Zastosowanie wiadomości o funkcji homograficznej w zadaniach

1. Jak udowodnić, że funkcja jest rosnąca lub malejąca?

Gdy rośnie argument x, obserwujemy, co dzieje się z wynikiem f(x). Funkcja rosnąca daje większy wynik dla większego argumentu. W dowodzie musimy to sprawdzić nie tylko dla kilku wybranych liczb, ale dla dowolnych dwóch argumentów z podanego przedziału.

Co oznaczają x₁ i x₂? To dwie dowolne liczby z badanego przedziału. Przyjmujemy x₁ < x₂, czyli x₁ leży bardziej na lewo od x₂. Jeśli wykażemy, że f(x₁) < f(x₂), funkcja jest rosnąca. Liczb nie podstawiamy na stałe, ponieważ dowód musi działać dla każdej pary.

Przykład. Wykaż, że funkcja f(x) = 2x − 1x + 3 jest rosnąca dla x ∈ (−∞, −3).

Najpierw zobaczmy sens oznaczeń na wykresie:

-9-8-7-6-5-4-302468P₁ = (x₁; f(x₁))P₂ = (x₂; f(x₂))

Tu tylko dla zobrazowania bierzemy x₁ = −7 i x₂ = −5. Punkt P₂ leży bardziej na prawo i wyżej. W dowodzie x₁ i x₂ pozostają dowolnymi liczbami z przedziału.

Krok 1. Wybieramy dowolne x₁, x₂ ∈ (−∞, −3) i zakładamy x₁ < x₂.

Krok 2. Liczymy f(x₂) − f(x₁). Jeśli wynik jest dodatni, to f(x₂) > f(x₁).

f(x₂) − f(x₁) = 2x₂ − 1x₂ + 3 − 2x₁ − 1x₁ + 3
= (2x₂ − 1)(x₁ + 3) − (2x₁ − 1)(x₂ + 3)(x₁ + 3)(x₂ + 3)
= 7(x₂ − x₁)(x₁ + 3)(x₂ + 3)

Krok 3. Ponieważ x₁ < x₂, to x₂ − x₁ > 0; licznik 7(x₂ − x₁) jest dodatni. Obie liczby x₁ i x₂ są mniejsze od −3, więc x₁ + 3 < 0 i x₂ + 3 < 0. Ich iloczyn w mianowniku jest dodatni.

Wniosek: cały ułamek jest dodatni, więc f(x₂) − f(x₁) > 0, czyli f(x₂) > f(x₁). Funkcja jest rosnąca.

2. Jak wyznaczyć y z równania dwóch zmiennych?

Chcemy zapisać równanie w postaci y = f(x). Pilnujemy pierwotnych mianowników oraz sprawdzamy, przez co dzielimy w trakcie przekształceń. Z tych ograniczeń może wynikać brak punktu na wykresie.

Przykład. Wyznacz y z równania 1x + 3 + 1y − 2 = 1.

Krok 1. Zapisujemy założenia z równania wyjściowego: x ≠ −3 i y ≠ 2.

Krok 2. Przenosimy pierwszy ułamek na prawą stronę i sprowadzamy do wspólnego mianownika:

1y − 2 = 1 − 1x + 3
1y − 2 = x + 2x + 3

Krok 3. Chcemy wyliczyć y, więc mnożymy na krzyż:

x + 3 = (y − 2)(x + 2)

Uwaga! Teraz będziemy dzielić przez x + 2. Nie wolno dzielić przez zero, więc przyjmujemy x + 2 ≠ 0, czyli x ≠ −2.

(y − 2)(x + 2)x + 2 = x + 3x + 2
y − 2 = x + 3x + 2
y = x + 3x + 2 + 2
y = (x + 2) + 1x + 2 + 2
y = 3 + 1x + 2

Odpowiedź: y = 3 + 1/(x + 2), przy x ≠ −3, −2. Wykres to hiperbola z asymptotami x = −2, y = 3 i z usuniętym punktem (−3; 2), bo x = −3 było zabronione od początku.

3. Jak rozwiązać nierówność, porównując wykresy?

Gdy nierówność porównuje dwie funkcje, rysujemy je w jednym układzie. Tam, gdzie wykres lewej strony jest wyżej niż wykres prawej (albo na tej samej wysokości), nierówność „≥” jest spełniona.

Przykład. Rozwiąż graficznie −2x − 3 ≥ |x − 2|.

Krok 1. Dziedzina: x ≠ 3. Rysujemy f(x) = −2/(x − 3) oraz g(x) = |x − 2|.

-3-2-101234567-20246(1; 1)

Niebieska hiperbola leży nad zielonym V dla 1 ≤ x < 3.

Krok 2. Wykresy przecinają się w punkcie (1; 1). Niebieski wykres zaczyna być wyżej od zielonego dla x > 1 aż do asymptoty x = 3.

Krok 3. Punkt x = 1 uwzględniamy, bo mamy ≥. Liczbę x = 3 wykluczamy z dziedziny.

Odpowiedź: x ∈ [1, 3).

4. Moduł funkcji i liczba rozwiązań

Wartość bezwzględna zmienia ujemne wysokości wykresu na dodatnie. Pytanie „ile rozwiązań?” oznacza: ile razy pozioma prosta przecina wykres? Jedno przecięcie to jedno rozwiązanie.

Przykład. Dla jakich wartości parametru k równanie |3x + 1 + 3| = k4 ma: a) dwa różne rozwiązania; b) dwa różne rozwiązania ujemne?

Krok 1. Co przedstawia równanie? Rysujemy niebieski wykres funkcji f(x) = |3/(x + 1) + 3| (dla x ≠ −1). Prawa strona, czyli k/4, to pozioma linia. Każde jej przecięcie z niebieskim wykresem oznacza jedno rozwiązanie.

-7-5-3-2-10246023679y = 2y = 3y = 6y = 7f(x) = |3/(x+1)+3|

Linie na różnych wysokościach pokazują, jak zmienia się liczba przecięć. Brązowa linia y = 3 jest wyjątkiem: na tym poziomie jest tylko jedno przecięcie.

Krok 2. Kiedy mamy dwa rozwiązania? Gdy linia jest ponad osią OX, czyli k/4 > 0, zazwyczaj przecina wykres dwa razy. Jedyny wyjątek to k/4 = 3: wykres po prawej stronie zbliża się do poziomu 3, lecz go nie osiąga. Pozostaje wtedy tylko jedno przecięcie.

0 < k4 < 3   lub   k4 > 3
/ · 4
0 < k < 12   lub   k > 12

Odpowiedź a): k ∈ (0, 12) ∪ (12, +∞).

Krok 3. A kiedy oba rozwiązania są ujemne? Patrzymy, czy oba przecięcia leżą po lewej stronie osi OY (czyli czy oba x są mniejsze od zera). Dla wysokości pomiędzy 0 i 3 – tak. Na wysokości 6 jedno z przecięć jest na osi OY (x = 0), a dopiero powyżej 6 oba są z lewej strony.

0 < k4 < 3   lub   k4 > 6
/ · 4
0 < k < 12   lub   k > 24

Odpowiedź b): k ∈ (0, 12) ∪ (24, +∞).

Ważne: „dwa rozwiązania” i „dwa rozwiązania ujemne” to dwa różne pytania — dlatego pojawiają się dwa różne wyniki.

5. Zadania do samodzielnego rozwiązania

Spróbuj najpierw samodzielnie. Rozwijaj rozwiązanie dopiero po próbie — każdy etap został wyjaśniony.

Zadanie 1. Wykaż, że f(x) = x − 1x + 3 jest rosnąca w (−∞, −3).

Pokaż rozwiązanie krok po kroku

Krok 1. Wybieramy dowolne x₁ < x₂ z (−∞, −3).

Krok 2. Liczymy różnicę wartości:

f(x₂) − f(x₁) = x₂ − 1x₂ + 3 − x₁ − 1x₁ + 3
= 4(x₂ − x₁)(x₁ + 3)(x₂ + 3)

Krok 3. Z x₁ < x₂ wynika x₂ − x₁ > 0, dlatego licznik jest dodatni. Oba czynniki mianownika są ujemne, bo x₁ < −3 i x₂ < −3. Iloczyn dwóch ujemnych jest dodatni.

Stąd f(x₂) − f(x₁) > 0, czyli f(x₂) > f(x₁). Funkcja jest rosnąca.

Zadanie 2.. Wyznacz y z równania 5x + 1y − 3 = 1 i podaj dziedzinę otrzymanej funkcji.

Pokaż rozwiązanie krok po kroku

Krok 1. Wyjściowe mianowniki nie mogą być zerem: x ≠ 0 i y ≠ 3.

Krok 2. Przenosimy ułamek i sprowadzamy do wspólnego mianownika:

1y − 3 = 1 − 5x
1y − 3 = x − 5x

Krok 3. Mnożymy na krzyż:

x = (y − 3)(x − 5)

Krok 4. Chcemy podzielić przez x − 5. Nie wolno dzielić przez zero! Zatem x − 5 ≠ 0, czyli x ≠ 5.

(y − 3)(x − 5)x − 5 = xx − 5
y − 3 = xx − 5
y = xx − 5 + 3
y = (x − 5) + 5x − 5 + 3
y = 4 + 5x − 5

Odpowiedź: y = 4 + 5/(x − 5), przy x ≠ 0 oraz x ≠ 5. Wykres tej funkcji ma usunięty punkt dla x = 0 (wtedy y = 3).

Zadanie 3. Rozwiąż graficznie −2x − 3 ≥ |x − 2|.

Pokaż rozwiązanie krok po kroku

Krok 1. Dziedzina: x ≠ 3.

Krok 2. Porównujemy oba wykresy:

-3-2-101234567-20246(1; 1)

Niebieska hiperbola leży nad zielonym V dla 1 ≤ x < 3.

Krok 3. W punkcie (1; 1) wykresy się spotykają. Dla 1 ≤ x < 3 niebieska hiperbola jest na zielonym wykresie lub nad nim.

Odpowiedź: x ∈ [1, 3).

Zadanie 4. Wyznacz wszystkie punkty o obu współrzędnych całkowitych, należące do wykresu funkcji f(x) = 2x − 1.

Pokaż rozwiązanie krok po kroku

Krok 1. Dziedzina: x ≠ 0. Obie współrzędne mają być całkowite, więc x jest liczbą całkowitą, a wartość f(x) także ma być całkowita.

Krok 2. Ponieważ odejmujemy 1, liczba 2x również musi być całkowita. To możliwe wtedy, gdy x jest całkowitym dzielnikiem liczby 2.

x ∈ {−2, −1, 1, 2}

Krok 3. Podstawiamy po kolei:

f(−2) = 2/(−2) − 1 = −2
f(−1) = 2/(−1) − 1 = −3
f(1) = 2/1 − 1 = 1
f(2) = 2/2 − 1 = 0

Odpowiedź: (−2, −2), (−1, −3), (1, 1), (2, 0).

Zadanie 5. Dana jest h(x) = x³ + 2x² − 9x + 6kx + 3k i h(1) = 3. a) Oblicz k; b) podaj miejsca zerowe; c) wyznacz, dla jakich x zachodzi h(x) ≥ 0.

Pokaż rozwiązanie krok po kroku

Krok 1. Podstawiamy x = 1 oraz h(1) = 3. Zapisujemy L = P:

L = 3
P = 1 + 2 − 9 + 6k1 + 3k = 6k − 61 + 3k
3 = 6k − 61 + 3k / · (1 + 3k)
3 + 9k = 6k − 6 / −6k − 3
3k = −9 / : 3
k = −3

Założenie 1 + 3k ≠ 0 jest spełnione dla k = −3.

Krok 2. Podstawiamy k = −3 i rozkładamy licznik na czynniki:

h(x) = x³ + 2x² − 9x − 18x − 9
= x²(x + 2) − 9(x + 2)x − 9
= (x + 2)(x − 3)(x + 3)x − 9

Dziedzina: x ≠ 9. Miejsca zerowe: x = −3, −2, 3.

Krok 3. Badamy znak iloczynu na przedziałach wyznaczonych przez −3, −2, 3 i 9. W punkcie 9 mianownik jest zerem — ten punkt wykluczamy.

Przedział(−∞, −3)(−3, −2)(−2, 3)(3, 9)(9, +∞)
Znak h(x)+−+−+

Odpowiedź: k = −3; miejsca zerowe: −3, −2, 3; h(x) ≥ 0 dla x ∈ (−∞, −3] ∪ [−2, 3] ∪ (9, +∞).

Zapamiętaj! Jaką metodę wybrać?

Najpierw przeczytaj polecenie i ustal, czego masz szukać.

Rodzaj poleceniaCo robić?
Wykaż monotonicznośćWeź x₁ < x₂, oblicz f(x₂) − f(x₁) i sprawdź znak.
Wyznacz yPrzekształć równanie, pilnując mianowników i dziedziny.
Rozwiąż graficznieNarysuj wykresy i porównaj ich położenie.
Ustal liczbę rozwiązańPolicz przecięcia z prostą poziomą.

Ważne: zamiast zapamiętywać gotowe wyniki, ucz się rozpoznawać metodę.

Chcesz przerobić ten temat na spokojnie?

Umów bezpłatną lekcję próbną — wytłumaczę Ci wszystko krok po kroku.

Umów lekcję próbną