3.7 Monotoniczność funkcji
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1
Wśród poniższych wykresów znajdują się wykresy funkcji malejących. Wskaż je.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
a)
a) funkcja nie jest malejąca
b) funkcja malejąca
c) funkcja nie jest malejąca
d) funkcja nie jest malejąca
e) funkcja malejąca
f) funkcja nie jest malejąca
Wykresy funkcji malejących: b) oraz e).
b) funkcja malejąca
c) funkcja nie jest malejąca
d) funkcja nie jest malejąca
e) funkcja malejąca
f) funkcja nie jest malejąca
Wykresy funkcji malejących: b) oraz e).
Wskazówki:
- Funkcja \(f\) jest malejąca w całej swojej dziedzinie \(D\), jeżeli dla dowolnych dwóch argumentów \(x_1, x_2 \in D\) spełniony jest warunek: \(x_1 < x_2 \implies f(x_1) > f(x_2)\).
- Z geometrycznego punktu widzenia oznacza to, że przy poruszaniu się po osi \(OX\) od lewej do prawej strony wykres funkcji stale pnie się w dół.
- Obecność poziomego fragmentu wykresu wyklucza funkcję malejącą (funkcja jest wtedy co najwyżej nierosnąca).
- W przypadku wykresów składających się z kilku gałęzi lub posiadających asymptoty pionowe należy sprawdzić relację wartości między różnymi gałęziami – funkcja może maleć w poszczególnych przedziałach, lecz nie być malejąca w całej dziedzinie.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Definicja funkcji malejącej i kryterium odczytu z wykresu:
Funkcja \(f\) o dziedzinie \(D\) jest malejąca, gdy dla dowolnych argumentów \(x_1, x_2 \in D\) zachodzi implikacja: $$x_1 < x_2 \implies f(x_1) > f(x_2)$$ Aby wykazać, że funkcja nie jest malejąca, wystarczy wskazać choć jedną parę argumentów spełniającą \(x_1 < x_2\), dla której \(f(x_1) \le f(x_2)\). -
Podpunkt a) Analiza wykresu z przerwą i przeskokiem wartości:
Wykres składa się z dwóch odcinków opadających w prawo. Sprawdzamy jednak relację wartości pomiędzy argumentem z pierwszej gałęzi a argumentem z drugiej gałęzi. Wybierzmy argumenty: $$x_1 = 0 \quad \text{oraz} \quad x_2 = 2$$ Z wykresu odczytujemy: $$\begin{aligned} f(0) &= 1 \\[8pt] f(2) &= 2 \end{aligned}$$ Mamy \(x_1 < x_2\) (ponieważ \(0 < 2\)), ale jednocześnie zachodzi relacja: $$f(0) < f(2)$$ Wartość funkcji wzrosła, co bezpośrednio przeczy definicji funkcji malejącej w całej dziedzinie. Funkcja maleje w przedziałach \((-\infty, 0\rangle\) oraz \((1, \infty)\) z osobna, lecz nie jest malejąca w całej dziedzinie. -
Podpunkt b) Analiza gładkiej krzywej ściśle opadającej:
Wykres przedstawia funkcję określoną i ciągłą w całym zbiorze liczb rzeczywistych \(\mathbb{R}\). Poruszając się od lewej strony ku prawej, linia wykresu w każdym punkcie opada. Dla dowolnej pary argumentów \(x_1 < x_2\) wartość \(f(x_1)\) leży ściśle powyżej wartości \(f(x_2)\). Zatem funkcja z podpunktu b) jest funkcją malejącą. -
Podpunkt c) Analiza wykresu z fragmentem stałym:
Wykres w przedziale argumentów \(\langle -2, 2 \rangle\) ma postać poziomego odcinka leżącego na wysokości \(y = 1\). Wybierając np. argumenty: $$x_1 = -1 \quad \text{oraz} \quad x_2 = 1$$ otrzymujemy: $$f(-1) = 1 = f(1)$$ Mimo że \(-1 < 1\), to wartości funkcji są równe (\(f(x_1) = f(x_2)\)). Funkcja nie spełnia ostrej nierówności \(f(x_1) > f(x_2)\), dlatego jest funkcją nierosnącą, ale nie jest funkcją malejącą. -
Podpunkt d) Analiza wykresu z asymptotą pionową (dwie gałęzie hiperboliczne):
Funkcja jest określona dla \(x \in \mathbb{R} \setminus \{0\}\). Dla wszystkich argumentów ujemnych (\(x < 0\)) wykres leży w całości poniżej osi \(OX\), zatem: $$f(x) < 0 \quad \text{dla} \quad x \in (-\infty, 0)$$ Dla wszystkich argumentów dodatnich (\(x > 0\)) wykres leży powyżej osi \(OX\), zatem: $$f(x) > 0 \quad \text{dla} \quad x \in (0, \infty)$$ Wybierając np. \(x_1 = -2\) oraz \(x_2 = 2\), mamy: $$x_1 < x_2 \quad \text{lecz} \quad f(-2) < 0 < f(2)$$ Funkcja maleje w przedziale \((-\infty, 0)\) oraz maleje w przedziale \((0, \infty)\), ale w całej swojej dziedzinie nie jest funkcją malejącą. -
Podpunkt e) Analiza ciągłej łamanej o ujemnym nachyleniu każdego odcinka:
Wykres składa się z trzech kolejnych odcinków o ujemnych współczynnikach kierunkowych połączonych w sposób ciągły w punktach o odciętych \(x = -1\) oraz \(x = 2\). Na każdym z odcinków funkcja ściśle maleje, a brak jakichkolwiek przeskoków w górę sprawia, że dla dowolnych \(x_1 < x_2\) z całej dziedziny \(\langle -5, 5 \rangle\) zachodzi: $$f(x_1) > f(x_2)$$ Zatem funkcja z podpunktu e) jest funkcją malejącą. -
Podpunkt f) Analiza wykresu ze zmianą kierunku monotoniczności:
Krzywa posiada ekstrema lokalne. W przedziale od \(x = -4\) do lokalnego maksimum w \(x = -1.5\) wykres wyraźnie wznosi się w górę. Dla argumentów \(x_1 = -4\) i \(x_2 = -1.5\) mamy: $$\begin{aligned} f(-4) &= -2 \\[8pt] f(-1.5) &= 2.5 \end{aligned}$$ Ponieważ \(f(-4) < f(-1.5)\), funkcja w tym fragmencie rośnie. Nie jest to funkcja malejąca.
Odpowiedź:
a) funkcja nie jest malejąca
b) funkcja malejąca
c) funkcja nie jest malejąca
d) funkcja nie jest malejąca
e) funkcja malejąca
f) funkcja nie jest malejąca
Wykresami funkcji malejących są wykresy z podpunktów b) oraz e).
a) funkcja nie jest malejąca
b) funkcja malejąca
c) funkcja nie jest malejąca
d) funkcja nie jest malejąca
e) funkcja malejąca
f) funkcja nie jest malejąca
Wykresami funkcji malejących są wykresy z podpunktów b) oraz e).
Zadanie 2
Poniżej przedstawiono wykresy pewnych funkcji. Podaj maksymalne przedziały liczbowe, w których dana funkcja jest rosnąca.
a)
b)
c)
d)
a)
a) \(\langle -2, 2 \rangle\)
b) \((-5, -1\rangle\), \(\langle 2, 5 \rangle\)
c) \(\langle -5, -2 \rangle\), \(\langle 1, 4 \rangle\)
d) \(\langle -3, 0 \rangle\), \(\langle 2, 4 \rangle\)
b) \((-5, -1\rangle\), \(\langle 2, 5 \rangle\)
c) \(\langle -5, -2 \rangle\), \(\langle 1, 4 \rangle\)
d) \(\langle -3, 0 \rangle\), \(\langle 2, 4 \rangle\)
Wskazówki:
- Funkcja jest rosnąca w danym przedziale, gdy przy poruszaniu się wzdłuż osi \(OX\) od lewej do prawej strony wykres funkcji pnie się w górę.
- Przedziały monotoniczności odczytujemy zawsze z osi argumentów \(OX\), a nie z osi wartości \(OY\).
- Punkt graniczny włączamy do przedziału (domykamy nawias), jeśli funkcja jest w nim określona (kółko zamalowane lub punkt ciągłości). Kółko otwarte oznacza przedział otwarty.
- Poszczególnych przedziałów monotoniczności nie łączymy symbolem sumy zbiorów \(\cup\) – wymieniamy je oddzielnie jako osobne przedziały.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Definicja funkcji rosnącej i zasada odczytu z wykresu:
Funkcja \(f\) jest rosnąca w przedziale \(I\), jeżeli dla dowolnych dwóch argumentów \(x_1, x_2 \in I\) spełniony jest warunek: $$x_1 < x_2 \implies f(x_1) < f(x_2)$$ Na wykresie oznacza to fragmenty linii, które wznoszą się od strony lewej do prawej. Odczytujemy odpowiadający im zbiór argumentów na osi \(OX\). -
Podpunkt a) Wyznaczenie maksymalnego przedziału, w którym funkcja jest rosnąca:
Analizujemy kolejne odcinki wykresu od lewej krawędzi dziedziny: Od punktu \((-5, 2)\) do \((-2, -2)\) wykres opada (funkcja jest malejąca). Od punktu \((-2, -2)\) do punktu \((2, 3)\) wykres jednostajnie pnie się w górę. Rzutując ten odcinek na oś \(OX\), otrzymujemy przedział: $$x \in \langle -2, 2 \rangle$$ Od punktu \((2, 3)\) do punktu \((5, -1)\) wykres ponownie opada. Zatem funkcja jest rosnąca w przedziale \(\langle -2, 2 \rangle\). -
Podpunkt b) Wyznaczenie przedziałów monotoniczności z uwzględnieniem punktu nieciągłości:
Analizujemy wykres składający się z dwóch oddzielnych gałęzi: Pierwsza gałąź zaczyna się w otwartym punkcie \((-5, -2)\) i wznosi się aż do domkniętego punktu \((-1, 3)\). Wyznacza to pierwszy przedział rosnący: $$x \in (-5, -1\rangle$$ Dla argumentu \(x = -1\) następuje przeskok wartości do punktu \((-1, 1)\) (kółko otwarte). Od tego miejsca wykres opada do \((2, -1)\), a następnie od punktu \((2, -1)\) pnie się w górę do punktu \((5, 2)\) (kółko zamalowane). Daje to drugi przedział rosnący: $$x \in \langle 2, 5 \rangle$$ Funkcja jest rosnąca w przedziałach: \((-5, -1\rangle\) oraz \(\langle 2, 5 \rangle\). -
Podpunkt c) Wyznaczenie przedziałów monotoniczności krzywej:
Śledzimy przebieg gładkiej krzywej na całym obszarze określoności: Od punktu początkowego \((-5, -3)\) do pierwszego lokalnego maksimum w punkcie \((-2, 0)\) krzywa wznosi się w górę: $$x \in \langle -5, -2 \rangle$$ Od \((-2, 0)\) do \((1, -2)\) funkcja maleje. Od lokalnego minimum w punkcie \((1, -2)\) do drugiego maksimum w punkcie \((4, 4)\) funkcja ponownie pnie się w górę: $$x \in \langle 1, 4 \rangle$$ Od punktu \((4, 4)\) do końca wykresu w \((6, 1)\) funkcja opada. Zatem funkcja jest rosnąca w przedziałach: \(\langle -5, -2 \rangle\) oraz \(\langle 1, 4 \rangle\). -
Podpunkt d) Wyznaczenie przedziałów monotoniczności łamanej wieloodcinkowej:
Weryfikujemy monotoniczność poszczególnych segmentów łamanej: Odcinek 1: od \((-6, 2)\) do \((-3, -3)\) maleje. Odcinek 2: od \((-3, -3)\) do \((0, 2)\) rośnie, co wyznacza przedział argumentów: $$x \in \langle -3, 0 \rangle$$ Odcinek 3: od \((0, 2)\) do \((2, 1)\) maleje. Odcinek 4: od \((2, 1)\) do \((4, 3)\) rośnie, co odpowiada przedziałowi: $$x \in \langle 2, 4 \rangle$$ Odcinek 5: od \((4, 3)\) do \((5, -4)\) maleje. Zatem funkcja jest rosnąca w przedziałach: \(\langle -3, 0 \rangle\) oraz \(\langle 2, 4 \rangle\).
Odpowiedź:
a) \(\langle -2, 2 \rangle\)
b) \((-5, -1\rangle\) oraz \(\langle 2, 5 \rangle\)
c) \(\langle -5, -2 \rangle\) oraz \(\langle 1, 4 \rangle\)
d) \(\langle -3, 0 \rangle\) oraz \(\langle 2, 4 \rangle\)
a) \(\langle -2, 2 \rangle\)
b) \((-5, -1\rangle\) oraz \(\langle 2, 5 \rangle\)
c) \(\langle -5, -2 \rangle\) oraz \(\langle 1, 4 \rangle\)
d) \(\langle -3, 0 \rangle\) oraz \(\langle 2, 4 \rangle\)
Zadanie 3
Wykaż na podstawie definicji, że funkcja:
a) \(f(x) = 5x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
b) \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\)
c) \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
d) \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
a) \(f(x) = 5x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
b) \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\)
c) \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
d) \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
a) Wykazano: funkcja \(f(x) = 5x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
b) Wykazano: funkcja \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\).
c) Wykazano: funkcja \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
d) Wykazano: funkcja \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
b) Wykazano: funkcja \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\).
c) Wykazano: funkcja \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
d) Wykazano: funkcja \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
Wskazówki:
- Funkcja \(f\) jest rosnąca w zbiorze \(D\), gdy dla dowolnych argumentów \(x_1, x_2 \in D\) takich, że \(x_1 < x_2\) (czyli \(x_2 - x_1 > 0\)), zachodzi nierówność \(f(x_1) < f(x_2)\), co jest równoważne warunkowi \(f(x_2) - f(x_1) > 0\).
- Funkcja \(f\) jest malejąca w zbiorze \(D\), gdy dla dowolnych argumentów \(x_1, x_2 \in D\) takich, że \(x_1 < x_2\) (czyli \(x_2 - x_1 > 0\)), zachodzi nierówność \(f(x_1) > f(x_2)\), co jest równoważne warunkowi \(f(x_2) - f(x_1) < 0\).
- Funkcja \(f\) jest stała w zbiorze \(D\), gdy dla dowolnych argumentów \(x_1, x_2 \in D\) zachodzi równość \(f(x_1) = f(x_2)\), co oznacza \(f(x_2) - f(x_1) = 0\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = 5x\):
Wybieramy dowolne liczby rzeczywiste \(x_1, x_2 \in \mathbb{R}\) spełniające warunek: $$x_1 < x_2 \iff x_2 - x_1 > 0$$ Badamy znak różnicy wartości funkcji dla tych argumentów: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= 5x_2 - 5x_1 \\[8pt] &= 5(x_2 - x_1) \end{aligned} $$ Liczba \(5\) jest dodatnia, a z założenia \(x_2 - x_1 > 0\). Iloczyn dwóch liczb dodatnich jest liczbą dodatnią: $$5(x_2 - x_1) > 0 \implies f(x_2) - f(x_1) > 0 \implies f(x_1) < f(x_2)$$ Zatem z definicji funkcja \(f(x) = 5x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\). -
Podpunkt b) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\):
Wybieramy dowolne liczby rzeczywiste \(x_1, x_2 \in \mathbb{R}\). Funkcja ta każdemu argumentowi przyporządkowuje tę samą wartość liczbową. Obliczamy różnicę wartości funkcji: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (3 - \sqrt{7}) - (3 - \sqrt{7}) \\[8pt] &= 0 \end{aligned} $$ Ponieważ \(f(x_2) - f(x_1) = 0\), otrzymujemy \(f(x_1) = f(x_2)\) dla każdych dwóch argumentów ze zbioru liczb rzeczywistych. Oznacza to, że funkcja \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\). -
Podpunkt c) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = 7 - 4x\):
Wybieramy dowolne liczby rzeczywiste \(x_1, x_2 \in \mathbb{R}\) spełniające warunek: $$x_1 < x_2 \iff x_2 - x_1 > 0$$ Badamy znak różnicy wartości funkcji: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (7 - 4x_2) - (7 - 4x_1) \\[8pt] &= 7 - 4x_2 - 7 + 4x_1 \\[8pt] &= -4x_2 + 4x_1 \\[8pt] &= -4(x_2 - x_1) \end{aligned} $$ Ponieważ czynnik \(-4\) jest ujemny, a z założenia \(x_2 - x_1 > 0\), iloczyn liczby ujemnej i dodatniej jest ujemny: $$-4(x_2 - x_1) < 0 \implies f(x_2) - f(x_1) < 0 \implies f(x_1) > f(x_2)$$ Dla dowolnych \(x_1 < x_2\) zachodzi \(f(x_1) > f(x_2)\), co dowodzi, że funkcja \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\). -
Podpunkt d) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\):
Wybieramy dowolne liczby rzeczywiste \(x_1, x_2 \in \mathbb{R}\) spełniające warunek: $$x_1 < x_2 \iff x_2 - x_1 > 0$$ Badamy znak różnicy wartości funkcji: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (2 + \sqrt{3}x_2) - (2 + \sqrt{3}x_1) \\[8pt] &= 2 + \sqrt{3}x_2 - 2 - \sqrt{3}x_1 \\[8pt] &= \sqrt{3}(x_2 - x_1) \end{aligned} $$ Czynnik \(\sqrt{3}\) jest dodatni, a różnica \(x_2 - x_1 > 0\). Zatem ich iloczyn jest dodatni: $$\sqrt{3}(x_2 - x_1) > 0 \implies f(x_2) - f(x_1) > 0 \implies f(x_1) < f(x_2)$$ Wykazaliśmy, że dla dowolnych \(x_1 < x_2\) zachodzi \(f(x_1) < f(x_2)\), co oznacza, że funkcja \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
Odpowiedź:
a) Wykazano: funkcja \(f(x) = 5x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
b) Wykazano: funkcja \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\).
c) Wykazano: funkcja \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
d) Wykazano: funkcja \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
a) Wykazano: funkcja \(f(x) = 5x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
b) Wykazano: funkcja \(f(x) = 3 - \sqrt{7}\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\).
c) Wykazano: funkcja \(f(x) = 7 - 4x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
d) Wykazano: funkcja \(f(x) = 2 + \sqrt{3}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
Zadanie 4
Wykaż na podstawie definicji, że funkcja:
a) \(f(x) = 2x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
b) \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
c) \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
d) \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) \(f(x) = 2x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
b) \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
c) \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
d) \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
b) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
c) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
d) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
b) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
c) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
d) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
Wskazówki:
- Aby wykazać monotoniczność funkcji w danym przedziale z definicji, wybieramy dwa dowolne argumenty \(x_1, x_2\) należące do tego przedziału takie, że \(x_1 < x_2\) (czyli \(x_2 - x_1 > 0\)), a następnie badamy znak różnicy wartości funkcji \(f(x_2) - f(x_1)\).
- Funkcja jest rosnąca, gdy \(f(x_2) - f(x_1) > 0\), a malejąca, gdy \(f(x_2) - f(x_1) < 0\).
- Do zbadania znaku różnicy wartości funkcji warto zastosować wzór skróconego mnożenia na różnicę kwadratów: \(x_2^2 - x_1^2 = (x_2 - x_1)(x_2 + x_1)\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Wykazanie, że funkcja \(f(x) = 2x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\):
Wybieramy dowolne argumenty \(x_1, x_2 \in \langle 0, +\infty)\) takie, że \(x_1 < x_2\). Z tego założenia bezpośrednio wynika, że: $$x_2 - x_1 > 0$$ Ponieważ \(x_1 \ge 0\) oraz \(x_2 > 0\) (gdyż \(x_2 > x_1 \ge 0\)), suma tych argumentów jest ściśle dodatnia: $$x_2 + x_1 > 0$$ Badamy znak różnicy wartości funkcji \(f(x_2) - f(x_1)\): $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= 2x_2^2 - 2x_1^2 \\[8pt] &= 2(x_2^2 - x_1^2) \\[8pt] &= 2(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) \end{aligned} $$ Każdy z czynników w iloczynie jest dodatni (\(2 > 0\), \(x_2 - x_1 > 0\) oraz \(x_2 + x_1 > 0\)), zatem: $$f(x_2) - f(x_1) > 0 \iff f(x_2) > f(x_1)$$ Zgodnie z definicją funkcja \(f\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\). -
Podpunkt b) Wykazanie, że funkcja \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\):
Niech \(x_1, x_2 \in \langle 0, +\infty)\) będą dowolnymi argumentami spełniającymi warunek \(x_1 < x_2\). Wówczas mamy: $$x_2 - x_1 > 0 \quad \text{oraz} \quad x_2 + x_1 > 0$$ Wyznaczamy różnicę wartości funkcji \(f(x_2) - f(x_1)\): $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (5 - x_2^2) - (5 - x_1^2) \\[8pt] &= 5 - x_2^2 - 5 + x_1^2 \\[8pt] &= -(x_2^2 - x_1^2) \\[8pt] &= -(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) \end{aligned} $$ Ponieważ czynniki \((x_2 - x_1)\) oraz \((x_2 + x_1)\) są dodatnie, cały iloczyn poprzedzony znakiem minus jest ujemny: $$f(x_2) - f(x_1) < 0 \iff f(x_2) < f(x_1)$$ Co dowodzi, że funkcja \(f\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\). -
Podpunkt c) Wykazanie, że funkcja \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\):
Wybieramy dowolne liczby \(x_1, x_2 \in (-\infty, 0\rangle\) spełniające warunek \(x_1 < x_2\). Wtedy: $$x_2 - x_1 > 0$$ Ponieważ oba argumenty należą do przedziału liczb niedodatnich oraz \(x_1 < x_2 \le 0\), to w szczególności \(x_1 < 0\), stąd ich suma jest ściśle ujemna: $$x_2 + x_1 < 0$$ Obliczamy różnicę wartości funkcji \(f(x_2) - f(x_1)\): $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (2 - 3x_2^2) - (2 - 3x_1^2) \\[8pt] &= 2 - 3x_2^2 - 2 + 3x_1^2 \\[8pt] &= -3(x_2^2 - x_1^2) \\[8pt] &= -3(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) \end{aligned} $$ Iloczyn liczby ujemnej \(-3\), liczby dodatniej \((x_2 - x_1)\) oraz liczby ujemnej \((x_2 + x_1)\) jest liczbą dodatnią: $$f(x_2) - f(x_1) > 0 \iff f(x_2) > f(x_1)$$ Zatem z definicji funkcja \(f\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\). -
Podpunkt d) Wykazanie, że funkcja \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\):
Niech \(x_1, x_2 \in (-\infty, 0\rangle\) będą dowolnymi argumentami takimi, że \(x_1 < x_2\). Otrzymujemy: $$x_2 - x_1 > 0 \quad \text{oraz} \quad x_2 + x_1 < 0$$ Badamy znak różnicy wartości funkcji \(f(x_2) - f(x_1)\): $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (4x_2^2 + 1) - (4x_1^2 + 1) \\[8pt] &= 4x_2^2 + 1 - 4x_1^2 - 1 \\[8pt] &= 4(x_2^2 - x_1^2) \\[8pt] &= 4(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) \end{aligned} $$ Iloczyn liczby dodatniej \(4\), liczby dodatniej \((x_2 - x_1)\) oraz liczby ujemnej \((x_2 + x_1)\) daje wartość ujemną: $$f(x_2) - f(x_1) < 0 \iff f(x_2) < f(x_1)$$ Zgodnie z definicją funkcja \(f\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
Odpowiedź:
a) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
b) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
c) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
d) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
a) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
b) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 5 - x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\).
c) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 2 - 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
d) Wykazano na podstawie definicji, że funkcja \(f(x) = 4x^2 + 1\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
Zadanie 5
Zbadaj monotoniczność funkcji:
a) \(f(x) = x^2 - 4x + 4\) w przedziale \(\langle 2, +\infty)\)
b) \(f(x) = \dfrac{3 - x}{2x}\) w przedziale \((0, +\infty)\)
c) \(f(x) = \sqrt{6 - 3x}\) w przedziale \((-\infty, 2\rangle\)
d) \(f(x) = |3x|\) w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) \(f(x) = x^2 - 4x + 4\) w przedziale \(\langle 2, +\infty)\)
b) \(f(x) = \dfrac{3 - x}{2x}\) w przedziale \((0, +\infty)\)
c) \(f(x) = \sqrt{6 - 3x}\) w przedziale \((-\infty, 2\rangle\)
d) \(f(x) = |3x|\) w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) Funkcja jest rosnąca w przedziale \(\langle 2, +\infty)\).
b) Funkcja jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\).
c) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 2\rangle\).
d) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
b) Funkcja jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\).
c) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 2\rangle\).
d) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
Wskazówki:
- Aby zbadać monotoniczność funkcji \(f\) w zadanym przedziale z definicji, wybieramy dwa dowolne argumenty \(x_1, x_2\) z tego przedziału takie, że \(x_1 < x_2\) (czyli \(x_2 - x_1 > 0\)), a następnie badamy znak różnicy wartości \(f(x_2) - f(x_1)\).
- Jeśli \(f(x_2) - f(x_1) > 0\), funkcja jest rosnąca. Jeśli \(f(x_2) - f(x_1) < 0\), funkcja jest malejąca.
- Przy badaniu funkcji z pierwiastkiem warto wykorzystać mnożenie przez sprzężenie sumy pierwiastków lub równoważne przekształcenia nierówności, natomiast przy wartości bezwzględnej korzystamy z jej definicji dla argumentów niedodatnich.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = x^2 - 4x + 4\) w przedziale \(\langle 2, +\infty)\):
Wybieramy dowolne argumenty \(x_1, x_2 \in \langle 2, +\infty)\) takie, że \(x_1 < x_2\). Z tego założenia mamy: $$x_2 - x_1 > 0 \quad \text{oraz} \quad x_1 \ge 2, \; x_2 > 2$$ Tworzymy różnicę wartości funkcji \(f(x_2) - f(x_1)\) i rozkładamy ją na czynniki: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (x_2^2 - 4x_2 + 4) - (x_1^2 - 4x_1 + 4) \\[8pt] &= x_2^2 - x_1^2 - 4x_2 + 4x_1 \\[8pt] &= (x_2 - x_1)(x_2 + x_1) - 4(x_2 - x_1) \\[8pt] &= (x_2 - x_1)(x_1 + x_2 - 4) \end{aligned} $$ Analizujemy znaki poszczególnych czynników:
• Czynnik \((x_2 - x_1) > 0\), ponieważ przyjęliśmy \(x_1 < x_2\).
• Skoro \(x_1 \ge 2\) oraz \(x_2 > 2\), to ich suma spełnia warunek \(x_1 + x_2 > 4\), a zatem \((x_1 + x_2 - 4) > 0\).
Iloczyn dwóch liczb dodatnich jest dodatni: $$f(x_2) - f(x_1) > 0 \implies f(x_2) > f(x_1)$$ Zatem funkcja \(f(x)\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 2, +\infty)\). -
Podpunkt b) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = \dfrac{3 - x}{2x}\) w przedziale \((0, +\infty)\):
Wybieramy dowolne argumenty \(x_1, x_2 \in (0, +\infty)\) takie, że \(x_1 < x_2\). Wówczas: $$x_2 - x_1 > 0 \quad \text{oraz} \quad x_1 > 0, \; x_2 > 0$$ Tworzymy różnicę wartości i sprowadzamy wyrażenie do wspólnego mianownika: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= \dfrac{3 - x_2}{2x_2} - \dfrac{3 - x_1}{2x_1} \\[8pt] &= \dfrac{x_1(3 - x_2) - x_2(3 - x_1)}{2x_1 x_2} \\[8pt] &= \dfrac{3x_1 - x_1 x_2 - 3x_2 + x_1 x_2}{2x_1 x_2} \\[8pt] &= \dfrac{3(x_1 - x_2)}{2x_1 x_2} \\[8pt] &= -\dfrac{3(x_2 - x_1)}{2x_1 x_2} \end{aligned} $$ Określamy znak ilorazu:
• Licznik: Ponieważ \(x_2 - x_1 > 0\), to \(-3(x_2 - x_1) < 0\).
• Mianownik: Ponieważ \(x_1 > 0\) i \(x_2 > 0\), to \(2x_1 x_2 > 0\).
Iloraz liczby ujemnej i dodatniej jest ujemny: $$f(x_2) - f(x_1) < 0 \implies f(x_2) < f(x_1)$$ Zatem funkcja \(f(x)\) jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\). -
Podpunkt c) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = \sqrt{6 - 3x}\) w przedziale \((-\infty, 2\rangle\):
Sposób I – Wyznaczenie znaku różnicy wartości:
Niech \(x_1, x_2 \in (-\infty, 2\rangle\) będą dowolnymi liczbami takimi, że \(x_1 < x_2\). Badamy różnicę wartości i mnożymy licznik oraz mianownik przez sprzężenie sumy pierwiastków: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= \sqrt{6 - 3x_2} - \sqrt{6 - 3x_1} \\[8pt] &= \dfrac{(\sqrt{6 - 3x_2} - \sqrt{6 - 3x_1})(\sqrt{6 - 3x_2} + \sqrt{6 - 3x_1})}{\sqrt{6 - 3x_2} + \sqrt{6 - 3x_1}} \\[8pt] &= \dfrac{(6 - 3x_2) - (6 - 3x_1)}{\sqrt{6 - 3x_2} + \sqrt{6 - 3x_1}} \\[8pt] &= \dfrac{-3(x_2 - x_1)}{\sqrt{6 - 3x_2} + \sqrt{6 - 3x_1}} \end{aligned} $$ Licznik jest ujemny, ponieważ \(x_2 - x_1 > 0\). Mianownik jest dodatni jako suma nieujemnych pierwiastków arytmetycznych (dla \(x_1 < x_2 \le 2\) przynajmniej \(6 - 3x_1 > 0\)). Cały ułamek jest więc ujemny: $$f(x_2) - f(x_1) < 0 \implies f(x_2) < f(x_1)$$
Sposób II – Przekształcanie nierówności:
Wychodzimy z założenia \(x_1 < x_2 \le 2\) i stosujemy elementarne własności nierówności: $$ \begin{aligned} x_1 &< x_2 \\[8pt] -3x_1 &> -3x_2 \\[8pt] 6 - 3x_1 &> 6 - 3x_2 \ge 0 \\[8pt] \sqrt{6 - 3x_1} &> \sqrt{6 - 3x_2} \\[8pt] f(x_1) &> f(x_2) \end{aligned} $$ Dla \(x_1 < x_2\) otrzymaliśmy \(f(x_1) > f(x_2)\), co dowodzi, że funkcja \(f(x)\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 2\rangle\). -
Podpunkt d) Badamy monotoniczność funkcji \(f(x) = |3x|\) w przedziale \((-\infty, 0\rangle\):
Dla każdego \(x \in (-\infty, 0\rangle\) zachodzi nierówność \(x \le 0\), więc również \(3x \le 0\). Z definicji modułu liczby niedodatniej (\(|a| = -a\) dla \(a \le 0\)) wzór funkcji upraszcza się do postaci: $$f(x) = -3x$$ Niech \(x_1, x_2 \in (-\infty, 0\rangle\) spełniają warunek \(x_1 < x_2\), czyli \(x_2 - x_1 > 0\). Badamy różnicę wartości: $$ \begin{aligned} f(x_2) - f(x_1) &= (-3x_2) - (-3x_1) \\[8pt] &= -3x_2 + 3x_1 \\[8pt] &= -3(x_2 - x_1) \end{aligned} $$ Ponieważ \(x_2 - x_1 > 0\), to \(-3(x_2 - x_1) < 0\), skąd: $$f(x_2) - f(x_1) < 0 \implies f(x_2) < f(x_1)$$ Zatem funkcja \(f(x)\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
Odpowiedź:
a) Funkcja jest rosnąca w przedziale \(\langle 2, +\infty)\).
b) Funkcja jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\).
c) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 2\rangle\).
d) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
a) Funkcja jest rosnąca w przedziale \(\langle 2, +\infty)\).
b) Funkcja jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\).
c) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 2\rangle\).
d) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
Grupa B
Zadanie 1
Wśród poniższych wykresów znajdują się wykresy funkcji malejących. Wskaż je.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
a)
a) funkcja malejąca
b) funkcja nie jest malejąca
c) funkcja nie jest malejąca
d) funkcja malejąca
e) funkcja nie jest malejąca
f) funkcja nie jest malejąca
Wykresy funkcji malejących: a) oraz d).
b) funkcja nie jest malejąca
c) funkcja nie jest malejąca
d) funkcja malejąca
e) funkcja nie jest malejąca
f) funkcja nie jest malejąca
Wykresy funkcji malejących: a) oraz d).
Zadanie 2
Poniżej przedstawiono wykresy pewnych funkcji. Podaj maksymalne przedziały liczbowe, w których dana funkcja jest rosnąca.
a)
b)
c)
d)
a)
a) \(\langle -1, 3 \rangle\)
b) \((-6, -2\rangle\), \(\langle 1, 4 \rangle\)
c) \(\langle -5, -2 \rangle\), \(\langle 0, 3 \rangle\)
d) \(\langle -3, -1 \rangle\), \(\langle 1, 3 \rangle\)
b) \((-6, -2\rangle\), \(\langle 1, 4 \rangle\)
c) \(\langle -5, -2 \rangle\), \(\langle 0, 3 \rangle\)
d) \(\langle -3, -1 \rangle\), \(\langle 1, 3 \rangle\)
Zadanie 3
Wykaż na podstawie definicji, że funkcja:
a) \(f(x) = 4x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
b) \(f(x) = \sqrt{3} - 2\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\)
c) \(f(x) = 5 - 3x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
d) \(f(x) = -3 + \sqrt{5}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
a) \(f(x) = 4x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
b) \(f(x) = \sqrt{3} - 2\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\)
c) \(f(x) = 5 - 3x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
d) \(f(x) = -3 + \sqrt{5}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\)
a) Wykazano: funkcja \(f(x) = 4x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
b) Wykazano: funkcja \(f(x) = \sqrt{3} - 2\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\).
c) Wykazano: funkcja \(f(x) = 5 - 3x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
d) Wykazano: funkcja \(f(x) = -3 + \sqrt{5}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
b) Wykazano: funkcja \(f(x) = \sqrt{3} - 2\) jest stała w zbiorze \(\mathbb{R}\).
c) Wykazano: funkcja \(f(x) = 5 - 3x\) jest malejąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
d) Wykazano: funkcja \(f(x) = -3 + \sqrt{5}x\) jest rosnąca w zbiorze \(\mathbb{R}\).
Zadanie 4
Wykaż na podstawie definicji, że funkcja:
a) \(f(x) = 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
b) \(f(x) = 6 - 2x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
c) \(f(x) = 1 - 4x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
d) \(f(x) = 0{,}5x^2 + 3\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) \(f(x) = 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
b) \(f(x) = 6 - 2x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\)
c) \(f(x) = 1 - 4x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
d) \(f(x) = 0{,}5x^2 + 3\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 3x^2\) jest rosnąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = 3(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) > 0\).
b) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 6 - 2x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = -2(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) < 0\).
c) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 1 - 4x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = -4(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) > 0\).
d) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 0{,}5x^2 + 3\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = 0{,}5(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) < 0\).
b) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 6 - 2x^2\) jest malejąca w przedziale \(\langle 0, +\infty)\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = -2(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) < 0\).
c) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 1 - 4x^2\) jest rosnąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = -4(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) > 0\).
d) Wykazano z definicji, że funkcja \(f(x) = 0{,}5x^2 + 3\) jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\), ponieważ dla dowolnych \(x_1 < x_2\) różnica \(f(x_2) - f(x_1) = 0{,}5(x_2 - x_1)(x_2 + x_1) < 0\).
Zadanie 5
Zbadaj monotoniczność funkcji:
a) \(f(x) = x^2 + 4x + 4\) w przedziale \(\langle -2, +\infty)\)
b) \(f(x) = \dfrac{4 - x}{5x}\) w przedziale \((0, +\infty)\)
c) \(f(x) = \sqrt{10 - 2x}\) w przedziale \((-\infty, 5\rangle\)
d) \(f(x) = |5x|\) w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) \(f(x) = x^2 + 4x + 4\) w przedziale \(\langle -2, +\infty)\)
b) \(f(x) = \dfrac{4 - x}{5x}\) w przedziale \((0, +\infty)\)
c) \(f(x) = \sqrt{10 - 2x}\) w przedziale \((-\infty, 5\rangle\)
d) \(f(x) = |5x|\) w przedziale \((-\infty, 0\rangle\)
a) Funkcja jest rosnąca w przedziale \(\langle -2, +\infty)\).
b) Funkcja jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\).
c) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 5\rangle\).
d) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
b) Funkcja jest malejąca w przedziale \((0, +\infty)\).
c) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 5\rangle\).
d) Funkcja jest malejąca w przedziale \((-\infty, 0\rangle\).
