Start › Definicje i teoria › Matematyka › Granice i pochodna funkcji
∑ Matematyka⚛ Fizyka⬡ Chemia📖 Język polski

Definicje: Granice i pochodna funkcji

Granica ciągu i funkcji, ciągłość, asymptoty, pochodna funkcji i jej interpretacja, monotoniczność i ekstrema.

21 definicji
Pochodna — pojęcie i interpretacja LO · szkoła średnia
Definicja: Pochodna funkcji $f$ w punkcie $x_0$ to granica ilorazu różnicowego: $$f'(x_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}$$ Jeśli ta granica istnieje, mówimy że $f$ jest różniczkowalna w $x_0$.
Prosto mówiąc: Pochodna to chwilowe tempo zmiany — jak prędkościomierz w samochodzie. Prędkość = pochodna drogi po czasie $v(t) = s'(t)$.
Podstawowe wzory różniczkowania:
  • $(c)'= 0$ (stała)
  • $(x^n)' = nx^{n-1}$
  • $(\sin x)' = \cos x$; $(\cos x)' = -\sin x$
  • $(e^x)' = e^x$; $(\ln x)' = \dfrac{1}{x}$
  • Reguła łańcuchowa: $[f(g(x))]' = f'(g(x)) \cdot g'(x)$
  • $(fg)' = f'g + fg'$; $\left(\dfrac{f}{g}\right)' = \dfrac{f'g - fg'}{g^2}$
Przykład: Znajdź miejsca, gdzie $f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5$ osiąga ekstrema.
  1. $f'(x) = 3x^2 - 6x - 9 = 3(x^2-2x-3) = 3(x-3)(x+1)$
  2. $f'(x) = 0 \Rightarrow x = 3$ lub $x = -1$
  3. $f''(x) = 6x - 6$; $f''(-1) = -12 \lt 0$ → maksimum; $f''(3) = 12 > 0$ → minimum
⚡ Zapamiętaj: $f'(x_0) > 0$ — funkcja rośnie w $x_0$; $f'(x_0) \lt 0$ — maleje; $f'(x_0) = 0$ — kandydat na ekstremum (nie zawsze!). Sprawdź zmianę znaku $f'$.
Granica funkcji — definicja i techniki obliczania LO · szkoła średnia

Definicja Heinego: $\lim_{x\to a}f(x)=L\Leftrightarrow$ dla każdego ciągu $x_n\to a$ (z $x_n\neq a$) mamy $f(x_n)\to L$.

Definicja Cauchy'ego: $\forall\varepsilon>0\;\exists\delta>0$: $0\lt |x-a|\lt \delta\Rightarrow|f(x)-L|\lt \varepsilon$.

Techniki dla $\frac{0}{0}$: upraszczaj algebrycznie (faktoryzacja, wzory WSM), mnóż przez sprzężenie.

Dla $\frac{\infty}{\infty}$: dziel przez najwyższą potęgę $x$.

Ważne granice: $\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1$; $\lim_{x\to\infty}(1+\frac{1}{x})^x=e$; $\lim_{x\to0}\frac{e^x-1}{x}=1$.

$\lim_{x\to2}\frac{x^2-4}{x-2}=\lim_{x\to2}\frac{(x-2)(x+2)}{x-2}=4$.

$\lim_{x\to\infty}\frac{3x^2+1}{x^2-5}=\lim_{x\to\infty}\frac{3+1/x^2}{1-5/x^2}=3$.

Forma $\frac{0}{0}$ to niedookreślona — NIE wynika z niej wartość. Zawsze próbuj uprościć. $\frac{k}{0}$ ($k\neq0$) → $\pm\infty$ lub brak granicy.

Ekstremum lokalne funkcji — warunki LO · szkoła średnia
Definicja: Funkcja $f$ ma minimum lokalne w $x_0$, jeśli $f(x_0)\leq f(x)$ dla $x$ z otoczenia $x_0$. Warunek konieczny: $f\'(x_0)=0$ (punkt krytyczny). Warunek dostateczny: zmiana znaku $f\'$ z $-$ na $+$ (minimum) lub z $+$ na $-$ (maksimum).
Prosto mówiąc: Ekstrema to "górki" i "doliny" wykresu. W ekstremum pochodna = 0 (lub nie istnieje). Sprawdzaj zmianę znaku pochodnej.
Zastosowanie:
  • Optymalizacja — szukanie optymalnych wartości
  • Analiza rentowności, minimalnych kosztów
  • Fizyka — stany równowagi
Przykład: $f(x)=x^3-3x$. $f\'(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)$. $f\'=0$: $x=1$ i $x=-1$. Znak: $f\'\lt 0$ na $(-1,1)$, $f\'>0$ poza. $x=-1$ maks. lokalne, $x=1$ min. lokalne.
⚡ Zapamiętaj: Punkt krytyczny (f\'=0) to tylko "kandydat" na ekstremum. Sprawdź zmianę znaku lub $f\'\'(x_0)$: $>0$ → minimum, $\lt 0$ → maksimum.
Monotoniczność funkcji — warunki z pochodną LO · szkoła średnia
Definicja: • $f\'(x)>0$ na przedziale $(a,b)$ → $f$ rosnąca na $(a,b)$
• $f\'(x)\lt 0$ na $(a,b)$ → $f$ malejąca na $(a,b)$
• $f\'(x)=0$ na $(a,b)$ → $f$ stała na $(a,b)$
Prosto mówiąc: Pochodna mówi o "nachyleniu" wykresu. Pochodna dodatnia = wykres idzie w górę. Ujemna = w dół. Zero = poziomo.
Zastosowanie:
  • Wyznaczanie przedziałów monotoniczności
  • Analiza trendów wzrostowych i spadkowych
  • Ekonomia — kiedy przychód rośnie
Przykład: $f(x)=x^2-4x+1$. $f\'=2x-4$. $f\'>0$: $x>2$ (rosnąca). $f\'\lt 0$: $x\lt 2$ (malejąca). Minimum w $x=2$: $f(2)=-3$.
⚡ Zapamiętaj: Wyznacz $f\'$, rozwiąż $f\'>0$ i $f\'\lt 0$. To daje przedziały monotoniczności. Na granicy tych przedziałów (gdzie $f\'=0$) — kandydaci na ekstremum.
Asymptoty — znajdowanie dla złożonych funkcji LO · szkoła średnia
Definicja: Asymptota ukośna $y=ax+b$: $a=\lim_{x\to\infty}\tfrac{f(x)}{x}$, $b=\lim_{x\to\infty}(f(x)-ax)$. Funkcja może przecinać swoją asymptotę poziomą lub ukośną — ale asymptoty pionowej nie.
Prosto mówiąc: Asymptota to "kierunek w nieskończoność". Wykres zbliża się do tej linii jak $x\to\pm\infty$ lub jak $x\to a$.
Zastosowanie:
  • Pełna analiza wykresu funkcji
  • Szkicowanie wykresów bez użycia technologii
  • Modelowanie zachowań granicznych
Przykład: $f(x)=\tfrac{x^2+1}{x}=x+\tfrac{1}{x}$. $a=\lim \tfrac{x^2+1}{x^2}=1$. $b=\lim(\tfrac{x^2+1}{x}-x)=\lim\tfrac{1}{x}=0$. Asymptota ukośna: $y=x$. Plus asymptota pionowa $x=0$.
⚡ Zapamiętaj: Schemat szukania asymptoty ukośnej: podziel wielomian (dzielenie wielomianów), iloraz daje $ax+b$, reszta dąży do 0.
Granica funkcji — definicja i obliczenia LO · szkoła średnia
Definicja: $\lim_{x\to a}f(x)=L$: wartości $f(x)$ zbliżają się do $L$ gdy $x$ zbliża się do $a$ (ale $x\neq a$). Granice jednostronne: $\lim_{x\to a^+}$ (z prawej) i $\lim_{x\to a^-}$ (z lewej). Granica istnieje ⟺ obie jednostronne są równe.
Prosto mówiąc: Granica to "co chce osiągnąć funkcja" dążąc do punktu — niekoniecznie to samo co wartość w tym punkcie.
Zastosowanie:
  • Definicja pochodnej
  • Ciągłość funkcji
  • Reguła de l'Hôpitala (granice nieoznaczone)
Przykład: $\lim_{x\to2}\dfrac{x^2-4}{x-2}=\lim_{x\to2}\dfrac{(x-2)(x+2)}{x-2}=\lim_{x\to2}(x+2)=4$. Forma $\tfrac{0}{0}$ — skróć wspólny czynnik!
⚡ Zapamiętaj: Formy nieoznaczone $\tfrac{0}{0}$, $\tfrac{\infty}{\infty}$: upraszczaj algebraicznie lub stosuj regułę de l'Hôpitala. Nigdy nie "podstawiaj" bezpośrednio gdy dostaniesz $\tfrac{0}{0}$.
Asymptoty — pozioma, pionowa i ukośna LO · szkoła średnia

Pionowa: $x=a$ gdy $\lim_{x\to a^\pm}f(x)=\pm\infty$

Pozioma: $y=g$ gdy $\lim_{x\to\pm\infty}f(x)=g$

Ukośna: $y=mx+b$ gdy $m=\lim_{x\to\infty}\frac{f(x)}{x}$, $b=\lim_{x\to\infty}[f(x)-mx]$ (oba skończone)

Asymptota pozioma jest szczególnym przypadkiem ukośnej z $m=0$.

Funkcja może przecinać asymptotę poziomą (w skończonym miejscu), ale nie pionową.

$f(x)=\frac{x^2+1}{x}=x+\frac{1}{x}$: asymptota ukośna $y=x$ ($m=1, b=0$), pionowa $x=0$.

Szukaj asymptoty ukośnej tylko gdy stopień licznika = stopień mianownika + 1.

Twierdzenie o wartości pośredniej — zastosowania LO · szkoła średnia
Definicja: Jeśli $f$ jest ciągła na $[a,b]$ i $f(a)\neq f(b)$, to dla każdej wartości $c$ między $f(a)$ a $f(b)$ istnieje $x_0\in(a,b)$ taki, że $f(x_0)=c$.
Prosto mówiąc: Ciągła funkcja nie "przeskakuje". Jeśli w $a$ jest $-3$, a w $b$ jest $+5$ — gdzieś pomiędzy musi przejść przez $0$. (Twierdzenie Bolzano — istnienie pierwiastka.)
Zastosowanie:
  • Dowód istnienia pierwiastka równania
  • Metoda bisekcji (numeryczne wyznaczanie pierwiastka)
  • Ekonomia — istnienie punktu równowagi
Przykład: Czy $x^3-x-1=0$ ma pierwiastek na $(1,2)$? $f(1)=1-1-1=-1\lt 0$, $f(2)=8-2-1=5>0$. Zmiana znaku → istnieje pierwiastek na $(1,2)$ ✓
⚡ Zapamiętaj: Zmiana znaku funkcji ciągłej na $(a,b)$ → gwarantowany pierwiastek wewnątrz. Sprawdź $f(a)\cdot f(b)\lt 0$.
Definicja pochodnej — iloraz różnicowy LO · szkoła średnia
Definicja: Pochodna funkcji $f$ w punkcie $x_0$: $$f\'(x_0)=\lim_{h\to0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}$$ Geometrycznie: nachylenie stycznej do wykresu w $(x_0, f(x_0))$. Fizycznie: chwilowa prędkość zmian.
Prosto mówiąc: Pochodna to "szybkość zmian" funkcji w danym punkcie. Iloraz różnicowy to nachylenie siecznej; granica daje nachylenie stycznej.
Zastosowanie:
  • Prędkość chwilowa (pochodna drogi po czasie)
  • Natężenie prądu (pochodna ładunku)
  • Marginalna analiza ekonomiczna
Przykład: $f(x)=x^2$. $f\'(x_0)=\lim_{h\to0}\tfrac{(x_0+h)^2-x_0^2}{h}=\lim_{h\to0}\tfrac{2x_0h+h^2}{h}=\lim_{h\to0}(2x_0+h)=2x_0$. Zatem $(x^2)\'=2x$.
⚡ Zapamiętaj: Pochodna istnieje gdy granica ilorazu różnicowego istnieje i jest skończona. Jeśli wykres ma "ostry róg" — pochodna w tym punkcie nie istnieje.
Reguły różniczkowania — iloczyn, iloraz, łańcuchowa LO · szkoła średnia
Definicja: • Suma/różnica: $(f\pm g)\'=f\'\pm g\'$
• Iloczyn: $(fg)\'=f\'g+fg\'$
• Iloraz: $(\tfrac{f}{g})\'=\tfrac{f\'g-fg\'}{g^2}$
• Łańcuchowa: $(f\circ g)\'=f\'(g(x))\cdot g\'(x)$
Prosto mówiąc: Iloczyn: "pierwsza × pochodna drugiej + druga × pochodna pierwszej". Łańcuchowa: pochodna zewnętrzna × pochodna wewnętrznej. Najważniejsza reguła!
Zastosowanie:
  • Różniczkowanie złożonych wyrażeń
  • Optymalizacja funkcji kilku zmiennych
  • Kinetyka chemiczna (szybkość reakcji)
Przykład: $(x^2\cdot e^x)\'=2x\cdot e^x+x^2\cdot e^x=e^x(2x+x^2)$. $(\sin(x^2))\'=\cos(x^2)\cdot2x$ (łańcuchowa).
⚡ Zapamiętaj: Łańcuchowa: $(f(g(x)))\'=f\'(g(x))\cdot g\'(x)$. Przykład: $(\sin^3x)\'=3\sin^2x\cdot\cos x$ (zewnętrzna $u^3$, wewnętrzna $\sin x$).
Asymptota ukośna — wyznaczanie i interpretacja LO · szkoła średnia
Asymptota ukośna $y = mx + b$ istnieje, gdy: $$m = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} \in \mathbb{R}, \qquad b = \lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - mx] \in \mathbb{R}$$ Wtedy $f(x) - (mx+b) \to 0$ gdy $x \to \pm\infty$. Odrębne asymptoty możliwe dla $+\infty$ i $-\infty$.
Prosto mówiąc: Asymptota ukośna to prosta, do której wykres „ucieka" dla dużych $|x|$ — nie poziomo (jak asymptota pozioma), ale pod skosem. Pojawia się np. w funkcjach wymiernych gdy stopień licznika = stopień mianownika + 1.
Kiedy szukać asymptoty ukośnej:
  • Funkcje wymierne: stopień licznika o 1 większy niż mianownika
  • $f(x) = \dfrac{P(x)}{Q(x)}$: podziel wielomiany — iloraz (liniowy) to asymptota
  • Inne funkcje: $\sqrt{x^2+x} \sim x + \tfrac{1}{2}$ dla $x\to+\infty$
Porównanie z asymptotą poziomą: Asymptota pozioma ($y=b$): $m=0$. Ukośna: $m \neq 0$.
Znajdź asymptotę ukośną $f(x) = \dfrac{x^2+2x+3}{x+1}$:
  1. $m = \lim_{x\to\infty}\dfrac{x^2+2x+3}{x(x+1)} = \lim \dfrac{x^2+2x+3}{x^2+x} = 1$
  2. $b = \lim[f(x)-x] = \lim \dfrac{x^2+2x+3 - x(x+1)}{x+1} = \lim \dfrac{x+3}{x+1} = 1$
  3. Asymptota: $y = x+1$ (co widać też po dzieleniu wielomianów: $\frac{x^2+2x+3}{x+1} = x+1 + \frac{2}{x+1}$)
⚡ Zapamiętaj: $m = \lim f(x)/x$, potem $b = \lim[f(x)-mx]$. Dla funkcji wymiernych — po prostu podziel wielomiany: liniowy iloraz daje asymptotę, reszta → 0. Sprawdź osobno dla $x\to+\infty$ i $x\to-\infty$!
Pochodna funkcji LO · szkoła średnia

Definicja

$$f'(x_0)=\lim_{h\to0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}$$

Pochodna mierzy chwilowe tempo zmian funkcji. Geometrycznie jest to współczynnik kierunkowy stycznej do wykresu w punkcie $x_0$.

Równanie stycznej: $y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0)$.

Pochodne funkcji elementarnych

$$(c)'=0,\qquad (x^n)'=nx^{n-1},\qquad (\sqrt{x})'=\frac{1}{2\sqrt{x}}$$

$$(\sin x)'=\cos x,\qquad (\cos x)'=-\sin x,\qquad (e^x)'=e^x,\qquad (\ln x)'=\frac1x$$

Reguły różniczkowania

$$(f\pm g)'=f'\pm g'$$

$$(fg)'=f'g+fg'$$

$$\left(\frac{f}{g}\right)'=\frac{f'g-fg'}{g^2}$$

$$\big(f(g(x))\big)'=f'(g(x))\cdot g'(x)$$

Badanie funkcji

  • $f'(x)>0$ — funkcja rosnąca
  • $f'(x)\lt 0$ — funkcja malejąca
  • $f'(x_0)=0$ i zmiana znaku z $+$ na $-$ — maksimum lokalne
  • $f'(x_0)=0$ i zmiana znaku z $-$ na $+$ — minimum lokalne

Interpretacja fizyczna

Pochodna drogi po czasie to prędkość, pochodna prędkości — przyspieszenie.

Na co uważać

Sam warunek $f'(x_0)=0$ nie wystarcza — dla $f(x)=x^3$ mamy $f'(0)=0$, ale ekstremum nie ma (brak zmiany znaku). Pochodna iloczynu nie jest iloczynem pochodnych. Przy funkcji złożonej łatwo pominąć „pochodną wnętrza”. Szukając wartości najmniejszej i największej na przedziale domkniętym, sprawdź także końce przedziału.

Badanie funkcji pochodną — monotoniczność i ekstrema LO · szkoła średnia

Znak pochodnej a monotoniczność

Pochodna mówi, jak nachylona jest styczna do wykresu — a więc czy funkcja rośnie, czy maleje:

  • $f^{\prime}(x)>0$ w przedziale $\Rightarrow$ funkcja rośnie w tym przedziale
  • $f^{\prime}(x)\lt 0$ w przedziale $\Rightarrow$ funkcja maleje w tym przedziale
  • $f^{\prime}(x)=0$ w przedziale $\Rightarrow$ funkcja jest stała

Punkty krytyczne

Punkty, w których $f^{\prime}(x)=0$ lub pochodna nie istnieje, nazywamy krytycznymi. Tylko tam może wystąpić ekstremum lokalne.

Warunek konieczny i wystarczający

Samo zerowanie pochodnej nie wystarcza. Ekstremum jest wtedy, gdy pochodna dodatkowo zmienia znak:

  • zmiana z $+$ na $-$ $\Rightarrow$ maksimum lokalne
  • zmiana z $-$ na $+$ $\Rightarrow$ minimum lokalne
  • brak zmiany znaku $\Rightarrow$ nie ma ekstremum

Klasyczny kontrprzykład: dla $f(x)=x^3$ mamy $f^{\prime}(x)=3x^2$, więc $f^{\prime}(0)=0$, ale pochodna jest dodatnia po obu stronach zera. Funkcja cały czas rośnie — ekstremum nie ma, jest tam punkt przegięcia.

Schemat badania funkcji

  1. wyznacz dziedzinę
  2. oblicz pochodną $f^{\prime}(x)$
  3. rozwiąż równanie $f^{\prime}(x)=0$
  4. zbadaj znak pochodnej w przedziałach między pierwiastkami
  5. odczytaj przedziały monotoniczności i ekstrema
  6. oblicz wartości funkcji w punktach ekstremalnych

Przykład

Zbadajmy $f(x)=x^3-3x$. Pochodna:

$$f^{\prime}(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)$$

Miejsca zerowe pochodnej: $x=-1$ i $x=1$. Znak pochodnej: dodatni dla $x\lt -1$, ujemny na $(-1,\,1)$, dodatni dla $x>1$.

Zatem w $x=-1$ jest maksimum lokalne $f(-1)=2$, a w $x=1$ minimum lokalne $f(1)=-2$.

Wartość największa i najmniejsza w przedziale domkniętym

Oprócz ekstremów lokalnych sprawdzamy zawsze końce przedziału — wartość największa może być właśnie tam.

Na co uważać

Nie myl miejsca zerowego funkcji ($f(x)=0$) z miejscem zerowym pochodnej ($f^{\prime}(x)=0$) — to zupełnie różne rzeczy. Pamiętaj też, że wnioski o monotoniczności formułujemy dla przedziałów, a nie dla pojedynczych punktów.

Zagadnienia optymalizacyjne LO · szkoła średnia

Czym jest zadanie optymalizacyjne

Szukamy wartości największej lub najmniejszej pewnej wielkości — największego pola, najmniejszego kosztu, najkrótszej drogi — przy podanym warunku.

Schemat postępowania

  1. Oznacz szukaną wielkość literą i nazwij, co optymalizujesz
  2. Zapisz warunek z treści zadania (obwód, objętość, suma)
  3. Wyeliminuj jedną zmienną, korzystając z warunku
  4. Ustal dziedzinę — wymiary muszą być dodatnie
  5. Zbadaj funkcję pochodną i znajdź ekstremum
  6. Sprawdź, czy punkt należy do dziedziny, i odpowiedz na pytanie zadania

Przykład — największe pole prostokąta

Prostokąt ma obwód $40$. Skoro $2a+2b=40$, to $b=20-a$, a pole wynosi:

$$P(a)=a(20-a)=-a^2+20a,\qquad a\in(0,\,20)$$

Pochodna $P^{\prime}(a)=-2a+20$ zeruje się dla $a=10$ i zmienia znak z $+$ na $-$, więc jest to maksimum:

$$P(10)=10\cdot10=100$$

Wniosek ogólny: spośród prostokątów o danym obwodzie największe pole ma zawsze kwadrat.

Przykład — największy iloczyn

Suma dwóch liczb dodatnich wynosi $12$. Iloczyn to $f(x)=x(12-x)=12x-x^2$. Pochodna $12-2x$ zeruje się dla $x=6$, więc obie liczby równe $6$ dają największy iloczyn $36$.

Przykład — najoszczędniejsza puszka

Walec o ustalonej objętości $V$ ma najmniejsze pole powierzchni całkowitej, gdy:

$$h=2r$$

czyli gdy wysokość równa się średnicy podstawy.

Twierdzenie Weierstrassa

Funkcja ciągła na przedziale domkniętym zawsze osiąga wartość największą i najmniejszą. Dlatego przy przedziale domkniętym oprócz punktów krytycznych sprawdzamy też jego końce.

Na co uważać

Największy błąd to pominięcie dziedziny — wzór matematyczny dopuszcza wartości bez sensu fizycznego, np. ujemny bok. Drugi błąd to zatrzymanie się na wartości zmiennej: zadanie zwykle pyta o pole, koszt lub wymiary, więc na końcu trzeba wrócić do treści i policzyć to, o co naprawdę pytano.

Granice i asymptoty wykresu LO · szkoła średnia

Pojęcie granicy

Granica $\lim_{x\to x_0}f(x)$ opisuje, do jakiej wartości zbliżają się wartości funkcji, gdy argument zbliża się do $x_0$. Sama wartość $f(x_0)$ nie ma tu znaczenia — funkcja nie musi być nawet w tym punkcie określona.

Granice funkcji ciągłych

Dla wielomianów i innych funkcji ciągłych granicę liczymy przez zwykłe podstawienie:

$$\lim_{x\to 2}(3x+1)=7$$

Symbol nieoznaczony 0/0

Gdy podstawienie daje $\frac00$, trzeba przekształcić wyrażenie:

  • rozłożyć licznik i mianownik na czynniki i skrócić
  • usunąć niewymierność przez sprzężenie

Przykład: $\lim_{x\to3}\frac{x^2-9}{x-3}=\lim_{x\to3}(x+3)=6$. Skracanie jest dozwolone, bo $x$ tylko dąży do $3$, nigdy nie jest mu równe.

Granice w nieskończoności — iloraz wielomianów

Porównujemy stopnie licznika i mianownika:

  • stopnie równe — granica to iloraz współczynników wiodących
  • licznik niższego stopnia — granica wynosi $0$
  • licznik wyższego stopnia — granica niewłaściwa ($\pm\infty$)

Przykład: $\lim_{x\to\infty}\frac{3x^2+5}{x^2-1}=3$.

Granice jednostronne

Granica obustronna istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy obie jednostronne istnieją i są równe. Dla $f(x)=\frac1x$ mamy $\lim_{x\to0^{+}}=+\infty$, a $\lim_{x\to0^{-}}=-\infty$, więc granica w zerze nie istnieje.

Ciągłość w punkcie

$$\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0)$$

Wymaga trzech rzeczy naraz: istnienia $f(x_0)$, istnienia granicy i ich równości.

Asymptoty

  • Pionowa $x=a$ — gdy granica jednostronna w $a$ jest nieskończona. Szukamy tam, gdzie zeruje się mianownik przy niezerowym liczniku
  • Pozioma $y=b$ — gdy $\lim_{x\to\pm\infty}f(x)=b$

Asymptota pozioma i ukośna wykluczają się wzajemnie.

Na co uważać

Zerowanie mianownika samo w sobie nie gwarantuje asymptoty pionowej — jeśli licznik też się zeruje, może dojść do skrócenia i powstanie tylko „dziura” w wykresie (nieciągłość usuwalna). Zawsze sprawdzaj licznik.

Ekstrema funkcji i zadania optymalizacyjne LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Ekstrema funkcji

Pochodna a monotoniczność

Znak pochodnej mówi, jak zachowuje się funkcja:

  • $f'(x)>0$ — funkcja rośnie
  • $f'(x)\lt 0$ — funkcja maleje
  • $f'(x)=0$ — punkt krytyczny (kandydat na ekstremum)

Warunek konieczny nie wystarcza

Zerowanie się pochodnej to za mało. Ekstremum jest tam, gdzie pochodna zmienia znak:

  • z $+$ na $-$ — maksimum
  • z $-$ na $+$ — minimum

Kontrprzykład: $f(x)=x^3$ ma $f'(0)=0$, ale pochodna $3x^2$ jest dodatnia po obu stronach zera — nie ma tam ekstremum, tylko punkt przegięcia.

Wartość największa na przedziale domkniętym

Porównujemy wartości funkcji w punktach krytycznych oraz na końcach przedziału. Ekstremum globalne może wypaść na brzegu, gdzie pochodna wcale nie musi się zerować.

Przykład: $f(x)=x^2-4x+1$ na $\langle0,\,3\rangle$. Punkt krytyczny $x=2$, a wartości to $f(0)=1$, $f(2)=-3$, $f(3)=-2$. Najmniejsza $-3$, największa $1$.

Schemat zadania optymalizacyjnego

  1. wprowadź zmienną i nazwij, co optymalizujesz
  2. zapisz warunek wiążący wielkości (obwód, objętość, długość materiału)
  3. wyeliminuj jedną zmienną i zapisz funkcję celu
  4. ustal dziedzinę wynikającą z sensu zadania
  5. policz pochodną i znajdź punkty krytyczne
  6. sprawdź, czy to maksimum czy minimum
  7. wróć do pytania z treści

Kroki czwarty i siódmy są równie ważne jak rachunek — najwięcej punktów przepada na pominiętej dziedzinie i na odpowiedzi „obok pytania”.

Klasyczne wyniki warte zapamiętania

  • spośród prostokątów o danym obwodzie największe pole ma kwadrat
  • przy ogrodzeniu trzech boków (czwarty to ściana) optymalny prostokąt ma bok równoległy do ściany dwa razy dłuższy
  • puszka walcowa o danej objętości i najmniejszym polu ma wysokość równą średnicy
  • iloczyn dwóch liczb o danej sumie jest największy, gdy liczby są równe

Przykład — pudełko z blachy

Z kwadratu o boku $12$ wycinamy rogi o boku $x$ i zaginamy. Wtedy $V(x)=x(12-2x)^2$ dla $x\in(0,\,6)$. Pochodna $12(x-2)(x-6)$ zeruje się w $x=2$ (drugi pierwiastek odpada — poza dziedziną). Maksymalna objętość to $128$.

Styczna do wykresu

$$y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0)$$

Pochodna w punkcie to współczynnik kierunkowy stycznej — to jej interpretacja geometryczna.

Na co uważać

Dziedzina z sensu zadania potrafi odrzucić pierwiastek, który formalnie wychodzi z rachunku. Sprawdzaj też, czy wynik jest sensowny fizycznie: ujemny bok albo objętość większa od materiału wyjściowego sygnalizują błąd.

Pochodna funkcji złożonej i działania na pochodnych LO · szkoła średnia

Działania na pochodnych

$$(f+g)'=f'+g',\qquad (cf)'=cf'$$

$$(fg)'=f'g+fg' \quad\text{(iloczyn)}$$

Pochodna sumy to suma pochodnych, ale pochodna iloczynu nie jest iloczynem pochodnych — trzeba użyć pełnego wzoru.

Reguła łańcuchowa

$$\bigl[f(g(x))\bigr]'=f'(g(x))\cdot g'(x)$$

Pochodna funkcji zewnętrznej (w punkcie funkcji wewnętrznej) razy pochodna funkcji wewnętrznej. Najczęstszy błąd to pominięcie tego drugiego czynnika.

Typowe przykłady

$$\bigl[(2x+1)^3\bigr]'=3(2x+1)^2\cdot2=6(2x+1)^2$$

$$\bigl[\sin(3x)\bigr]'=\cos(3x)\cdot3=3\cos(3x)$$

$$\bigl[(x^2+1)^5\bigr]'=5(x^2+1)^4\cdot2x=10x(x^2+1)^4$$

Potęga funkcji

$\left(\sin^2 x\right)'=2\sin x\cos x$ — to funkcja złożona ($u^2$ z $u=\sin x$), nie mylić z pochodną iloczynu.

Wybór metody

Dla prostych iloczynów (np. $(x+1)(x-3)$) często szybciej wymnożyć i różniczkować wyraz po wyrazie niż stosować wzór na iloczyn.

Na co uważać

W regule łańcuchowej nie zapomnij o pochodnej „wnętrza". Rozróżniaj $\cos(x^2)$ (funkcja złożona) od $\cos^2 x$ (kwadrat funkcji).

Granice jednostronne (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Granice jednostronne

Definicja

Granica lewostronna $\lim_{x\to x_0^-}$ i prawostronna $\lim_{x\to x_0^+}$ opisują zachowanie funkcji z jednej strony punktu.

Warunek istnienia granicy

Granica (dwustronna) istnieje, gdy obie jednostronne są równe.

Przykład

Dla $f(x)=\frac{1}{x}$ granice jednostronne w $0$ to $-\infty$ i $+\infty$ — różne.

Funkcje ciągłe

Dla funkcji ciągłej granice jednostronne równają się $f(x_0)$.

Granice niewłaściwe (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Granice niewłaściwe

Pojęcie

Granica niewłaściwa to $+\infty$ lub $-\infty$, gdy funkcja rośnie lub maleje nieograniczenie.

Asymptota pionowa

Jeśli $\lim_{x\to x_0} f(x)=\pm\infty$, to prosta $x=x_0$ jest asymptotą pionową.

Przykład

$\lim_{x\to0^+}\frac{1}{x}=+\infty$.

W nieskończoności

Rozważamy też $\lim_{x\to\infty} f(x)$ — asymptoty poziome.

Obliczanie granic funkcji (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Podstawianie

Dla funkcji ciągłej $\lim_{x\to x_0} f(x)=f(x_0)$.

Symbole nieoznaczone

Wyrażenia typu $\frac{0}{0}$ przekształcamy (skracamy, rozkładamy na czynniki).

Przykład

$\lim_{x\to2}\frac{x^2-4}{x-2}=\lim_{x\to2}(x+2)=4$.

W nieskończoności

Dla ilorazów wielomianów decyduje stosunek najwyższych potęg.

Rachunek różniczkowy — zagadnienia uzupełniające (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Pochodna

$f'(x_0)$ to współczynnik kierunkowy stycznej w punkcie.

Podstawowe wzory

$(x^n)'=nx^{n-1}$, pochodna sumy to suma pochodnych.

Monotoniczność

$f'(x)>0$ — funkcja rosnąca, $f'(x)\lt 0$ — malejąca.

Ekstrema

W ekstremum $f'(x_0)=0$ i pochodna zmienia znak.

Zacznij dziś

Zacznij naukę już dziś — to nic nie kosztuje

Załóż bezpłatne konto i otwórz dostęp do pełnego śledzenia postępów, planów nauki i quizów. Arkusze i zadania podstawowe są dostępne bez rejestracji. Już ponad 5 000 uczniów uczy się z Matematix.