22.7 Ciągłość funkcji w zbiorze
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Wyznacz parametr $a$ tak, aby funkcja $$f(x)=\begin{cases} (a-2)x + 5a, & \text{jeśli } x \in (-\infty, 3) \\ a^2x - 1, & \text{jeśli } x \in \langle 3, +\infty) \end{cases}$$ była ciągła w zbiorze $\mathbb{R}$.
Funkcja $f(x)$ jest ciągła dla $a=1$ lub $a=\frac{5}{3}$.
Funkcja $f(x)$ jest określona w zbiorze liczb rzeczywistych. W każdym z przedziałów $(-\infty, 3)$ oraz $\langle 3, +\infty)$ funkcja jest liniowa, a więc ciągła. Jedynym punktem, w którym należy zbadać ciągłość funkcji, jest $x=3$.
Warunkiem ciągłości funkcji w punkcie $x_0=3$ jest równość granicy lewostronnej i wartości funkcji w tym punkcie:\[ \lim_{x \to 3^-} f(x) = f(3) \]Obliczamy granicę lewostronną:\[ \lim_{x \to 3^-} f(x) = \lim_{x \to 3^-} ((a-2)x + 5a) = (a-2) \cdot 3 + 5a = 3a - 6 + 5a = 8a - 6 \]Obliczamy wartość funkcji w punkcie $x=3$:\[ f(3) = a^2 \cdot 3 - 1 = 3a^2 - 1 \]Porównujemy otrzymane wartości:\[ 8a - 6 = 3a^2 - 1 \]Przekształcamy równanie do postaci ogólnej:\[ 3a^2 - 8a + 5 = 0 \]Obliczamy wyróżnik trójmianu kwadratowego:\[ \Delta = (-8)^2 - 4 \cdot 3 \cdot 5 = 64 - 60 = 4 \]\[ \sqrt{\Delta} = 2 \]Obliczamy pierwiastki równania:\[ a_1 = \frac{8 - 2}{6} = \frac{6}{6} = 1 \]\[ a_2 = \frac{8 + 2}{6} = \frac{10}{6} = \frac{5}{3} \]
Zadanie 2 (2 pkt)
Wyznacz parametry $a, b$ tak, aby funkcja f(x) była ciągła w zbiorze R.
$$f(x)=\begin{cases} 2x-5, & \text{jeśli } x \in (-\infty, -2) \\ ax+b, & \text{jeśli } x \in (-2, 4) \\ 5x+1, & \text{jeśli } x \in \langle 4, +\infty) \end{cases}$$
$a = 5, b = 1$
Aby funkcja $f(x)$ była ciągła na całym zbiorze liczb rzeczywistych $R$, musi być ciągła w punktach, w których zmienia się jej definicja, czyli w $x_1 = -2$ oraz $x_2 = 4$.
Funkcja jest ciągła w punkcie $x_0$, jeśli granica lewostronna i prawostronna w tym punkcie są równe.
1. Warunek ciągłości w punkcie $x_1 = -2$.
Granica lewostronna:$$\lim_{x \to -2^-} f(x) = \lim_{x \to -2^-} (2x-5) = 2\cdot(-2) - 5 = -4 - 5 = -9$$Granica prawostronna:$$\lim_{x \to -2^+} f(x) = \lim_{x \to -2^+} (ax+b) = a\cdot(-2) + b = -2a + b$$Aby funkcja była ciągła w $x=-2$, granice muszą być równe:$$-2a + b = -9 \quad (1)$$2. Warunek ciągłości w punkcie $x_2 = 4$.
Granica lewostronna:$$\lim_{x \to 4^-} f(x) = \lim_{x \to 4^-} (ax+b) = a\cdot 4 + b = 4a + b$$Granica prawostronna:$$\lim_{x \to 4^+} f(x) = \lim_{x \to 4^+} (5x+1) = 5\cdot 4 + 1 = 20 + 1 = 21$$Aby funkcja była ciągła w $x=4$, granice muszą być równe:$$4a + b = 21 \quad (2)$$3. Rozwiązanie układu równań.
Otrzymujemy układ równań liniowych:$$\begin{cases} -2a + b = -9 \\ 4a + b = 21 \end{cases}$$Odejmujemy równanie (1) od równania (2):$$(4a + b) - (-2a + b) = 21 - (-9)$$$$4a + b + 2a - b = 30$$$$6a = 30$$$$a = 5$$Podstawiamy $a = 5$ do równania (1):$$-2\cdot(5) + b = -9$$$$-10 + b = -9$$$$b = -9 + 10$$$$b = 1$$Parametry $a=5$ i $b=1$ zapewniają ciągłość funkcji $f(x)$ w zbiorze $R$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Wyznacz $a, b$ tak, aby funkcja $$f(x)=\begin{cases} a, & \text{jeśli } x=-1 \\ \frac{9-x^2}{4-\sqrt{x+13}}, & \text{jeśli } x \in (-1, 3) \\ b, & \text{jeśli } x=3 \end{cases}$$ była ciągła w przedziale $\langle -1, 3 \rangle$.
$a = 8 + 4\sqrt{3}, b = 48$
Funkcja $f(x)$ jest ciągła w przedziale $\langle -1, 3 \rangle$, jeśli jest ciągła wewnątrz przedziału $(-1, 3)$ oraz w punktach granicznych $x=-1$ i $x=3$.
1. Ciągłość wewnątrz przedziału $(-1, 3)$:
W przedziale $(-1, 3)$ funkcja $f(x) = \frac{9-x^2}{4-\sqrt{x+13}}$ jest ilorazem funkcji ciągłych. Wymagamy, aby mianownik był różny od zera i wyrażenie pod pierwiastkiem było nieujemne. Warunki te są spełnione dla $x \in (-1, 3)$.
2. Ciągłość w punkcie $x=-1$ (wyznaczenie $a$):
Funkcja jest ciągła w $x=-1$, jeśli $\lim_{x \to -1^+} f(x) = f(-1)$.
$f(-1) = a$.
Obliczamy granicę prawostronną:$$\lim_{x \to -1^+} f(x) = \lim_{x \to -1^+} \frac{9-x^2}{4-\sqrt{x+13}}$$Podstawiając $x=-1$:
Licznik: $9 - (-1)^2 = 8$.
Mianownik: $4 - \sqrt{-1+13} = 4 - \sqrt{12} = 4 - 2\sqrt{3}$.
Zatem:$$\lim_{x \to -1^+} f(x) = \frac{8}{4 - 2\sqrt{3}} = \frac{4}{2 - \sqrt{3}}$$Usuwamy niewymierność z mianownika:$$\frac{4}{2 - \sqrt{3}} \cdot \frac{2 + \sqrt{3}}{2 + \sqrt{3}} = \frac{4(2 + \sqrt{3})}{4 - 3} = 8 + 4\sqrt{3}$$Aby funkcja była ciągła w $x=-1$, musi zachodzić $a = 8 + 4\sqrt{3}$.
3. Ciągłość w punkcie $x=3$ (wyznaczenie $b$):
Funkcja jest ciągła w $x=3$, jeśli $\lim_{x \to 3^-} f(x) = f(3)$.
$f(3) = b$.
Obliczamy granicę lewostronną:$$\lim_{x \to 3^-} f(x) = \lim_{x \to 3^-} \frac{9-x^2}{4-\sqrt{x+13}}$$Podstawiając $x=3$ otrzymujemy symbol nieoznaczony $\frac{0}{0}$. Stosujemy mnożenie przez sprzężenie mianownika:$$\lim_{x \to 3^-} \frac{9-x^2}{4-\sqrt{x+13}} = \lim_{x \to 3^-} \frac{(9-x^2)(4+\sqrt{x+13})}{(4-\sqrt{x+13})(4+\sqrt{x+13})}$$$$= \lim_{x \to 3^-} \frac{(3-x)(3+x)(4+\sqrt{x+13})}{16 - (x+13)}$$$$= \lim_{x \to 3^-} \frac{(3-x)(3+x)(4+\sqrt{x+13})}{3 - x}$$Skracamy $(3-x)$:$$= \lim_{x \to 3^-} (3+x)(4+\sqrt{x+13})$$Podstawiamy $x=3$:$$= (3+3)(4+\sqrt{3+13}) = 6 \cdot (4+\sqrt{16}) = 6 \cdot (4+4) = 6 \cdot 8 = 48$$Aby funkcja była ciągła w $x=3$, musi zachodzić $b = 48$.
Odpowiedź: $a = 8 + 4\sqrt{3}, b = 48$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Wykaż, korzystając z twierdzenia Darboux, że funkcja $f(x) = x^4 - 3x^3 - 10x^2 + 1$, $x \in \mathbb{R}$, przyjmuje wartość $-50$.
Wartość $-50$ jest przyjmowana w przedziale $(4, 5)$.
Twierdzenie Darboux (o wartości pośredniej) mówi, że jeśli funkcja $f$ jest ciągła na przedziale $[a, b]$, to przyjmuje każdą wartość pośrednią $k$ pomiędzy $f(a)$ a $f(b)$.
1. Sprawdzenie ciągłości:
Funkcja $f(x) = x^4 - 3x^3 - 10x^2 + 1$ jest wielomianem, zatem jest ciągła na całym zbiorze liczb rzeczywistych $\mathbb{R}$.
2. Wybór przedziału i obliczenie wartości:
Szukamy przedziału $[a, b]$, na którego końcach funkcja przyjmuje wartości po przeciwnych stronach liczby $k = -50$.
Obliczamy wartości funkcji dla wybranych punktów:$$f(4) = 4^4 - 3 \cdot 4^3 - 10 \cdot 4^2 + 1 = 256 - 3 \cdot 64 - 10 \cdot 16 + 1 = 257 - 352 = -95$$$$f(5) = 5^4 - 3 \cdot 5^3 - 10 \cdot 5^2 + 1 = 625 - 3 \cdot 125 - 10 \cdot 25 + 1 = 626 - 625 = 1$$3. Weryfikacja warunku:
Wybraliśmy przedział $[4, 5]$. Mamy $f(4) = -95$ oraz $f(5) = 1$. Wartość $k = -50$ leży pomiędzy tymi wartościami, ponieważ:$$-95 < -50 < 1$$4. Wniosek:
Ponieważ funkcja $f$ jest ciągła na przedziale $[4, 5]$ i wartość $-50$ leży pomiędzy $f(4)$ a $f(5)$, na mocy twierdzenia Darboux istnieje co najmniej jeden punkt $c \in (4, 5)$ taki, że $f(c) = -50$. Zatem funkcja przyjmuje wartość $-50$.
Zadanie 5 (3 pkt)
Wykaż, że równanie $4x^6 + 3x^4 + 2 = x^3 + 7x^2 + \sqrt{3x}$ ma rozwiązanie należące do przedziału $(0, 1)$.
Równanie ma rozwiązanie w przedziale $(0, 1)$ na mocy twierdzenia Darboux, ponieważ $f(0) = 2 > 0$ oraz $f(1) = 1 - \sqrt{3} < 0$.
Aby wykazać, że równanie $4x^6 + 3x^4 + 2 = x^3 + 7x^2 + \sqrt{3x}$ ma rozwiązanie w przedziale $(0, 1)$, zastosujemy twierdzenie Darboux (Twierdzenie o wartości pośredniej).
Krok 1: Przekształcenie równania do postaci $f(x) = 0$.
Definiujemy funkcję $f(x)$ jako różnicę lewej i prawej strony równania:$$f(x) = 4x^6 + 3x^4 + 2 - (x^3 + 7x^2 + \sqrt{3x})$$$$f(x) = 4x^6 + 3x^4 - x^3 - 7x^2 - \sqrt{3x} + 2$$Krok 2: Sprawdzenie ciągłości funkcji $f(x)$.
Funkcja $f(x)$ jest sumą i różnicą funkcji potęgowych ($x^n$) oraz funkcji pierwiastkowej ($\sqrt{3x}$). Ponieważ $x \in [0, 1]$, wszystkie składniki są określone i ciągłe w tym przedziale. Zatem funkcja $f(x)$ jest ciągła w przedziale domkniętym $[0, 1]$.
Krok 3: Obliczenie wartości funkcji na krańcach przedziału.
Obliczamy $f(0)$:$$f(0) = 4(0)^6 + 3(0)^4 - (0)^3 - 7(0)^2 - \sqrt{3 \cdot 0} + 2 = 2$$$$f(0) = 2 > 0$$Obliczamy $f(1)$:$$f(1) = 4(1)^6 + 3(1)^4 - (1)^3 - 7(1)^2 - \sqrt{3 \cdot 1} + 2$$$$f(1) = 4 + 3 - 1 - 7 - \sqrt{3} + 2$$$$f(1) = 9 - 8 - \sqrt{3}$$$$f(1) = 1 - \sqrt{3}$$Ponieważ $\sqrt{3} \approx 1.732$, to $f(1) = 1 - \sqrt{3} < 0$.
Krok 4: Zastosowanie twierdzenia Darboux.
Ponieważ funkcja $f(x)$ jest ciągła w przedziale $[0, 1]$ oraz $f(0) > 0$ i $f(1) < 0$, na mocy twierdzenia Darboux istnieje co najmniej jeden pierwiastek $c \in (0, 1)$ taki, że $f(c) = 0$.
To oznacza, że równanie $4x^6 + 3x^4 + 2 = x^3 + 7x^2 + \sqrt{3x}$ ma rozwiązanie należące do przedziału $(0, 1)$.
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Wyznacz parametr $a$ tak, aby funkcja $$f(x)=\begin{cases} 2ax + a^2, & \text{jeśli } x \le -1 \\ (a+1)x + 3, & \text{jeśli } x > -1 \end{cases}$$ była ciągła w zbiorze $\mathbb{R}$.
Funkcja $f(x)$ jest ciągła dla $a=2$ lub $a=-1$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Wyznacz parametry a, b tak, aby funkcja f(x) była ciągła w zbiorze R.
$$f(x)=\begin{cases} -4x+3, & \text{jeśli } x \in (-\infty, 1) \\ ax+b, & \text{jeśli } x \in (1, 6) \\ 2x-10, & \text{jeśli } x \in \langle 6, +\infty) \end{cases}$$
$a = \frac{3}{5}, \quad b = -\frac{8}{5}$
Zadanie 3 (4 pkt)
Wyznacz $a, b$ tak, aby funkcja $$f(x)=\begin{cases} a, & \text{jeśli } x=1 \\ \frac{25-x^2}{6-\sqrt{x+31}}, & \text{jeśli } x \in (1, 5) \\ b, & \text{jeśli } x=5 \end{cases}$$ była ciągła w przedziale $\langle 1, 5 \rangle$.
$a = 36 + 24\sqrt{2}, b = 120$
Zadanie 4 (3 pkt)
Wykaż, korzystając z twierdzenia Darboux, że funkcja $f(x) = 2x^3 + x^2 - 10x + 5$, $x \in \mathbb{R}$, przyjmuje wartość $0$.
Wartość $0$ jest przyjmowana w przedziale $(-3, -2)$.
Zadanie 5 (3 pkt)
Wykaż, że równanie $x^4 + 2x + 3 = 5x^3$ ma rozwiązanie należące do przedziału $(1, 2)$.
Równanie ma rozwiązanie w przedziale $(1, 2)$ na mocy twierdzenia Darboux, ponieważ $f(1) = 1 > 0$ oraz $f(2) = -17 < 0$
