Область определения и область значений функции, свойства по графику
Функция сопоставляет каждому значению $x$ одно значение $y$, поэтому вертикальная линейка, которая скользит по графику, задевает его не больше чем в одной точке — об этом урок «Функция: определение и способы задания». В этом уроке выясним, какие $x$ можно подставлять в функцию и какие $y$ при этом получаются, а затем научимся читать по графику нули, знаки, возрастание и убывание функции. Понадобятся числовые промежутки из урока «Координатная прямая, расстояние между точками и числовые промежутки».
Какие числа можно подставить в функцию
В уроке «Чтение графиков реальных зависимостей» вы сравнивали тарифы связи по графикам. Пусть минута разговора стоит 2 руб. Тогда разговор длиной $x$ минут стоит $y=2x$ рублей. Формула без возражений считает и при $x=-3$: $y=-6$. Но разговор не может длиться минус три минуты. Значит, у функции есть вопрос, который формула сама не задает: какие значения $x$ вообще имеют смысл?
Бывает и так, что формула посчитать не может. Возьмем $y=\dfrac{4}{x}$. При $x=2$ получаем $y=2$, при $x=-1$ получаем $y=-4$, а при $x=0$ пришлось бы делить на нуль. Поставим на график вертикальную линейку. Где бы она ни стояла, она задевает график — везде, кроме одного места: над $x=0$ линейка проходит мимо.
Определение
Область определения функции — все значения $x$, при которых функция имеет смысл. Ее обозначают $D(f)$ или просто $D$. На графике это все положения вертикальной линейки, в которых она задевает график.
Правило
Как найти область определения по формуле:
- Считаем, что подходят все числа.
- Если $x$ стоит в знаменателе, исключаем значения $x$, при которых знаменатель равен нулю.
- Если функция описывает реальную величину, оставляем только значения, которые имеют смысл: время не бывает отрицательным, число предметов — целое неотрицательное.
Почему так. Делить на нуль нельзя, поэтому при таком $x$ у функции нет значения, и на графике нет точки. А формула из жизни — только модель: она верна в тех пределах, в которых описывает ситуацию. Какая область определения у тарифа $y=2x$, выясним в конце урока.
Пример
Найдите область определения функции: а) $y=3x-5$; б) $y=\dfrac{12}{x-4}$; в) турист идет 5 часов со скоростью 4 км/ч, путь за $t$ часов равен $s=4t$ км.
а) Делить на выражение с $x$ не нужно, значение есть при любом $x$. $D$ — все числа, то есть $(-\infty;+\infty)$.
б) Знаменатель $x-4$ равен нулю при $x=4$. Проверка: $\frac{12}{4-4}=\frac{12}{0}$ — не имеет смысла. $D$ — все числа, кроме $4$.
в) Время отсчитывают от выхода, поэтому $t\ge0$; идет турист 5 часов, поэтому $t\le5$. $D=[0;5]$. Формула посчитала бы и $s=4 \cdot 7=28$ при $t=7$, но через 7 часов турист уже не идет.
Область определения — тень графика на горизонтальной оси
Теперь функция задана графиком. Поведем вертикальную линейку слева направо и будем отмечать на оси $Ox$ те места, где линейка задевает график. На рисунке линейка впервые задевает график при $x=-2$, а последний раз — при $x=6$. Между ними она задевает его везде.
Отмеченная часть оси похожа на тень графика, если светить на него сверху вниз. Ее называют проекцией графика на ось $Ox$. Значит, $D=[-2;6]$.
Важна каждая граница. Концы графика отмечают кружками, как точки на прямой в уроке «Координатная прямая, расстояние между точками и числовые промежутки»: закрашенный кружок — точка принадлежит графику, пустой — не принадлежит. У пустого кружка линейка подходит к графику вплотную, но не задевает его: точки там нет.
Правило
Как найти область определения по графику:
- Найдите левый и правый концы графика — там линейка задевает график первый и последний раз.
- Их абсциссы — границы $D$.
- Закрашенный кружок — скобка квадратная, пустой — круглая.
Если между концами линейка где-то проходит мимо графика, как у $y=\frac{4}{x}$ при $x=0$, это значение $x$ исключают.
Пример
Найдите $D$ по графику с кружками.
Самая левая точка — $(-3;-2)$, кружок пустой: $x=-3$ не входит. Самая правая точка — $(4;-1)$, кружок закрашен: $x=4$ входит. Между ними линия идет без разрывов, линейка задевает ее везде.
Ответ: $D=(-3;4]$.
Область значений — на каких высотах бывает график
У линейки есть деления. В каждом положении она задевает график на какой-то отметке — запишем все эти отметки. Для графика из прошлого раздела самая низкая отметка — $-1$ (при $x=0$), самая высокая — $3$ (при $x=4$). Линия идет без разрывов, поэтому встречаются и все высоты между ними.
Определение
Область значений функции — все значения $y$, которые принимает функция. Ее обозначают $E(f)$ или $E$. На графике это проекция графика на ось $Oy$: все высоты, на которых линейка задевает график.
Для нашего графика $E=[-1;3]$. Число $3$ — наибольшее значение функции, число $-1$ — наименьшее значение. Наибольшее значение — это высота $y=3$, а не место $x=4$, где оно достигается. У графика с пустым кружком высота $-2$ не достигается, и других точек на этой высоте нет, поэтому $E=(-2;2]$.
Ошибка
Вообразавр записал по графику: «$D=[-1;3]$ — от самой низкой точки до самой высокой».
Решавр проверяет: поставим линейку при $x=5$. Она задевает график в точке $(5;2)$, значит, при $x=5$ функция определена. Но число $5$ не входит в $[-1;3]$.
Где сломалось рассуждение: Вообразавр взял высоты точек, то есть значения $y$, и получил область значений. Область определения — это положения линейки, их читают по горизонтальной оси $Ox$: $D=[-2;6]$.
Обратите внимание
$D$ — где стоит линейка: значения $x$, ось $Ox$. $E$ — на какой высоте линейка задевает график: значения $y$, ось $Oy$. Проверка для $D$: возьмите любое число из ответа и поставьте туда линейку — она должна задеть график.
Область значений зависит от области определения. Если разрешить линейке ходить только внутри «окна» — части оси $Ox$, — останутся только те высоты, которые график принимает над окном. Например, для окна $[2;6]$ остаются высоты от $1$ до $3$: точки на высоте $-1$ в окно не попали. Сдвигайте границы окна в модели и следите, какие высоты остаются.
Где график на оси, выше и ниже нее
Нулевая отметка линейки лежит на оси $Ox$. Если линейка задевает график ровно на нулевой отметке, в этом месте график пересекает ось $Ox$. У нашего графика это происходит дважды: $f(-1)=0$ и $f(1)=0$.
Определение
Нули функции — значения $x$, при которых $y=0$. На графике это абсциссы точек, в которых график пересекает ось $Ox$.
Нули делят область определения на промежутки, где функция сохраняет знак. Левее $x=-1$ и правее $x=1$ линейка задевает график выше нулевой отметки: $y>0$ на $[-2;-1)$ и на $(1;6]$. Между нулями график ниже оси: $y<0$ на $(-1;1)$. Проверка числом: $f(0)=-1<0$.
Обратите внимание
Сами нули в эти промежутки не входят: в них $y=0$, а нуль не положителен и не отрицателен. Поэтому у нулей скобки круглые. А конец $x=-2$ входит: кружок там закрашен и $f(-2)=1>0$.
Возрастание: правее — значит выше
В уроке «Чтение графиков реальных зависимостей» вы видели, как температура росла и падала в течение суток. Теперь опишем рост точно. Ведем линейку по графику слева направо. От $x=0$ до $x=4$ отметка, на которой линейка задевает график, все время поднимается: $f(0)=-1$, $f(1)=0$, $f(2)=1$, $f(4)=3$. Какие два значения $x$ на этом участке ни возьми, у большего $x$ значение функции больше.
Определение
Функция возрастает на промежутке, если для любых $x_1$ и $x_2$ из этого промежутка из $x_1<x_2$ следует $f(x_1)<f(x_2)$: большему $x$ соответствует большее $y$.
Функция убывает на промежутке, если из $x_1<x_2$ следует $f(x_1)>f(x_2)$: большему $x$ соответствует меньшее $y$.
Промежутки возрастания и убывания записывают по оси $Ox$: это значения $x$, как и $D$. Точку, где рост сменяется спадом, включают в оба соседних промежутка. Определение это разрешает: $f(4)=3$ больше всех значений функции и на $[0;4)$, и на $(4;6]$.
Ошибка
Вообразавр: «Функция возрастает на $[1;6]$: ведь $f(1)=0$, а $f(6)=1$ — справа значение больше».
Решавр берет две точки внутри промежутка: $x_1=4$ и $x_2=6$. Здесь $x_1<x_2$, но $f(4)=3>f(6)=1$ — большему $x$ соответствует меньшее $y$.
Где сломалось рассуждение: сравнение концов ничего не доказывает, определение требует проверить любые два $x$ промежутка. На $[1;6]$ функция сначала возрастает до $x=4$, а потом убывает.
Паспорт функции: все свойства по одному графику
Соберем все вопросы к графику в одну таблицу — «паспорт» функции. Для каждого свойства в ней записано, что делает линейка и по какой оси читать ответ. Последний столбец заполнен для нашего графика.
| Свойство | Что делает линейка | Ось ответа | Наш график |
|---|---|---|---|
| Область определения $D$ | задевает график | $Ox$ | $[-2;6]$ |
| Область значений $E$ | на каких отметках задевает | $Oy$ | $[-1;3]$ |
| Нули | задевает на отметке $0$ | $Ox$ | $-1$ и $1$ |
| $y>0$ | задевает выше нуля | $Ox$ | $[-2;-1)$ и $(1;6]$ |
| $y<0$ | задевает ниже нуля | $Ox$ | $(-1;1)$ |
| Возрастает | при сдвиге вправо отметка поднимается | $Ox$ | $[0;4]$ |
| Убывает | при сдвиге вправо отметка опускается | $Ox$ | $[-2;0]$ и $[4;6]$ |
Посмотрите на столбец «Ось ответа»: из семи свойств только одно — область значений — читают по оси $Oy$. Все остальные ответы — значения $x$. Это и есть защита от главной ошибки урока.
Пример
Составим паспорт графика с пустым кружком из второго раздела: вершины $(-3;-2)$ (кружок пустой), $(1;2)$, $(4;-1)$.
- $D=(-3;4]$: левый конец не входит, правый входит.
- $E=(-2;2]$: высота $-2$ не достигается, наибольшее значение $2$ — при $x=1$.
- Нули: $x=-1$ и $x=3$.
- $y>0$ на $(-1;3)$; $y<0$ на $(-3;-1)$ и на $(3;4]$.
- Возрастает на $(-3;1]$, убывает на $[1;4]$.
Проверка: $f(0)=1>0$ — точка $(0;1)$ лежит выше оси, и $0$ входит в $(-1;3)$.
Вывод
Область определения отвечает на вопрос «какие $x$ можно подставить», область значений — «какие $y$ получатся». По формуле $D$ ищут так: исключают значения, при которых знаменатель равен нулю, и оставляют те, что имеют смысл в задаче. Для тарифа $y=2x$ это $D=[0;+\infty)$ и $E=[0;+\infty)$: разговор не длится минус три минуты, и чем он длиннее, тем больше его стоимость (функция возрастает).
По графику все свойства читает одна вертикальная линейка: где она задевает график — $D$, на каких отметках — $E$, на отметке $0$ — нули, выше или ниже нуля — знак, поднимается ли отметка при сдвиге вправо — возрастание. По оси $Oy$ читают только область значений. Эти умения нужны в заданиях ОГЭ на чтение графиков и в следующих уроках: у прямой пропорциональности и линейной функции свойства будем находить так же.
Часто задаваемые вопросы
$D$ — где стоит линейка: значения $x$, ось $Ox$. $E$ — на какой высоте она задевает график: значения $y$, ось $Oy$. Проверьте ответ для $D$: поставьте линейку в любую точку промежутка — она должна задеть график.
Определение при этом не нарушается. У нашего графика $f(4)=3$ больше всех значений и на $[0;4)$, и на $(4;6]$, поэтому пишут «возрастает на $[0;4]$, убывает на $[4;6]$». Так же с точкой $x=0$, где спад сменяется ростом: $f(0)=-1$ меньше всех соседних значений.
Если линия заканчивается стрелкой, она продолжается без конца, и в записи появляется бесконечность, как у лучей: например, $[0;+\infty)$. Так у графика $y=\lvert x \rvert$ из урока «Функция y = |x| и ее график»: $D=(-\infty;+\infty)$, $E=[0;+\infty)$, нуль функции $x=0$.
Да, например $y=3$. Ее график — горизонтальная прямая: линейка в любом положении задевает его на отметке $3$. Область значений состоит из одного числа $3$, а ни возрастания, ни убывания нет.
Формула может посчитать то, что не имеет смысла: $-6$ руб. за разговор длиной $-3$ минуты. А при делении на нуль она не посчитает вовсе. Область определения заранее показывает, где ответам функции можно доверять.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий