График функции сжатие и растяжение

В чистом виде основные элементарные функции встречаются, к сожалению, не так часто. Гораздо чаще приходится иметь дело с элементарными функциями, полученными из основных элементарных при помощи добавления констант и коэффициентов. Графики таких функций можно строить, применяя геометрические преобразования к графикам соответствующих основных элементарных функций (или переходить к новой системе координат).

С помощью геометрических преобразований графика функции f(x) может быть построен график любой функции вида ( pm {k_1} cdot f( pm {k_2} cdot (x + a)) + b,) где ({k_1},{k_2} > 0) — коэффициенты сжатия или растяжения (в зависимости от их значений) вдоль осей oy и ox соответственно. Знаки «минус» перед коэффициентами указывают на симметричное отображение графика относительно координатных осей, а и b определяют сдвиг относительно осей абсцисс и ординат соответственно.

Таким образом, различают три вида геометрических преобразований графика функции:

1. Первый вид — масштабирование (сжатие или растяжение) вдоль осей абсцисс и ординат.

На необходимость масштабирования указывают коэффициенты k1 и k2, отличные от единицы, если (0 < {k_1} < 1,0 < {k_2} < 1) , то происходит сжатие графика относительно oy и растяжение относительно ox , если ({k_1},{k_2} > 1) , то производим растяжение вдоль оси ординат и сжатие вдоль оси абсцисс.

2. Второй вид — симметричное (зеркальное) отображение относительно координатных осей.

На необходимость этого преобразования указывают знаки «минус» перед коэффициентами k1 (в этом случае симметрично отображаем график относительно оси ox ) и k2 (в этом случае симметрично отображаем график относительно оси oy). Если знаков «минус» нет, то этот шаг пропускается.

3. Третий вид — параллельный перенос (сдвиг) вдоль осей ox и oy.

Это преобразование производится в последнюю очередь при наличии коэффициентов a и b, отличных от нуля. При положительном а график сдвигается влево на |а| единиц, при отрицательных а — вправо на |а| единиц. При положительном b график функции параллельно переносим вверх на |b| единиц, при отрицательном b — вниз на |b| единиц.

Рассмотрим примеры

Пример1

Построить графики функции (y = {x^2} — 10) и (y = {x^2} + 10) в одной координатной плоскости.

Построим для начала график функции (y = {x^2}) , это парабола с вершиной в точке (0;0) и ветвями вверх.

Для построения искомого графика функции (y = {x^2} — 10) необходимо параболу параллельно перенести в отрицательном направлении по У, т.е. вниз. Для построения искомого графика функции (y = {x^2} + 10) необходимо параболу параллельно перенести в положительном направлении по У, т.е. вверх.

Пример2

Построить графики функций (y = {left( {x + 2} right)^2}) и (y = {left( {x — 2} right)^2}) .

За основу возьмем тот же график параболы, но параллельный перенос будем осуществлять вдоль оси Ох. По правилу переноса график сдвинется влево на 2 единицы для функции (y = {left( {x + 2} right)^2}) . А для функции (y = {left( {x — 2} right)^2}) сдвиг произойдет вправо.

Пример3

Построить график функции (y = — {x^2}) .

За основу возьмем тот же график параболы. Производимое изменение графика носит название -отображение. Картинка получится симметричной исходной параболе, симметрия относительно Ох.

Пример4

Построить графики функций (y = left( {3{x^2}} right)) и (y = left( {frac{1}{3}{x^2}} right)) .

Для построения этих графиков произведем сжатие графика (y = {x^2}) для первой функции и растяжение – для второй.

Ìàñøòàáèðîâàíèå — îïåðàöèÿ ñæàòèÿ èëè ðàñòÿæåíèÿ ãðàôèêà ôóíêöèè âäîëü îñåé àáñöèññ è îðäèíàò.

Òî, ÷òî òðåáóåòñÿ âûïîëíèòü ìàñøòàáèðîâàíèå, ïîêàçûâàþò êîýôôèöèåíòû k1 è k2 â óðàâíåíèè y = ± k1 f (± k2 (x + a))+b. Îíè äîëæíû áûòü íå ðàâíû åäèíèöå.

Êîãäà 0 < k1,2 <1, ñîâåðøàåì ñæàòèå ãðàôèêà îòíîñèòåëüíî y è ðàñòÿæåíèå îòíîñèòåëüíî x , êîãäà k1,2>1, âûïîëíÿåì ðàñòÿæåíèå âäîëü îñè îðäèíàò è ñæàòèå âäîëü îñè àáñöèññ.

Êîãäà ôóíêöèÿ ïðèíèìàåò âèä y = f (k2x) ,òî åñëè k2 >1 – ïðîèçâîäèì ñæàòèå ãðàôèêà ê îñè îðäèíàò (y) â k ðàç, à åñëè 0 < k2<1 — ðàñòÿæåíèå ãðàôèêà îò îñè îðäèíàò â 1/k.

Êîãäà ôóíêöèÿ ïðèíèìàåò âèä y = k1 f (x) , òî åñëè k1 >1 — îñóùåñòâëÿåì ðàñòÿæåíèå ãðàôèêà îò îñè àáñöèññ (0x) â k ðàç, à åñëè 0 < k1<1 — ñæàòèå ãðàôèêà ê îñè àáñöèññ â 1/k.

План урока:

Понятие функции

Растяжение и сжатие графиков функций

Параллельный перенос графиков функций

Гипербола и обратная пропорциональность

Дробно-линейная функция

Понятие функции

Понятие функции в школьной программе впервые встречается в 7 классе, поэтому настоятельно рекомендуем перечитать посвященный этой теме урок. Напомним, что функцией (в учебной литературе может использоваться сокращение ф-ция) называется соответствие между элементами двух множеств или, другими словами, зависимость между двумя величинами. Чаще всего в алгебре рассматриваются числовые ф-ции, которые заданы аналитически, то есть формулой. В качестве примера можно привести запись

у = 5х + 7

Здесь х – это независимая переменная, или аргумент, а у – зависимая величина, или просто функция. Принципиально важно, что каждому значению аргумента соответствует только одно значение зависимой величины. Часто в математике используют запись

y = f (x)

Она читается как «игрек равен эф от икс» и означает, что величина у как-то зависит от х. По сути, она равноценна записи

у = у (х)

Если в скобках стоит конкретное число, то запись означает значение ф-ции при этом значении аргумента.

Так, если

у(x) = 4×2

то

у (5) = 4•52 = 100

у (10) = 4•102 = 400

У каждой ф-ции есть область допустимых значений (используется сокращение ОДЗ), или область определения функции. Это те значения аргумента, при которых ф-ция определена. Здесь возможны два случая. В первом область определения указывается прямо. Например, если рассматривается функция у = х4 при значениях х от 1 до 3, то и областью определения будет всё множество чисел от 1 до 3. Для обозначения области определения используется запись D(y) или D(f). При изучении неравенств мы уже познакомились с такими объектами, как числовые промежутки. Именно с их помощью указывают ОДЗ.

Пример. Постройте график функции у = х, если D(y) = [– 3; 4].

Решение. Ф-ция у = х – это линейная функция, мы уже умеем строить их графики (они представляют собой прямую линию). Выглядеть он будет так:

Однако в условии также есть запись D (y) = [– 3; 4], которая означает, что ф-ция определена только при х от – 3 до 4. С учетом этого условия график несколько преобразится:

Грубо говоря, часть графика, которая не входит в область определения, просто «отрезана».

Значительно чаще область определения явно не указывается. В этом случае предполагается, что ф-ция определена во всех точках числовой прямой, в которых ее вообще возможно вычислить. Например, ф-цию у = 9х3 – 47 можно вычислить при любом значении х, поэтому ее область определения – вся числовая прямая, то есть D(y) = (– ∞; + ∞).

А когда же вычислить функцию невозможно? К этому уроку нам известны две таких ситуации:

• когда в операции деления делителем является ноль, либо ноль является основанием степени с отрицательным показателем;
• когда под знаком корня находится отрицательное выражение.

Например, вычислить ф-цию у = 5/х при х = 0 невозможно, поэтому ее область определения – вся числовая прямая, кроме нуля, то есть

D(y) = (– ∞; 0)⋃(0; + ∞)

Функция 

имеет область определения D(y) = [5; + ∞), так как при х< 5 подкоренное выражение становится отрицательным.

Также выделяют такое понятие, как область значений функции. Это множество всех значений, которые может принимать ф-ция. Проще всего проиллюстрировать это понятие на графике произвольной ф-ции:

Для обозначения области значений используется запись Е(у) или Е(f). Так, у ф-ции у = х2 при D(y) = [– 2; 2] областью значений будет промежуток [0; 4], то есть Е(у) = [0; 4]. Это видно из графика функции:

Ещё раз напомним, что область определения и область значения функции указываются с помощью числовых промежутков.

Теперь перейдем к тем понятиям, которые не изучались ранее. Первое из них – это нули функции. Так называют те значения аргумента, при которых функция обращается в ноль.

Так, у ф-ции

у = х2 – 9х + 20

есть два нуля, х = 4 и х = 5. Убедиться в этом можно подстановкой:

у(4) = 42 – 9•4 + 20 = 0

у (5) = 52 – 9•5 + 20 = 0

Для нахождения нулей ф-ции у = f(x) надо просто решить уравнение

f(x) = 0

Например, чтобы найти нули приведенной выше функции

у = х2 – 9х + 20

надо решить уравнение

х2 – 9х + 20 = 0

Сделаем это, ведь мы уже умеем решать квадратные уравнения:

D = (– 9)2 – 4•1•20 = 1

На графике нули ф-ции – это те точки, в которых график пересекает ось Ох:

Ещё одно новое понятие – промежутки знакопостоянства. Так называют промежутки числовой прямой, на которых ф-ция либо только положительна, либо только отрицательна. Для наглядности покажем их на графике:

Пусть есть ф-ция у = f(x). Для нахождения промежутков знакопостоянства необходимо решить неравенства f(x)>0 и у = f(x)< 0.

Пример. Найдите промежутки знакопостоянства функции у = 3х – 36

Решение. Решим неравенство 3х – 36 > 0:

3х> 0

3х >36

х > 12

Получаем, что функция положительна на промежутке (12; + ∞).

Аналогично решив неравенство 3х – 36 < 0, получим, что ф-ция отрицательна на промежутке (– ∞; 12).

Пример. Дана функция у = х2 – 5х. Найдите такое значение величины а, для которого выполняется условие у(а) = у(а + 2).

Решение. Очевидно, что у(а) = а2 – 5а. Теперь вычислим у(а + 2):

у(а + 2) = (а + 2)2 – 5(а + 2) = а2 + 4а + 4 – 5а – 10 = а2 – а – 6.

Теперь приравняем значения у(а) и у(а + 2):

а2 – 5а = а2 – а – 6

а2 – 5а – а2 + а = – 6

– 4а = – 6

а = 1,5

Убедимся, что мы нашли требуемое значение а:

у(1,5) = 1,52 – 5•1,5 = 2,25 – 7,5 = – 5,25

у(1,5 + 2) = у(3,5) = 3,52 – 5•3,5 = 12,25 – 17,5 = – 5,25

Ответ: 1,5

Растяжение и сжатие графиков функций

Пусть на координатной плоскости есть точка А с координатами (х0; у0). Куда переместится эта точка, если ее ордината (то есть у0) увеличится, например, в два или в три раза? Она отодвинется от оси Ох. Если же ее ордината уменьшится, то точка приблизится к оси. Наконец, если ордината поменяет знак, то точка, изначально, лежащая выше оси, окажется ниже её. Проиллюстрируем это на картинке:

Пусть есть пара функций у(х) и g = k•у(х), где k– какое-то постоянное число (константа), не равная нулю. Примерами таких пар являются:

• у = х и g = 3х (здесь k = 3);
• у = х2 и g = – 0,7х2 (k = – 0,7)
• y = x2 + 2x + 4 и g = 4(x2 + 2x + 4) = 4х2 + 8х + 16 (k = 4).

Посмотрим, как связаны графики таких функций. На рисунке красным цветом показана функция у(х), а синим g = 2у(x):

При любом значении аргумента выполняется условие g(х) = 2у(х). Это значит, что ордината (координата у) каждой точки графика g(х) вдвое больше, чем ордината соответствующей точки графика у(х). В частности, отрезок АА2 вдвое длиннее отрезка АА1:

АА2 = 2АА1

Аналогично можно записать, что

BB2 = 2BB1

Таким образом, график g(x) выглядит так, будто бы график у(х) «растянули» в 2 раза. Каждая точка «переезжает» на новое место, сдвигаясь по вертикали. Так, если точка А1 имела координаты (– 6; 2), то при растяжении графика функции она получит координаты (– 6; 4), то есть ее координата у увеличится вдвое. Точка B1 имела координаты (2; – 2), а в графике g(х) занимает позицию (2; – 4).

Убедимся в этом на примере ф-ций у = х2 и g = 2х2:

• при х = 1 имеем у(1) = 12 = 1; g(х) = 212 = 2
• при х = 2 получаем у(2) = 22 = 4 и g(x) = 222 = 8
• при х = 3 у(3) = 32 = 9 и g(3) = 232 = 18

В общем случае говорят, что график функции g(х) = ky(x) получается растяжением графика у(х) в k раз.

Пример. Функция у(х) задана графически:

Постройте график функции g(х) = 3у(х).

Решение. Каждую точку отодвинем от оси Ох, увеличив координату у точек в 3 раза:

Если коэффициент k находится в пределах 0 < k < 1, то график не растягивается, а наоборот, «сжимается». Точки перемещаются ближе к оси Ох.Для примера посмотрим на график ф-ции у = 0,5х2. Он может быть получен сжатием графика функции у = х2:

При сжатии графика каждая точка параболы приближается к оси Ох, при этом ордината точек уменьшается вдвое. Так, точка А2 с координатами (3; 9) переходит в точку А1 с координатами (3; 4,5).

Отдельно стоит рассмотреть случай, при котором коэффициент k является отрицательным. В этом случае график отображается симметрично относительно оси Ох. Те точки, которые имели изначально положительную ординату и находились выше Ох, в результате получают отрицательную ординату и оказываются ниже оси Ох. Покажем на рисунке графики ф-ций у = х2 и у = – х2 (то есть k =– 1):

Если же, например, коэффициент k = – 2, то надо и растянуть график, и перевернуть его относительно оси Ох. В частности, так выглядит график у = – 2х2:

Параллельный перенос графиков функций

Теперь посмотрим, как передвинется отдельная точка на координатной плоскости, если к ее ординате добавить какое-нибудь число. Если это число положительное, то точка поднимется выше, а если отрицательное, то она опустится:

Это означает, что если к какой-нибудь функции добавить некоторое число, то график функции переместится вверх или вниз. Для примера построим графики функций у = х2 + 2 и у = х2 – 5:

График у = х2 + 2 представляет собой тот же график у = х2, то есть параболу, который подняли на две единицы вверх. График у = х2 – 5 получен за счет сдвига вниз на 5 единиц этой же параболы. Подобное перемещение называют параллельным переносом графика функции.

Параллельный перенос возможен не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Для такого перемещения надо изменить абсциссу точки, а не ординату:

Аналогично может сдвинуться не только точка, но и целый график функции. Если вместо аргумента х подставить в ф-цию величину (х +n), то график сместится на n единиц влево.

Проиллюстрируем это с помощью ф-ций у = х2 и g = (х + 3)2. Будем вычислять значения обеих ф-ций в некоторых точках, причем для функции g будем брать значения х, меньше на три единицы:

у(0) = 02 = 0 и g(– 3) = g(– 3 + 3)2 = 02 = 0

у(– 1) = (– 1)2 = 1 и g(– 4) = g(– 4 + 3)2 = (– 1)2 = 1

у(– 2) = (– 2)2 = 4 и g(– 5) = g(– 5 + 3)2 = (– 2)2 = 4

Видно, что одинаковые значения ф-ции принимают тогда, когда аргумент у ф-цииg меньше на 3. Это значит что если сместить точку графика у = х2 на 3 единицы влево, по она попадает на график g = (х + 3)2.

Точка А1 сдвинулась влево на 3 единицы и перешла в точку А2. Аналогично точка В1 отобразилась в точку В2.

Пусть в общем случае есть функции у = у(х) и g(x) = у(х +n), где n – некоторое постоянное число. Значение у(х) в точке х0 обозначается как у0. Теперь найдем значение g(x) в точке (х0 – n):

g(х0–n) = у(х0 –n+n) = y(x0).

Получили, то же самое значение, что и у у(х). Покажем это на рисунке:

Рассмотрим теперь случай, когда график сдвигается вправо. Для этого из аргумента исходной функции надо вычесть какое-то число. На рисунке показаны графики функций у = 2х и у = 2(х – 4):

Каждая точка исходного графика (например, А1) «переехала» на 4 единицы вправо.

Надо понимать, что иногда один график можно получить из другого в несколько переходов. Пусть надо построить график у = – (х – 4)2 + 5. Его можно получить из обычной параболы у = х2 в три шага.

Сперва строим график у = (х – 4)2. Вершина параболы, как и все остальные точки, сместится на 4 позиции вправо:

Далее построим график у = – (х – 4)2. Для этого его надо отобразить симметрично относительно оси Ох (ось симметрии параболы не сдвигается, но ее ветви будут направлены вниз, а не вверх):

Последний шаг – это построение графика у = – (х – 4)2 + 5. Его можно получить, подняв предыдущий график на 5 единиц вверх:

Гипербола и обратная пропорциональность

Ранее мы уже строили графики степенных функций. Однако мы рассматривали только случаи, при которых показателем в степени являлось натуральное число. Теперь же изучим функцию у = х– 1. Напомним, что по определению отрицательной степени

Н