Monotoniczność funkcji

Zadanie 1.
Z wykresu musimy odczytać, kiedy nasza funkcja przyjmuje wartości większe od \(2\). Widzimy, że tak się stanie dla dwóch przedziałów: od \(x=-5\) aż do \(x=-1\) oraz od \(x=7\) do \(x=8\). Zwróćmy uwagę jeszcze na krańce przedziałów - przy argumencie \(x=-5\) oraz \(x=8\) mamy zamalowane kropki, więc nawiasy muszą być domknięte. Matematyczny zapis wyglądałby więc następująco:
$$x\in\langle-5;-1)\cup(7;8\rangle$$

Zadanie 2.
Spoglądamy na wykres funkcji i szukamy fragmentu, w którym funkcja "kieruje się w dół". Widzimy, że mamy tylko jeden taki przedział, funkcja maleje od \(x=-3\) aż do \(x=3\). Zapisując przedziały monotoniczności (czyli gdzie funkcja maleje/rośnie/jest stała) używamy zwyczajowo nawiasów domkniętych, stąd też:
$$x\in\langle-3;3\rangle$$

Zadanie 3.
Spoglądamy na naszą funkcję i sprawdzamy, jakie są największe i najmniejsze wartości przez nią przyjmowane. Widzimy, że największą przyjmowaną wartością jest \(y=6\), natomiast najmniejszą będzie \(y=-6\).

Funkcja liniowa jest rosnąca, gdy współczynnik \(a\) (czyli liczba znajdująca się przed iksem) jest większy od zera. W naszym przypadku \(a=2m-5\), więc funkcja będzie rosnąca dla:
$$2m-5\gt0$$ $$2m\gt5$$ $$m\gt2,5$$

Krok 1. Wyznaczenie miejsc zerowych funkcji.
Funkcja jest zapisana w postaci iloczynowej, więc wyznaczenie miejsc zerowych będzie bardzo proste, ponieważ wystarczy sprawdzić, kiedy \(-2(x-2)(x+1)=0\). Musimy więc rozwiązać równanie kwadratowe w postaci iloczynowej, a dokonamy tego przyrównując wartości w nawiasach do zera. Zatem:
$$x-2=0 \quad\lor\quad x+1=0$$ $$x=2 \quad\lor\quad x=-1$$

Krok 2. Wyznaczenie współrzędnej \(p\) wierzchołka paraboli.
Podana funkcja ma ramiona skierowane do dołu, ponieważ współczynnik \(a=-2\). To oznacza, że funkcja będzie rosnąć od minus nieskończoności aż do wierzchołka, co dobrze wyjaśni poniższy rysunek:


Musimy zatem wyznaczyć współrzędną \(p\) wierzchołka paraboli, a w tym celu posłużymy się jedną z własności parabol - wierzchołek znajduje się dokładnie między miejscami zerowymi, zatem:
$$p=\frac{2+(-1)}{2}$$ $$p=\frac{1}{2}$$

To oznacza, że funkcja jest rosnąca w zbiorze \((-\infty; \frac{1}{2}\rangle\).

Krok 1. Zapisanie nierówności.
Aby funkcja liniowa była rosnąca, to współczynnik kierunkowy \(a\) musi być większy od \(0\). W naszym przypadku współczynnik \(a\) jest równy \(m^2-3\), zatem musimy rozwiązać nierówność:
$$m^2-3\gt0$$

Krok 2. Rozwiązanie nierówności.
Naszym zadaniem jest teraz rozwiązanie powstałej nierówności kwadratowej. Tradycyjnie na początku musimy obliczyć miejsca zerowe wielomianu, przyrównując wartość \(m^2-3\) do zera. Możemy to zrobić metodą delty (pamiętając, że w tej sytuacji współczynnik \(b=0\)), ale w tym konkretnym przypadku możemy te miejsca zerowe wyznaczyć znacznie szybciej:
$$m^2-3=0$$ $$m^2=3$$ $$m=\sqrt{3} \quad\lor\quad m=-\sqrt{3}$$

Mając miejsca zerowe możemy przystąpić do rysowania paraboli. Zaznaczamy na osi wyznaczone przed chwilą miejsca zerowe (kropki będą niezamalowane, bo w nierówności wystąpił znak \(\gt\)) i rysujemy parabolę, która ma ramiona skierowane do góry (bo współczynnik \(a\) jest dodatni).


Interesują nas wartości większe od zera, czyli wszystko to, co znalazło się nad osią iksów. Z rysunku jasno wynika, że rozwiązaniem naszej nierówności (a tym samym całego zadania) jest przedział \(m\in(-\infty,-\sqrt{3})\cup(\sqrt{3},\infty)\).

Krok 1. Obliczenie liczby wszystkich zdarzeń elementarnych.
Z pierwszego zbioru możemy wylosować jedną z sześciu liczb. Z drugiego zbioru możemy wylosować jedną z czterech liczb. W związku zgodnie z regułą mnożenia wszystkich zdarzeń elementarnych będziemy mieć:
$$|Ω|=6\cdot4=24$$

Krok 2. Obliczenie liczby zdarzeń sprzyjających.
Musimy teraz ustalić jaka para liczb będzie tworzyć zdarzenie sprzyjające, zatem musimy ustalić które liczby ze zbioru \(A\) oraz \(B\) pasują nam do warunków zadania. Aby funkcja była rosnąca, to współczynnik kierunkowy \(a\) musi być dodatni. To oznacza, że z pierwszego zbioru interesują nas tylko liczby \(1,2,3\).

Teraz musimy ustalić jakie liczby interesują nas ze zbioru \(B\), a wpływ na to mieć będzie informacja mówiąca o tym, iż funkcja ma mieć dodatnie miejsca zerowe. Co to oznacza, że miejsca zerowe są dodatnie? Jeżeli funkcja przecina oś iksów dla np. \(x=-2\), to znaczy że miejsce zerowe jest ujemne (taki przypadek nas nie interesuje). Jeżeli funkcja przecina oś iksów dla np. \(x=3\) to wtedy miejsce zerowe jest dodatnie. Jak więc ustalić kiedy funkcja osiąga dodatnie miejsce zerowe?

Aby funkcja liniowa (która jest rosnąca) miała dodatnie miejsce zerowe dodatnie, to musi przecinać oś igreków w ujemnej wartości (czyli pod osią iksów), nie ma innej możliwości. O miejscu przecięcia się z osią igreków informuje nas współczynnik \(b\) i już po tej prostej analizie wiemy, że musi on być ujemny. To by oznaczało, że ze zbioru \(B\) interesowałaby nas jedynie wartość \(-1\).

Jeżeli jednak nie dostrzegliśmy tej własności, to możemy podejść do zagadnienia z innej strony. Aby wyznaczyć miejsce zerowe funkcji (jakiekolwiek) to musimy przyrównać wzór funkcji do zera. Zatem:
$$ax+b=0$$ $$ax=-b$$ $$x=\frac{-b}{a}$$

My musimy mieć to miejsce zerowe większe od zera, czyli interesuje nas sytuacja w której:
$$\frac{-b}{a}\gt0$$

Skoro w naszym przypadku \(a\) jest dodatnie, to aby wyrażenie \(\frac{-b}{a}\) było większe od zera, to w liczniku musimy mieć także liczbę dodatnią. To oznacza, że \(b\) musi być liczbą ujemną. Z podanych liczb w zbiorze \(B\) tylko liczba \(-1\) spełnia ten warunek.

Skoro więc ze zbioru \(A\) interesują nas liczby \(1,2,3\), a ze zbioru \(B\) interesuje nas jedynie \(-1\), to zdarzeniami sprzyjającymi będą:
$$(1;-1), (2;-1), (3;-1)$$

Są to więc tylko trzy pary liczb, zatem \(|A|=3\).

Krok 3. Obliczenie prawdopodobieństwa.
$$P(A)=\frac{|A|}{|Ω|}=\frac{3}{24}=\frac{1}{8}$$

Przedział argumentów dla których funkcja jest rosnąca odczytujemy z osi iksów. Widzimy wyraźnie, że funkcja rośnie od argumentu \(x=-3\) aż do argumentu \(x=0\), zatem przedziałem w którym ta funkcja rośnie będzie \(\langle-3;0\rangle\).

Krok 1. Sporządzenie rysunku pomocniczego.
Spróbujmy narysować sobie omawianą sytuację:


Krok 2. Odczytanie wartości współczynników \(a\) oraz \(b\)
Funkcja jest malejąca, zatem współczynnik \(a\) jest liczbą ujemną, czyli \(a\lt0\).
Współczynnik \(b\) mówi nam o miejscu przecięcia się wykresu z osią igreków. Widzimy wyraźnie, że funkcja przecina oś igreków w ujemnej wartości, czyli \(b\lt0\).

Krok 3. Wybór prawidłowej odpowiedzi.
Wiemy już, że zarówno \(a\) jak i \(b\) są liczbami ujemnymi. Przeanalizujmy teraz każdą z odpowiedzi:
Odp. A. \(a+b\gt0\) - to nie może być prawda, bo suma dwóch liczb ujemnych na pewno będzie mniejsza od zera.
Odp. B. \(a+b\lt0\) - to prawda, bo suma dwóch liczb ujemnych na pewno będzie mniejsza od zera.
Odp. C. \(ab=0\) - to nie jest prawda, bo iloczyn dwóch liczb ujemnych da wynik dodatni.
Odp. D. \(ab\lt0\) - to nie jest prawda, bo iloczyn dwóch liczb ujemnych da wynik dodatni.

Krok 1. Obliczenie miejsc zerowych wielomianu.
Wzór funkcji jest podany w postaci iloczynowej, tak więc miejsca zerowe wyznaczymy przyrównując wartość każdego z nawiasów do zera.
$$(x-1)(x-9)=0$$ $$x-1=0 \quad\lor\quad x-9=0$$ $$x=1 \quad\lor\quad x=9$$

Krok 2. Wyznaczenie współrzędnej \(x\) wierzchołka paraboli.
Aby móc określić w jakim przedziale ta funkcja jest rosnąca musimy poznać współrzędną iksową wierzchołka paraboli. I właśnie do uzyskania tej informacji przydadzą nam się miejsca zerowe, które obliczyliśmy w pierwszym kroku, bowiem wierzchołek paraboli będzie pomiędzy po środku między jednym i drugim miejscem zerowym. Zatem:
$$x_{W}=\frac{1+9}{2}=\frac{10}{2}=5$$

Krok 3. Wyznaczenie przedziału dla którego funkcja \(f\) jest rosnąca:
Dla przejrzystości zadania zróbmy sobie jeszcze na rysunek szkicowy.



Ramiona paraboli są skierowane do góry, bo przed wartościami \(x\) nie było minusów. Funkcja będzie więc rosnąć od wierzchołka (po to właśnie obliczaliśmy jego współrzędną \(x_{W}\)) aż do nieskończoności. Poszukiwanym przedziałem jest więc \(\langle5;+\infty)\).

Krok 1. Zapisanie wzoru funkcji.
Przeanalizujmy sobie całą sytuację:
Po upływie roku populacja wyniesie: \(p_{1}=50000\cdot0,7\)
Po upływie dwóch lat populacja wyniesie: \(p_{2}=50000\cdot0,7\cdot0,7=50000\cdot(0,7)^2\)
Po upływie trzech lat populacja wyniesie: \(p_{3}=50000\cdot0,7\cdot0,7\cdot0,7=50000\cdot(0,7)^3\)
I tutaj możemy dostrzec już pewną prawidłowość, dzięki której będziemy w stanie zapisać, że po upływie \(t\) lat populacja wyniesie: \(p_{t}=50000\cdot(0,7)^t\)

Krok 2. Obliczenie ilości ryb po trzech latach.
Korzystając z uzyskanego wzoru lub z fragmentu naszej analizy możemy zapisać, że po upływie trzech lat liczba ryb wyniesie:
$$p_{3}=50000\cdot(0,7)^3$$ $$p_{3}=50000\cdot0,343$$ $$p_{3}=17150$$

Krok 1. Zapisanie nierówności.
Funkcja liniowa w postaci \(y=ax+b\) jest rosnąca wtedy, gdy współczynnik kierunkowy \(a\) jest większy od zera. W naszym przypadku \(a=8-p^2\), zatem musimy rozwiązać następującą nierówność:
$$8-p^2\gt0$$

Krok 2. Wyznaczenie miejsc zerowych wielomianu.
Powstała nam nierówność kwadratowa, którą precyzyjniej moglibyśmy jeszcze zapisać jako \(-p^2+8\gt0\). Aby rozwiązać taką nierówność, to jak to zwykle bywa, musimy zacząć od wyznaczenia miejsc zerowych, czyli sprawdzenia kiedy \(8-p^2=0\), zatem:
$$-p^2+8=0$$ $$p^2=8$$ $$p=\sqrt{8} \quad\lor\quad p=-\sqrt{8}$$

Krok 3. Szkicowanie wykresu paraboli.
Zaznaczając na osi liczbowej wartości wyznaczone przed chwilą możemy przystąpić do rysowania paraboli. Jej ramiona będą skierowane do dołu (bo przed \(p^2\) pojawił się minus), zatem całość będzie wyglądać następująco:


Krok 4. Odczytanie rozwiązania.
Z rysunku wynika, że wartości większe od zera są przyjmowane dla \(p\in(-\sqrt{8};\sqrt{8})\). To z kolei oznacza, że właśnie dla takich wartości naszego \(p\) funkcja liniowa będzie rosnąca. Omawiany przedział został zaprezentowany w trzeciej odpowiedzi.

Krok 1. Sporządzenie rysunku pomocniczego.
Spróbujmy naszkicować wykres paraboli. Na pewno ramiona paraboli będą skierowane do dołu, bo współczynnik kierunkowy \(a\) jest ujemny. Całość będzie wyglądać mniej więcej w ten sposób:



Z rysunku wynika dość wyraźnie, że nasza funkcja będzie rosnąć od minus nieskończoności aż dotrze do wierzchołka. To właśnie w wierzchołku się potem odbije i zacznie maleć. Wniosek z tego taki, że musimy obliczyć współrzędną iksową naszego wierzchołka (potocznie zapisywaną jako \(p\)).

Krok 2. Obliczenie współrzędnej iksowej wierzchołka.
Współrzędną \(p\) obliczymy ze wzoru:
$$p=\frac{-b}{2a}$$

W naszym przypadku współczynniki wynoszą odpowiednio: \(a=-4, b=16, c=-23\), zatem:
$$p=\frac{-16}{2\cdot(-4)}$$ $$p=\frac{-16}{-8}$$ $$p=2$$

Krok 3. Zapisanie przedziału.
Wiemy już, że współrzędna iksowa wierzchołka jest równa \(p=2\), zatem funkcja ta rośnie w przedziale \(x\in(-\infty, 2)\).

Krok 1. Wyznaczenie współrzędnych wierzchołka paraboli.
Z treści zadania możemy odczytać bardzo ważną informację, a mianowicie współrzędne wierzchołka paraboli. Zastanówmy się co to znaczy, że funkcja rośnie w przedziale \((-\infty,2\rangle\) i że osiąga największą wartość równą \(10\). To by oznaczało, że nasza funkcja wygląda mniej więcej w ten sposób:



Wynika z tego, że funkcja ma wierzchołek w punkcie \(W=(2,10)\).

Krok 2. Zapisanie wzoru funkcji w postaci kanonicznej.
Znając współrzędne wierzchołka paraboli możemy zapisać ją w postaci kanonicznej:
$$f(x)=a(x-p)^2+q$$ $$f(x)=a(x-2)^2+10$$

Krok 3. Podstawienie współrzędnych punktu \(A\) oraz wyznaczenie współczynnika \(a\).
Do wyznaczonej przed chwilą postaci kanonicznej możemy podstawić współrzędne znanego nam punktu \(A\), co pozwoli wyznaczyć nam już jeden ze współczynników:
$$f(x)=a(x-2)^2+10$$ $$-2=a(4-2)^2+10$$ $$-2=a\cdot2^2+10$$ $$-2=4a+10$$ $$4a=-12$$ $$a=-3$$

Krok 4. Wyznaczenie współczynników \(b\) oraz \(c\).
Znając współczynnik kierunkowy \(a=-3\) wiemy już, że w postaci kanonicznej nasza funkcja przyjmuje wzór:
$$f(x)=-3(x-2)^2+10$$

Jeżeli wykonamy teraz potęgowanie, to doprowadzimy funkcję do postaci ogólnej, co z kolei pozwoli nam odczytać wartości wszystkich współczynników:
$$f(x)=-3(x-2)^2+10$$ $$f(x)=-3(x^2-4x+4)+10$$ $$f(x)=-3x^2+12x-12+10$$ $$f(x)=-3x^2+12x-2$$

To oznacza, że interesująca nas funkcja ma współczynniki:
$$a=-3,\;b=12,\;c=-2$$

Skoro funkcja liniowa ma być rosnąca, to na pewno \(a\gt0\).
Wiemy też, że funkcja ta ma dodatnie miejsce zerowe, musi więc wyglądać mniej więcej w taki sposób:



Widzimy wyraźnie, że skoro funkcja ma dodatnie miejsce zerowe i jest jednocześnie rosnąca, to na pewno przecina oś \(Oy\) w wartości ujemnej, czyli pod osią \(Ox\). To oznacza, że współczynnik \(b\lt0\).

Prawidłowa jest zatem odpowiedź \(a\gt0\) i \(b\lt0\).

Funkcja liniowa będzie malejąca wtedy, gdy współczynnik kierunkowy \(a\) będzie mniejszy od zera. W związku z tym musimy rozwiązać następującą nierówność:
$$3-\frac{1}{3}m\lt0$$ $$3\lt\frac{1}{3}m$$ $$m\gt9$$

To oznacza, że ta funkcja jest malejąca dla \(m\in(9,+\infty)\).

Krok 1. Sporządzenie rysunku pomocniczego.
Spróbujmy naszkicować całą sytuację. Na pewno wykres tej funkcji będzie parabolą i to taką, która ma ramiona skierowane do góry (bo współczynnik kierunkowy jest dodatni). Całość będzie wyglądać mniej więcej w ten sposób:



Z rysunku wynika dość wyraźnie, że nasza funkcja będzie malała od minus nieskończoności aż do naszego wierzchołka. To właśnie w wierzchołku się potem odbije i zacznie rosnąć do plus nieskończoności. Wniosek z tego taki, że musimy obliczyć współrzędną iksową naszego wierzchołka (potocznie zapisywaną jako \(p\)).

Krok 2. Obliczenie współrzędnej iksowej wierzchołka.
Współrzędną iksową obliczymy ze wzoru:
$$p=\frac{-b}{2a}$$

W naszym przypadku współczynniki wynoszą odpowiednio: \(a=2,\;b=-4,\;c=5\), zatem:
$$p=\frac{-(-4)}{2\cdot2}$$ $$p=\frac{4}{4}$$ $$p=1$$

Krok 3. Zapisanie przedziału.
Wiemy już, że współrzędna iksowa wierzchołka jest równa \(p=1\), zatem funkcja ta maleje w przedziale \(x\in(-\infty,1)\).

Aby funkcja była rosnąca, to jej współczynnik kierunkowy \(a\) musi być większy od zera. W naszym przypadku \(a=m-2\), zatem funkcja będzie rosnąca dla:
$$m-2\gt0$$ $$m\gt2$$

Funkcja liniowa jest rosnąca gdy jej współczynnik kierunkowy \(a\) (czyli liczba przed iksem) jest dodatni. W związku z tym funkcja ta będzie rosnąć gdy:
$$m+2\gt0$$ $$m\gt-2$$

Szukamy miejsc w których funkcja jest malejąca, czyli miejsc gdzie wykres funkcji skierowany jest do dołu. Przedział ten odczytujemy z osi iksów i widzimy że funkcja zaczyna maleć od argumentu \(x=1\) aż do argumentu \(x=6\). W związku z tym poszukiwanym przez nas przedziałem jest przedział \(x\in\langle1,6\rangle\).

Aby funkcja określona wzorem \(y=ax+b\) była rosnąca to współczynnik \(a\) musi być większy od zera. W naszym przykładzie \(a=m-1\), zatem aby funkcja była rosnąca to:
$$m-1\gt0$$ $$m\gt1$$

Spośród czterech odpowiedzi większa od jedynki jest jedynie czwarta odpowiedź, czyli \(m=2\).

Funkcję liniową wyrażamy wzorem w postaci \(f(x)=ax+b\). Aby funkcja liniowa była stała, to współczynnik \(a\) musi być równy \(0\). W naszym przypadku \(a=m-1\), stąd też aby funkcja była stała, to \(m-1\) musi być równe \(0\). Zatem:
$$m-1=0$$ $$m=1$$