Сдвиги и растяжения графиков функций
Вы уже строили параболу $y=x^2$ (урок «Квадратичная функция и ее свойства»), графики $y=\lvert x \rvert$ («Функция y = |x| и ее график») и $y=\sqrt{x}$ («Функция y = корень из x и ее график»). В этом уроке научимся получать из одного готового графика целое семейство: $y=x^2+2$, $y=(x-3)^2$, $y=2x^2$, $y=-2(x-1)^2+3$ — без новых таблиц, одними движениями. Вопрос, к которому вернемся в конце: в формуле $y=(x-3)^2$ стоит минус, а вершина параболы оказывается справа, в точке $x=3$. Это обман? И можно ли, едва взглянув на график, сразу написать его формулу?
Пленку с графиком сдвигают вверх и вниз
Представьте, что график $y=x^2$ нарисован на прозрачной пленке, а пленка лежит на клетчатой сетке с осями. Пленку можно двигать, растягивать и переворачивать, а сам чертеж на ней не меняется. Такой исходный график будем называть базовым. Сравним значения $y=x^2$ и $y=x^2+2$ при одних и тех же $x$.
| $x$ | $-2$ | $-1$ | $0$ | $1$ | $2$ |
|---|---|---|---|---|---|
| $y=x^2$ | $4$ | $1$ | $0$ | $1$ | $4$ |
| $y=x^2+2$ | $6$ | $3$ | $2$ | $3$ | $6$ |
Каждая точка сохранила свою абсциссу, а ордината выросла ровно на 2. Значит, вся пленка поднялась на 2 клетки: вершина переехала из $(0;\,0)$ в $(0;\,2)$, и форма параболы не изменилась. У $y=x^2-3$ все значения на 3 меньше — пленка опустилась на 3, вершина в точке $(0;\,-3)$.
Правило
Чтобы построить график $y=f(x)+a$, график $y=f(x)$ сдвигают вдоль оси $Oy$: на $a$ вверх, если $a>0$, и на $\lvert a \rvert$ вниз, если $a<0$.
$$(x;\,y)\ \to\ (x;\,y+a)$$
Почему это верно для любой функции: при одном и том же $x$ новая функция дает то же значение, что и старая, плюс число $a$. Абсцисса точки не меняется, меняется только высота. Число $a$ стоит снаружи функции и действует на $y$.
Почему минус в скобке двигает график вправо
Иксератопс спрашивает: «Почему у $y=(x-3)^2$ минус, а график едет вправо?» Проверим по точкам. Базовая функция $y=x^2$ дает значение $4$ при $x=2$. Новая функция $y=(x-3)^2$ дает то же значение $4$, когда в скобке получается $2$: $x-3=2$, то есть при $x=5$. Точка $(2;\,4)$ переехала в $(5;\,4)$.
| $x$ | $1$ | $2$ | $3$ | $4$ | $5$ |
|---|---|---|---|---|---|
| $y=(x-3)^2$ | $4$ | $1$ | $0$ | $1$ | $4$ |
Это те же значения $4,\ 1,\ 0,\ 1,\ 4$, что у $y=x^2$ при $x=-2,\,-1,\,0,\,1,\,2$, только каждое появилось на 3 правее. Новая функция «опаздывает»: она делает при $x$ то, что старая делала при $x-3$. Чтобы получить прежнее значение, $x$ должен стать больше на 3 — поэтому пленка уезжает вправо.
Правило
Чтобы построить график $y=f(x-a)$, график $y=f(x)$ сдвигают вдоль оси $Ox$ на $a$ вправо, если $a>0$. График $y=f(x+a)$ при $a>0$ сдвинут на $a$ влево.
$$(x;\,y)\ \to\ (x+a;\,y)$$
Ошибка
Вообразавр рассуждает: «В скобке минус, значит, $y=(x-3)^2$ — это парабола $y=x^2$, сдвинутая влево на 3». Решавр проверяет по точке. Если бы вершина сдвинулась влево, она стояла бы при $x=-3$ и значение там было бы $0$. Но $(-3-3)^2=36$. А при $x=3$ получается $(3-3)^2=0$ — вершина справа.
Где сломалось рассуждение: знак в скобке — не стрелка направления. Вершина стоит там, где скобка равна нулю, а $x-3=0$ при $x=3$.
Пример 1
Найдите вершину параболы $y=(x+4)^2+3$ и объясните, как ее график получен из $y=x^2$.
Решение. Скобка $x+4$ равна нулю при $x=-4$: пленку сдвинули на 4 влево. Слагаемое $+3$ снаружи поднимает пленку на 3. Вершина $(0;\,0)$ переехала в $(-4;\,3)$.
Проверка. При $x=-4$: $0^2+3=3$. При $x=-3$ и $x=-5$: $1+3=4$ — значения больше 3 и одинаковые слева и справа от вершины, как и положено параболе.
Ответ: $(-4;\,3)$; сдвиг на 4 влево и на 3 вверх.
Подвигайте пленку сами: ползунок $m$ сдвигает параболу по горизонтали, ползунок $n$ — по вертикали, а формула под графиком показывает, что при этом пишется в скобке и снаружи.
Пленку растягивают от горизонтальной оси
Теперь пленку не сдвигают, а тянут вверх и вниз от оси $Ox$, словно резиновую. Возьмем $f(x)=x^2-4$ и умножим все значения на 2: $y=2(x^2-4)$.
| $x$ | $-3$ | $-2$ | $0$ | $2$ | $3$ |
|---|---|---|---|---|---|
| $y=x^2-4$ | $5$ | $0$ | $-4$ | $0$ | $5$ |
| $y=2(x^2-4)$ | $10$ | $0$ | $-8$ | $0$ | $10$ |
Каждая ордината удвоилась: точка $(3;\,5)$ ушла в $(3;\,10)$, вершина $(0;\,-4)$ — в $(0;\,-8)$. А точки $(-2;\,0)$ и $(2;\,0)$ остались на месте: $2\cdot 0=0$. Пленка словно приколота к оси $Ox$ — что выше оси, поднимается, что ниже, опускается. При множителе $\frac{1}{2}$ все наоборот прижимается к оси: у $y=\frac{1}{2}x^2$ точка $(2;\,4)$ переходит в $(2;\,2)$.
Правило
График $y=a\cdot f(x)$ при $a>1$ получают из графика $y=f(x)$ растяжением от оси $Ox$ в $a$ раз, при $0<a<1$ — сжатием к оси $Ox$ в $\frac{1}{a}$ раз. Точки на оси $Ox$ остаются на месте.
$$(x;\,y)\ \to\ (x;\,a\cdot y)$$
Для параболы $y=ax^2$ это значит: чем больше $a$, тем круче ветви и тем «уже» парабола; при $a=\frac{1}{2}$ она шире. Вершина $(0;\,0)$ лежит на оси и не двигается.
А если множитель стоит внутри скобки?
Скрыть
График $y=f(2x)$ сжимается к оси $Oy$ в 2 раза. Логика та же, что у сдвига: значение, которое старая функция давала при $x=2$, новая дает уже при $x=1$, ведь $f(2\cdot 1)=f(2)$. Все «наоборот», как и в скобке $x-a$. В ОГЭ такие преобразования не встречаются, поэтому дальше мы их не используем.
Пленку переворачивают и делают несколько ходов подряд
Множитель $-1$ меняет знак каждой ординаты: у $y=-x^2$ точка $(1;\,1)$ переходит в $(1;\,-1)$, точка $(2;\,4)$ — в $(2;\,-4)$. Пленку перевернули через ось $Ox$, как страницу: ветви смотрят вниз.
Правило
График $y=-f(x)$ симметричен графику $y=f(x)$ относительно оси $Ox$. При $a<0$ график $y=a\cdot f(x)$ получают растяжением (или сжатием) в $\lvert a \rvert$ раз и отражением относительно оси $Ox$.
Обратите внимание
Минус перед функцией — не сдвиг вниз. У $y=x^2-1$ вершина опускается в $(0;\,-1)$, а ветви по-прежнему вверх. У $y=-x^2$ вершина остается в $(0;\,0)$, а ветви переворачиваются вниз.
Формула $y=a(x-m)^2+n$ — это несколько ходов одной пленки. Удобно сначала растянуть и при необходимости перевернуть пленку, пока вершина в начале координат, а затем сдвинуть ее: на $m$ по горизонтали и на $n$ по вертикали.
Правило
Вершина параболы $y=a(x-m)^2+n$ — точка $(m;\,n)$. Множитель $a$ вершину не двигает: он задает направление ветвей и их крутизну.
$$y=a(x-m)^2+n\ \Rightarrow\ \text{вершина }(m;\,n)$$
Пример 2
Постройте график $y=-2(x-1)^2+3$ по графику $y=x^2$.
Решение. Ходы пленки (как на схеме): $y=x^2\ \to\ y=-2x^2$ (растянули в 2 раза и перевернули через $Ox$: сначала $2x^2$, затем знак минус) $\to\ y=-2(x-1)^2$ (сдвинули на 1 вправо) $\to\ y=-2(x-1)^2+3$ (подняли на 3). Вершина — $(1;\,3)$, ветви вниз.
Проверка таблицей.
Наибольшее значение $3$ при $x=1$, значения симметричны относительно $x=1$.
Порядок важен. Если сначала поднять на 3, а потом умножить на $-2$, получится $-2\big((x-1)^2+3\big)=-2(x-1)^2-6$ — вершина в $(1;\,-6)$, другой график.
На пленке другой чертеж: модуль и корень
Ходы пленки не зависят от того, что на ней нарисовано. Положим на пленку «уголок» $y=\lvert x \rvert$ с изломом в $(0;\,0)$. График $y=\lvert x-2 \rvert+1$ — это уголок, сдвинутый на 2 вправо и на 1 вверх: излом в точке $(2;\,1)$. Проверим: при $x=0,\,1,\,2,\,3,\,4$ получаем $3,\,2,\,1,\,2,\,3$ — наименьшее значение $1$ при $x=2$.
У графика $y=\sqrt{x}$ опорная точка — его начало $(0;\,0)$. График $y=\sqrt{x+2}$ сдвинут на 2 влево: начинается в точке $(-2;\,0)$, ведь корень существует только при $x+2\ge0$. Удобные точки: $x=-1$ дает $1$, $x=2$ дает $2$, $x=7$ дает $3$.
| График | Опорная точка | Куда переехала |
|---|---|---|
| $y=x^2\ \to\ y=a(x-m)^2+n$ | вершина $(0;\,0)$ | $(m;\,n)$ |
| $y=\lvert x \rvert\ \to\ y=\lvert x-m \rvert+n$ | излом $(0;\,0)$ | $(m;\,n)$ |
| $y=\sqrt{x}\ \to\ y=\sqrt{x-m}+n$ | начало $(0;\,0)$ | $(m;\,n)$ |
Как прочитать формулу по графику
Вернемся к вопросу из начала. Минус в $y=(x-3)^2$ — не обман и не направление. Скобка задает уравнение: вершина стоит там, где скобка равна нулю, а $x-3=0$ при $x=3$. Поэтому формулу по графику читают от опорной точки: находят, куда уехала вершина, излом или начало, и подбирают скобку, которая обнуляется именно там.
На рисунке три параболы и три формулы, как в задании ОГЭ №11: $y=(x-2)^2$, $y=x^2-2$, $y=(x+2)^2$. У параболы $A$ вершина $(-2;\,0)$ — скобка должна обнуляться при $x=-2$, это $y=(x+2)^2$. У параболы $B$ вершина $(0;\,-2)$ — сдвиг только вниз, $y=x^2-2$. У параболы $C$ вершина $(2;\,0)$ — это $y=(x-2)^2$.
Пример 3
Парабола с вершиной $(1;\,-2)$ проходит через точку $(2;\,0)$. Найдите ее формулу вида $y=a(x-m)^2+n$.
Решение. Вершина дает $m=1$, $n=-2$: $y=a(x-1)^2-2$. Подставим точку $(2;\,0)$: $a\cdot(2-1)^2-2=0$, откуда $a=2$.
Проверка. $y=2(x-1)^2-2$: при $x=0$ получаем $2-2=0$, при $x=3$ получаем $2\cdot 4-2=6$; ветви вверх, как и должно быть при $a>0$.
Ответ: $y=2(x-1)^2-2$.
Вывод
Сдвиги и растяжения экономят время: вместо новой таблицы для каждой формулы достаточно знать несколько базовых графиков и ходы пленки. Это прямой путь к заданиям ОГЭ №11 и к графикам с модулем в уроке «Кусочные функции и графики с модулем». Чтобы вспомнить правило, представьте пленку с графиком и проверьте одну точку.
Часто задаваемые вопросы
Число снаружи прибавляется к готовому значению $y$, поэтому знак совпадает с направлением. Число в скобке меняет вход функции: чтобы получить прежнее значение, $x$ должен измениться в обратную сторону. Самая быстрая проверка — найти, где скобка равна нулю.
Для формулы $y=a(x-m)^2+n$ удобно сначала растянуть и перевернуть, пока вершина в начале координат, а потом сдвинуть. Если сначала поднять график, а затем умножить на $a$, растянется и сам сдвиг — получится другая формула.
Да, для любой функции. Например, $y=\frac{1}{x-2}+3$ — гипербола $y=\frac{1}{x}$, сдвинутая на 2 вправо и на 3 вверх: она не определена при $x=2$, а при $x=3$ дает $4$. Прямые, к которым приближаются ее ветви, тоже сдвигаются: $x=2$ и $y=3$.
Возьмите опорную точку графика — вершину, излом или начало — и подставьте ее абсциссу в формулу. Скобка должна обратиться в ноль, а значение $y$ — совпасть с ординатой точки. Если не совпало, ошибка в знаке.