Основные методы построения графиков функций

Статьи по математике из журнала МИФ-2 за 2002-2003 годы

Математика, 11 класс

Пишкова Наталья  Евгеньевна

Основные методы построения графиков функций

 График функции – это множество точек, у которых абсциссы являются допустимыми значениями аргумента х,  а ординаты  - соответствующими значениями  функции y.

Если буквально следовать определению, то для построения графика некоторой функции нужно найти   в с е пары соответствующих значений аргумента и функции и построить все точки с этими координатами. В большинстве случаев это сделать практически невозможно, так как таких точек бесконечно много. Поэтому обычно исследуют функцию, что даёт возможность найти область определения и область изменения функции,  области её убывания или возрастания, асимптоты,  интервалы знакопостоянства и т.д.; находят несколько точек, принадлежащих графику, и соединяют их плавной кривой. Однако при построении графиков многих функций часто можно избежать  проведение подобного исследования, используя ряд методов, упрощающих аналитическое выражение функции и облегчающих построение графика. Изложению  именно таких методов и посвящается эта статья, которая может служить практическим руководством  при построении графиков многих функций.

1.Параллельный  перенос

1. Перенос (сдвиг)  вдоль оси ординат

      Пусть требуется построить график функции  y=f(x)+b. Нетрудно заметить, что ординаты этого графика для всех значений аргумента на b единиц больше соответствующих ординат графика y=f(x)  при b>0 и на b единиц меньше при b<0. Следовательно, график  функции y=f(x)+b можно получить параллельным переносом вдоль оси ординат графика функции  y=f(x)  на b единиц вверх при b>0  или вниз при b<0.

 Рассмотрим это на примере построения графика функции  y= x² +1. Воспользуемся уже хорошо известным нам графиком функции y=x² (рис.1), назвав его исходным графиком. Сравнивая функцию  y=x² +1 с функцией  y=x² , видим, что ординаты y графика заданной функции на 1 больше ординат исходного графика. Следовательно, исходный график надо перенести на 1 вверх, как это и показано на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Рис.1       Рис.2            Рис.3

Однако перемещение  графика связано с его перерисовыванием, что  бывает затруднительно, особенно в случае сложных графиков. Перенос  же графика на b единиц вверх или вниз вдоль оси ординат эквивалентен  соответствующему, противоположному переносу оси абсцисс на столько же единиц.

Вернёмся к нашему примеру  и покажем, что график функции y=x²+1 можно построить ещё проще,  если воспользоваться тем же исходным графиком y=x², но вместо перенесения всей кривой вверх на 1 перенести ось x-ов  на ту же единицу вниз, как показано на рисунке 3. Тем самым относительно новой оси x-ов все ординаты кривой    увеличиваются на 1, и получается график заданной функции.

Именно этим способом и следует пользоваться, поэтому  сформулируем следующее правило.

Для построения графика функции  y=f(x)+b (где y=f(x) - простейшая функция, график которой нам известен) следует построить график функции y=f(x), причём горизонтальную ось начертить штриховой линией и затем сдвинуть её  на b единиц вниз, если b>0  и на b единиц вверх, если b<0. Это и будет истинная ось х-ов; полученный  в новой системе координат график является графиком функции y=f(x)+b.

     Пример 1. Построить график функции y=2^x+3.

       Р е ш е н и е:

Строим  график функции y=2^x и переносим ось абсцисс на 3 единицы вниз. Получаем  график  функции y=2^x+3 ( рис.4 ). Прямая  y=3 является горизонтальной асимптотой. График пересекает ось ординат в точке ( 0;4 ).

          Рис.4              Рис.5

 

       Пример 2.  Построить график функции

     Р е ш  е н и е :

Строим график функции      и переносим ось абсцисс на  единиц вверх. Получаем график функции   ( рис.5 ). Прямая  является горизонтальной асимптотой. График пересекает ось абсцисс в точке ( ;0 ).

 

1.2 Перенос  вдоль  оси абсцисс

       Пусть тебуется построить график функции y=f(x+a).   Рассмотрим функцию y=f(x),    которая в некоторой точке x=x₁ принимает значение  y₁=f(x₁).  Очевидно, функция y=f(x+a)   примет такое же значение  в точке x₂, координата которой определяется из равенства x₂+a=x₁, т.е. x₂=x₁-a,   причём рассматриваемое равенство справедливо для совокупности всех значений  x  из области определения функции. Следовательно, график функции  y=f(x+a)       может быть получен параллельным перемещением графика функции y=f(x)    вдоль оси абсцисс влево на a   единиц при a>0   или вправо на  a  единиц при a<0.  Параллельное же перемещение графика вдоль оси абсцисс на   a  единиц эквивалентно  переносу оси ординат на столько же единиц, но в противоположную сторону. Таким образом, получаем следующее правило.

     Для построения  графика функции   y=f(x+a)    следует построить график функции y=f(x)   и перенести ось  ординат  на  a   единиц вправо при a>0   или на   a    единиц влево при a<0   .Полученный  в новой системе координат график является графиком функции y=f(x+a).     

 Пример 3.   Построить график функции  y=log₂(x+2).

Р е ш е н и  е:     

Строим  график функции  y=log₂x. Переносим ось ординат на  2 единицы вправо, и в полученной таким образом новой системе координат имеем график функции y=log₂(x+2).

Прямая  x=-2 (первоначальная ось y) является вертикальной асимптотой. График пересекает ось абсцисс в точке  x= -1, а ось ординат -  в точке y=1 (рис.6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Рис.6       Рис.7      

 Пример 4. Построить график функции y=sin(x- ).

Р е ш е н и  е:

Строим график функции  y=sin x. Переносим ось ординат на единиц влево и во вновь полученной системе координат имеем график функции y=sin(x- ) (рис 7). Координаты точек пересечения графика с осью абсцисс находим из условия sin(x- )=0, откуда x= +pk, где k=0, ±1, ±2, … .

 

2.Отражение

2.1.Построение  графика функции вида y=f(-x)

Очевидно, что функции y=f(-x) и y=f(x) принимают равные значения в точках, абсциссы которых равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Иначе говоря, ординаты графика  функции y=f(-x)  в области положительных (отрицательных) значений x будут равны ординатам графика функции y=f(x) при соответствующих по абсолютной величине отрицательных (положительных) значениях x. Таким образом, получаем следующее правило.

       Для построения графика функции y=f(-x)   следует построить график  функции y=f(x)   и отразить его относительно оси ординат. Полученный график является графиком функции y=f(-x).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.8       Рис.9

 

      Пример 5.  Построить график функции y= (-x).

Р е ш е н и  е : Строим график функции y= x  и отражением его относительно оси ординат получаем график функции y= (-x)   (рис.8).

2.2.Построение  графика функции вида y= -f(x).

Ординаты графика функции y= -f(x) при всех значениях аргумента равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку ординатам графика функции y= f(x)  при тех же значениях аргумента. Таким образом, получаем следующее правило.

Для построения графика  функции y= -f(x)  следует построить график функции

 y=f(x)   и отразить его относительно оси абсцисс. 

Пример 6. Построить график функции  y= - cos x.

Р е ш е н и  е: Строим график функции y= cos x (рис. 9 – пунктирная кривая) и, отражая его относительно оси абсцисс, получаем график функции y= - cos x.

Пример 7. Построить график функции  y= - .

Р е ш е н и  е: Строим график функции y=   и, отражая его  относительно оси абсцисс, получаем график функции  y= -   (рис.10).

 

2.3.Построение  графиков чётной и нечётной  функций

Как уже отмечалось, для чётной функции y=f(x)   во всей области изменения её аргумента справедливо соотношение f(x)=f(- x).  Следовательно, функция такого рода принимает одинаковые значения при всех значениях аргумента,  равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку. График чётной функции симметричен относительно оси ординат.

Для  построения графика чётной функции y=f(x) следует построить ветвь графика этой функции   только в области положительных значений аргумента x . График функции y=f(x)  в области отрицательных значений  аргумента симметричен построенной ветви  относительно оси ординат и получается  отражением её относительно этой оси.

Пример 8. Построить график  функции   y= .

Р е ш е н и  е: Данная функция – чётная, поэтому  достаточно построить её график  лишь в области положительных значений x  (точка x=0  не входит в область определения функции). При x>0  исходная функция имеет вид   y= .  График  функции y= в области отрицательных значений  x  получаем отражением относительно оси ординат  (рис.11).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для  нечётной функции y=f(x) в области всех значений  аргумента справедливо равенство f(-x)= -f(x).    Таким образом, в области отрицательных значений аргумента ординаты графика нечётной функции равны по величине, но противоположны по знаку ординатам графика той же функции при соответствующих положительных значениях x. График нечётной функции симметричен относительно начала координат.

Для построения графика нечётной функции  y=f(x)  следует строить ветвь графика этой функции только в области положительных значений аргумента (x ).

График функции y=f(x)  в области отрицательных значений  аргумента симметричен построенной ветви относительно начала координат и может быть получен отражением этой ветви относительно оси ординат  с последующим отражением  в области отрицательных значений  x относительно оси абсцисс.

Пример 9. Построить график функции   y=x .

Р е ш е н и  е: Исходная функция является нечётной, поэтому  строим её в области положительных значений аргумента   (x ),  где она имеет вид y=x².  График функции y=x   в области отрицательных значений аргумента получаем отражением  построенной ветви относительно начала координат (рис.12).

Пример 10. Построить график функции  y= .

Р е ш е н и  е: Данная функция является нечётной, поэтому строим её график лишь  в  области x>0  (точка x=0 не входит в область определения функции), где она имеет вид y=1. Ветвь графика данной функции при x<0  получаем отражением  относительно начала координат построенной ветви кривой (рис.13).  Стрелки означают, что точки (0,1) и (0,-1) не принадлежат графику.

2.4. Построение  графика обратной функции

Прямая и обратная функции выражают одну и ту же зависимость  между переменными  x и y, с тем только отличием, что в обратной функции эти переменные поменялись ролями, что равносильно изменению обозначений осей координат. Поэтому график обратной функции симметричен графику прямой функции относительно биссектрисы  I и III  координатных углов, т.е. относительно  прямой  y=x. Таким образом,  получаем следующее правило.

Для построения графика  функции y= , обратной по отношению к функции y=f(x), следует построить график  y=f(x) и отразить его относительно прямой y=x.

Пример 11. Построить график функции  y= .

Р е ш е н и  е: Чтобы построить  график данной функции, рассмотрим график параболы  y=x² (рис.14 – пунктирная кривая) и график обратной  к ней функции y= , получаемый отражением параболы относительно прямой  y=x. Обратная функция является двузначной. В силу того, что исходная функция   y=   однозначна и область её  изменения есть полуинтервал  0 y< , графиком функции   y=    является верхняя ветвь отражённой параболы (сплошная кривая).  Нижняя же ветвь (штрих-пунктир) представляет собой график функции    y= - .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 12. Построить график функции  y= .

Р е ш е н и  е: Данная функция является обратной по отношению к функции y=x , поэтому строим график функции y=x и отражаем его относительно прямой y=x (рис.15).

3. Деформация  (сжатие и растяжение)

3.1 Сжатие  (растяжение) графика вдоль оси ординат

Рассмотрим функцию  вида y=A , где A>0. Нетрудно заметить, что при равных значениях аргумента  ординаты графика этой  функции будут  в A раз больше ординат графика функции   y=f(x)  при A>1 или в раз меньше  ординат графика функции   y=f(x)  при A<1. Таким образом, получаем следующее правило.

Для построения графика  функции   y=A следует построить график функции y=f(x)   и увеличить его ординаты в A раз при A>1 (произвести растяжение графика вдоль оси ординат) или уменьшить его ординаты в раз при A<1 (произвести сжатие графика вдоль оси ординат). Полученный график является графиком функции y=A .

Пример 13. Построить график функции y=2cos x.

Р е ш е н и  е: Строим график функции  y=cos x  (рис.16 – пунктирная кривая) и растяжением этого графика  вдоль оси ординат  в 2 раза получаем график функции  y=2cos x (сплошная кривая).

Пример 14. Построить график функции  y= x².

Р е ш е н и  е: Строим график функции  y=x²  и сжатием этого графика в 3 раза вдоль оси ординат получаем  график функции y= x² (рис.17).