41 / 46 Pregled elementarnih funkcij Pri funkciji kotangens se omejimo na interval [0, π]. Inverzno oziroma ciklometrično funkcijo tako zožene funkcije kotangens imenujemo arkus kotangens in pišemo f (x ) = arcctan x . Velja: y = arcctan x ⇐⇒ ctan y = x . Definicijsko območje funkcije arkus kotangens je R, njena zaloga vrednosti pa [0, π]. Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 42 / 46 Graf funkcije arkus kotangens Pregled elementarnih funkcij -1 cot HxL Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom Π Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Π Logaritemska funkcija 2 Kotne funkcije Π Π 2 3Π 2 x Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 43 / 46 Pregled elementarnih funkcij Hiperbolične funkcije Potenčna funkcija To je skupno ime za funkcije hiperbolični sinus, hiperbolični kosinus, hiperbolični tangens in hiperbolični kotangens, ki so definirane takole: x e −e , 2 e x + e −x , ch x = cosh x = 2 sinh x th x = tanh x = , cosh x cosh x cth x = ctanh x = . sinh x sh x = sinh x = −x Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 44 / 46 Pregled elementarnih funkcij Potenčna funkcija Za hiperbolične funkcije veljajo podobne zveze kot za kotne funkcije, na primer cosh2 x − sinh2 x = 1, sinh(2x ) = 2 sinh x cosh x , cosh(2x ) = cosh2 x + sinh2 x . Korenska funkcija Polinom Racionalna funkcija Eksponentna funkcija Logaritemska funkcija Kotne funkcije Inverzne funkcije hiperboličnih funkcij imenujemo area funkcije. Ciklometrične funkcije Hiperbolične funkcije 45 / 46 Grafa funkcij hiperbolični sinus in kosinus: Pregled elementarnih funkcij 8sinhHxL, coshHxL< 4 Potenčna funkcija Korenska funkcija Polinom 3 Racionalna funkcija Eksponentna funkcija 2 Logaritemska funkcija 1 Kotne funkcije Ciklometrične funkcije -3 -2 1 -1 2 3 x Hiperbolične funkcije -1 -2 46 / 46