6. Studio di funzione
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- Alessio Parodi
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1 6. Studio di funzione In conclusione, per studiare una funzione razionale, dobbiamo: determinarne il campo di esistenza; studiarne il segno; determinare gli eventuali punti di intersezione con gli assi cartesiani del suo grafico; calcolare i iti della funzione agli estremi del dominio; da tali iti, determinare gli eventuali asintoti; verificare se il grafico interseca l'eventuale asintoto orizzontale o obliquo; calcolare la derivata prima e studiarne il segno, determinando gli intervalli in cui la funzione è crescente o decrescente; dal segno della derivata prima, determinare massimi, minimi e flessi a tangente orizzontale; calcolare la derivata seconda e studiarne il segno, determinando gli intervalli in cui la funzione ha concavità rivolta verso l'alto o verso il basso; dal segno della derivata seconda, determinare i flessi di qualunque genere. Nota: abbiamo già osservato che il segno della derivata di una funzione razionale fratta è determinato in pratica soltanto dal segno del suo numeratore. Il denominatore, infatti, essendo un quadrato, non assume mai segno negativo, e, di conseguenza non può cambiare il segno del numeratore. Il denominatore ha però un effetto: quello di ricordarci che, in corrispondenza dei valori di x che lo annullano, la funzione e la sua derivata non sono definite. Negli esercizi successivi, pertanto, ogni volta che studiamo il segno della derivata di una funzione razionale fratta, dovremmo inserire dei simboli per escludere i valori che annullano il denominatore. In genere, non li troverai nei risultati, per non appesantire la notazione. Fanno eccezione alcuni casi in cui avremmo potuto pensare erroneamente che in tali punti fosse presente un massimo o un minimo. Esempio Studiamo la funzione razionale intera f x =3 x 3 x, definita nell'insieme R. Per studiarne il segno, scomponiamo il secondo membro: f x =x 3 x : x 3x- Il grafico interseca gli assi cartesiani nei punti, e /3,. Calcoliamo i iti all'infinito: _ /3 o x o 3x- - - o - - o f (x) 3 x 3 x = [ x 3 3 x ]=±. Ricordiamo che una funzione razionale intera non può avere asintoti. Calcoliamo la derivata prima e studiamone il segno: f ' x =9 x 4 x. /3
2 Quindi la funzione è: crescente per x o x 4 9 ; decrescente per x /9 o o f '(x) _ 4/9 f (x) La funzione possiede un punto di massimo relativo di ascissa relativo di ascissa x=4/9. Le rispettive ordinate sono: f 4 9 = = 64 Abbiamo quindi: f = (già nota); = un punto di massimo relativo nell'origine degli assi; un punto di minimo relativo di coordinate 4 9, Calcoliamo la derivata seconda e studiamone il segno: f ' ' x =8 x 4. La curva ha: concavità rivolta verso l'alto per x 9 ; concavità rivolta verso il basso per x 9. x= ed un punto di minimo Per x= 9 il grafico possiede un punto di flesso, la cui ordinata è f 6 = Quindi il punto di flesso ha coordinate 9 Il grafico della funzione è riportato in figura., Nota. Per determinare la posizione del punto di flesso avremmo potuto utilizzare le seguenti proprietà: una funzione razionale intera di terzo grado, detta anche cubica, possiede sempre un punto di flesso; se, inoltre, essa ha anche un massimo ed un minimo, allora il flesso è il punto medio tra il massimo ed il minimo. Quindi, sia l'ascissa che l'ordinata del flesso sono le medie aritmetiche delle ascisse e delle ordinate dei due estremi. _ 8x-4 /9 /9 4/9 /9 f(x) /3 Fig. Funzione y=3 x 3 x o f ''(x) Esempio Studiamo la funzione razionale fratta Studiamo il segno della funzione: f x = x 3 x, definita per x. Non ci sono intersezioni con l'asse x, perché il numeratore non si annulla mai. num _ den num o den f (x)
3 3 Per determinare l'intersezione con l'asse y, sostituiamo: x= y= 3 A, 3. Calcoliamo i iti agli estremi del campo di esistenza: f x =±. Abbiamo quindi un asintoto verticale di equazione x=. x ± f x = x 3 x x x = x 3 x =±. x La funzione non ha un asintoto orizzontale. Sappiamo che il grafico deve avere un asintoto obliquo, in quanto il grado del numeratore supera quello del denominatore di una unità. Ne calcoliamo l'equazione utilizzando l'algoritmo della divisione tra polinomi: x 3 x x x x x x 3 4 L'equazione dell'asintoto obliquo è quindi y=x. Per scrupolo, verifichiamo l'esistenza di intersezioni tra la curva ed il suo asintoto obliquo: { x 3 y= x y=x { x 3 x =x y=x { x 3=x y=x Il grafico della funzione non interseca il suo asintoto obliquo. Calcoliamo la derivata prima: Studiamo il segno della derivata: Scopriamo quindi che la funzione è: crescente per x o x 3 ; decrescente per x o x 3. f ' x = x x x 3 x num = x x x 3 = x x 3. x x Nota: osserviamo ancora che lo studio del segno del denominatore non ha avuto nessun effetto, se non quello di ricordarci che la funzione non è decrescente sull'intero intervallo x, ma solo nei due sottointervalli riportati sopra. Negli esercizi successivi, ho quasi sempre tralasciato questa precisazione. La funzione possiede quindi un punto di massimo relativo di ascissa x= ed un punto di minimo relativo di ascissa x=3. _ den o o num o den o o f '(x) f (x)
4 4 Ne calcoliamo le ordinate: f = 3 = ; Abbiamo quindi: 9 3 f 3 = 3 =6. y=x un punto di massimo relativo di coordinate, ; un punto di minimo relativo di coordinate 3,6. Il grafico della funzione è riportato in figura. - 3 Nota: per le funzioni razionali fratte, non studieremo la derivata seconda, in quanto il calcolo è piuttosto laborioso. Se te la senti, puoi verificare che f ' ' x = 8 x 3 Fig. Funzione, e che quindi il y= x 3 x grafico della funzione rivolge la concavità verso l'alto per x e verso il basso per x. Osserva che per x= non si ha un punto di flesso, in quanto tale valore non appartiene al dominio della funzione.
5 5 Esercizi Per ogni funzione ho riportato, se possibile: dominio, intersezioni con gli assi cartesiani, iti agli estremi del campo di esistenza, equazioni degli asintoti, derivate prima e seconda, coordinate di punti stazionari e flessi, segno di f x, f ' x, f ' ' x, grafico (non in scala!).. y=x 3 x dom:r ; int., ;, ; y '=3 x 4 x ; max 4 3, 3 ; min, ; 7 y ' ' =6 x 4 ; fl 3, 6 7 ; -4/3 o o f '(x) o o f(x) -/ o f ''(x) - -4/3 -/3. y= x x 5 dom: x 5 ; int.,/5 ; f x = ; x 5 ± f x = ; as.or.y= ; as. vert. x= 5 ; x y '= x x 5 = x f(x) f '(x) y= x x x dom: x e x ; int., ; f x = ; f x = ; as.or. y= ; x ± x ± as. vert. x= ; x= ; x min = 3 ; y ' = x x x x ; x max = o f (x) o o f '(x)
6 6 4. y= x 4 dom: x 4 ; int.,/4 ; x 4 ± as.or. y= ; as. vert. x= 4 ; y '= x f x = ; o f (x) f '(x) 5. y= x x dom:r ; int.,/ ; as.or. y= ; y '= x x x f x = ; ; max, 7 4 -/ -/ f (x) o f '(x) x 6. y= x x 4 dom:r ; int., ; as.or. y= ; int. as.or., ; y '= x 8 x x x 4 f x = ; ; min, ; max 4, o f (x) o o f '(x) 7. y= x x 3 dom:r ; int., ; ±, ; y '= 3 x ; x min= 3 ; x max= 3 ; y ' '= 6 x ; fl., f x = ; - (3/) - (3/) - - (3/) (3/) o o o f (x) o o f '(x) o f ''(x)
7 7 8. y=x 4 x dom:r ; int. ±, ;, ; f x = ; y '=4 x 3 4 x ; min ±, ; max, ; y ' '= x 4 ; x fl =± o o f (x) o o o f '(x) - (/3) (/3) - o o f ''(x) 9. y= x 3 x x x dom:r ; int., ;, ;, ; as.or. y= ; int. as. or., ; x max = 3 ; x min = 3 f x = ; y '= x x x x (- 3)/ ( 3)/ (- 3)/ / ( 3)/ y= o o f (x) o o f '(x). y= x x x 4 dom: x ± ; int., ;, 4 ; f x = ; x ± f x = ; x ± as.or. y= ; as.vert. x=± ; int. as. or. 5, ; - 5/ 4 y '= x x 8 x 4 - ; max, ; min 4, o f (x) o o f '(x)
8 8. y= x 3 x 4 dom: x 4 e x ; int., /4 ; f x = ; x 4 ± f x = ; x ± as.or. y= ; -4-3/ as. vert. x= 4 e x= ; y '= x 3 x 3 x 4 ; max 3, / f (x) o f '(x). y= x x 4 dom: x ± ; int., ; f x = ; x ± x ± as.or. y= ; as. vert. x=± ; - y '= x 4 x 4 ; o f (x) f '(x) 3. y= x x dom: x ± ; int., ; f x = ; x ± x ± as. or. y= ; as. vert. x=± ; y '= 4 x ; min, x - f x = ; f (x) o f '(x)
9 9 4. y= x x 6 x 5 dom: x e x 5 ; int., ;, 5 ; f x = ; x ± f x = ; x 5 ± f x = ; as.or. y= ; as. vert. x=e x=5 ; o f (x) y ' = x 4 x 7 x 6 x 5 f '(x) 5 5. y= x x dom:r ; int. ±, ;, ; as.or. y= ; y '= 4 x x - ; min, f x = ; - o o f (x) o f '(x) x 6. y= x 3 x 4 dom:r ; int., ; f x = ; as.or. y= ; int. as. or. 4 3, ; y '= 3 x 8 x ; max 8 x 3 x 4 3, 6 7 ; min, -8/3-8/3-4/3 o f (x) o o f '(x)
10 7. y= x x x dom: x ; int., ; f x = ; x ± f x = ; as.or. y= ; as. vert. x= ; int. as.or., ; y '= 4 x 4 x x 4 ; min, / o f (x) o f '(x) 8. y= x x x dom: x e x ; int., / ; f x = ; f x = ; as.or. y= ; x ± x ± as.vert. x= e x= ; int. as.or. 3, ; y '= x 6 x x x ; x max =3 ; x min = f (x) o o f '(x) 9. y= x 4 x 6 x 5 dom: x e x 5 ; int. ±, ;, 4 5 ; f x = ; x ± x 5 ± as. or. y= ; - 3/ 5 as.vert. x=e x=5 ; int. as. or. 3, ; y '= x 8 x 4 x 6 x 5 ; - 5 o - - o - - o f (x) f '(x)
11 . y=x 3 x x dom:r ; int., ;, ; y '=3 x 4 x ; max 3, 4 ; min, ; 7 y ' ' =6 x 4 ; fl. 3, 7 ; / o o f (x) /3 /3 /3 o o f '(x) o f ''(x). y=9 x x 4 dom:r ; int., ; ±3, ; f x = ; y '=8 x 4 x 3 ; x max = ±3 y ' '=8 x ; x fl =± 3 ; ; min, ; o o o f (x) -3-3/ 3/ 3-3/ 3/ - (3/) (3/) o o o f '(x) o o f ''(x). y= x dom: x ; int., ; as. or. y= ; y '= x 3 ; f x = ; x ± f x = ; as. vert. x= ; f (x) f '(x) 3. y= x x dom: x e x ; f x = ; as. or. y= ; f x = ; as. vert. x= e x= ; x ± x ± y '= x x x ; max, 4 ; / / f (x) o f '(x)
12 4. y= x3 x dom: x ± ; int., ; y=x as. vert. x=± ; x ± x ± as.obl. y=x ; int. as.obl., ; y ' = x4 3 x ; x max 3, 3 3 ; min 3, 3 3 ; fl.tg.or., ; o f (x) o o o f '(x) 5. y= x x x dom: x ; int., ; f x = ; as. or. y= ; x ± f x = ; as. vert. x= ; int. as.or., ; y '= x x 3 ; min, ; / o f (x) o f '(x) 6. y=4 x 3 x dom:r ; int., ;, ; y '= x 4 x ; max 3, ; min, ; 7 y ' '=4 x 4 ; fl 6, 7 ; -/ -/3 -/ -/3 -/ o o f (x) o o f '(x) -/ o f ''(x)
13 3 7. y= x x x dom:r ; int., ;, ; f x = ; as.or. y= ; y '= x x x x ; min, ; max, ; o f (x) o o f '(x) 8. y= x x dom:r ; int., ;, ;, 4 ; y '=3 x 6 x ; max, 4 ; min, ; y ' ' =6 x 6 ; fl, ; o o f (x) - o o f '(x) o f ''(x) 9. y= x 3 3 x dom:r ; int., ; 3, ; f x = ; y '= 6 x 6 x ; min, ; max, ; y ' '= x 6 ; fl, ; 3/ / / 3/ o o f (x) o o f '(x) o f ''(x) 3. y=x x dom:r ; int., ;, ; y '=3 x 4 x ; max 3, 4 ; min, ; 7 y ' ' =6 x 4 ; fl 3, 7 ; /3 /3 /3 / o o f (x) o o f '(x) o f ''(x)
14 4 3. y=x 3 x dom:r ; int., ;, ; f x = ; y '=4 x 3 3 x ; min 3 7, ; fl.tg.or., ; 4 56 y ' '= x 6 x ; fl., - 6 ; o o f (x) - -3/4 -/ -3/4 -/ o o f '(x) o o f ''(x) 3. y= x 6 x 5 x 3 dom: x 3 ; int., ; 5, ;, 5 3 ; x 3 ± f x = ; y=x-3 as.vert. x=3 ; as.obl. y=x 3 ; y '= x 6 x 3 x 3 ; o o f (x) f '(x) 33. y= x x dom: x ; int., ; as. or. y= ; f x = ; x ± f x = ; as. vert. x= ; y '= x x 4 ; min, 4 ; o f (x) o f '(x) -
15 5 34. y= x x 9 dom: x ±3 ; int., ;, 9 ; f x = ; as. or. y= ; as. vert. x=±3 ; -3 f x = ; f x = ; x 3 ± x 3 ± 3 y '= x x 9 x 9 ; o f (x) f '(x) 3 x x 35. y= x 3 x 4 dom: x 4 e x ; int., ; 3, ; f x = ; as. or. y= ; x 4 ± x ± as. vert. x= 4 e x= ; int. as. or. 8 9, ; -4-8/9 3/ y '= 9 x 6 x x 3 x 4 ; -4 3/ - - o - - o - - f(x) f '(x) 36. y= x x 3 3 x dom:r ; int., ; 3/, ; 3, ;, 9 ; f x = ; y '= 6 x 4 x ; min, 9 ; max 7 3 ; 7 ; y ' '= x 4 ; x fl= 7 6-3/ 3 7/3 7/6 7/6-7/3 3/ o o o f (x) o o f '(x) o f ''(x)
16 6 37. y= x 4 x dom: x ; int. ±, ;, 4 ; x ± f x = ; as.vert. x= ; as.obl. y=x ; y '= x x 4 x ; o o f (x) f '(x) - - y=x- 38. y=4 x 3 x 4 x dom:r ; int. 7/4, ;, ;, ; / y '= x x 4 ; max,9 ; x min = 7 6 ; y ' '=4 x ; x fl = ; - 7/6-7/ o o o f (x) / -7/4 7/6 - o o f '(x) o f ''(x) 39. y= x x 3 dom: x 3 ; int. /, ;,/3 ; f x = ; as. or. y= ; x 3 ± as. vert. x=3 ; /3 3 y '= 5 ; x 3 / o f (x) f '(x) 4. y= 3 x x dom: x ; int. /3, ;, ; as. or. y= 3 ; y '= x ; f x = 3 ; x ± f x = ; as. vert. x= ; / o f (x) f '(x) -3 /3
17 7 4. y= x x 4. y= dom: x ± ; int., ; as. or. y= ; as. vert. x=± ; - x 4 x 4 f x = ; f x = ; f x = ; x ± x ± y ' = x x ; o f (x) dom: x ; int., /4 ; as. or. y= ; y '= x 4 x 4 ; f x = ; x ± f x = ; as. vert. x= ; f (x) f '(x) f '(x) y= x 3 x 5 dom: x /4 e x ; int., /5 ; as. or. y= ; f x = ; f x = ; x /4 ± x ± -/4-3/4 as. vert. x= 4 e x= ; 4 x 3 y '= ; x 3 x 5 max 3 4, 49 8 ; -/ f (x) -3/4 o f '(x) 44. y= x x 3 dom: x ; int., ; f x = ; as. or. y= ; x ± f x = ; as. vert. x= ; x 3 y '= ; max 3 x 4, 4 7 ; 3/ 3/ o f (x) o f '(x)
18 8 45. y= x x dom: x ; int., ; x ± as.vert. x= ; as.obl. y=x ; y '= x x x ; max, 4 ; min, ; - - y=x o f (x) o o f '(x) 46. y=x 4 x dom: x ; as. vert. x= ; as. obl. y=x ; max, 4 ; min, 4 ; x ± y '= x 4 x ; - y=x f (x) o o f '(x) 47. y= x 4 7 x dom: x ± 7 ; int. 4, ;, 4/7 ; f x = ; as.or. y= ; f x = ; x 7 ± x 7 ± as. vert. x=± 7 ; y '= x 8 x 7 7 x ; max 7, 4 ; min, ; o f (x) -7 - o o f '(x)
19 9 48. y= x dom:r ; int., ; as.or. y= ; f (x) f x = ; y '= x ; max, ; x o f '(x) 49. y= x3 x dom: x ; int., ; x ± f x = ; as. vert. x= ; y '= x3 3 x x ; max 3, / f x = ; ; fl.tg. oriz., ; -3/ o f (x) o o f '(x) 5. y= 4 x4 3 x3 dom:r ; int., ; 4 3, ; f x = ; y '=x 3 x ; fl.tg.oriz., ; min, / ; /3 4/3 y ' '=3 x x ; fl. 3, 4 8 ; 4/3 o o f (x) o o f '(x) 5. y= x x 4 dom:r ; int., ; ±, ; f x = ; y '=4 x 4 x 3 ; max ±, ; min, ; y ' '=4 x ; fl ± 3, 5 9 ; - - -/ 3 / o o o f (x) o o o f '(x)
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