Уравнение асимптот графика функции y arctg x

Будут и задачи для самостоятельного решения, к которым можно посмотреть ответы.

Понятие асимптоты

Если предварительно построить асимптоты кривой, то многих случаях построение графика функции облегчается.

Судьба асимптоты полна трагизма. Представьте себе, каково это: всю жизнь двигаться по прямой к заветной цели, подойти к ней максимально близко, но так и не достигнуть её. Например, стремиться соединить свой жизненный путь с путём желанного человека, в какой-то момент приблизиться к нему почти вплотную, но даже не коснуться его. Или стремиться заработать миллиард, но до достижения этой цели и записи в книгу рекордов Гиннеса для своего случая не достаёт сотых долей цента. И тому подобное. Так и с асимптотой: она постоянно стремится достигнуть кривой графика функции, приближается к нему на минимальное возможное расстояние, но так и не касается его.

Определение 1. Асимптотами называются такие прямые, к которым сколь угодно близко приближается график функции, когда переменная стремится к плюс бесконечности или к минус бесконечности.

Определение 2. Прямая называется асимптотой графика функции, если расстояние от переменной точки М графика функции до этой прямой стремится к нулю при неограниченном удалении точки М от начала координат по какой-либо ветви графика функции.

Различают три вида асимптот: вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Вертикальные асимптоты

Первое, что нужно узнать о вертикальных асимптотах: они параллельны оси Oy .

Определение. Прямая x = a является вертикальной асимптотой графика функции, если точка x = a является точкой разрыва второго рода для этой функции.

Из определения следует, что прямая x = a является вертикальной асимптотой графика функции f(x) , если выполняется хотя бы одно из условий:

• (предел функции при значении аргумента, стремящимся к некоторому значению a слева, равен плюс или минус бесконечности)
• (предел функции при значении аргумента, стремящимся к некоторому значению a справа, равен плюс или минус бесконечности).

• символом обозначается стремление x к a справа, причём x остаётся больше a;
• символом обозначается стремление x к a слева, причём x остаётся меньше a.

Из сказанного следует, что вертикальные асимптоты графика функции можно искать не только в точках разрыва, но и на границах области определения. График функции, непрерывной на всей числовой прямой, вертикальных асимптот не имеет.

Пример 1. График функции y=lnx имеет вертикальную асимптоту x = 0 (т.е. совпадающую с осью Oy ) на границе области определения, так как предел функции при стремлении икса к нулю справа равен минус бесконечности:

Найти асимптоты графика функции самостоятельно, а затем посмотреть решения

Пример 2. Найти асимптоты графика функции .

Пример 3. Найти асимптоты графика функции

Пример 4. Найти асимптоты график функции .

Горизонтальные асимптоты

Первое, что нужно узнать о горизонтальных асимптотах: они параллельны оси Ox .

Если (предел функции при стремлении аргумента к плюс или минус бесконечности равен некоторому значению b), то y = b – горизонтальная асимптота кривой y = f(x ) (правая при иксе, стремящимся к плюс бесконечности, левая при иксе, стремящимся к минус бесконечности, и двусторонняя, если пределы при стремлении икса к плюс или минус бесконечности равны).

Пример 5. График функции

при a > 1 имеет левую горизонтальную асимпототу y = 0 (т.е. совпадающую с осью Ox ), так как предел функции при стремлении «икса» к минус бесконечности равен нулю:

Правой горизонтальной асимптоты у кривой нет, поскольку предел функции при стремлении «икса» к плюс бесконечности равен бесконечности:

Наклонные асимптоты

Вертикальные и горизонтальные асимптоты, которые мы рассмотрели выше, параллельны осям координат, поэтому для их построения нам требовалось лишь определённое число — точка на оси абсцисс или ординат, через которую проходит асимптота. Для наклонной асимптоты необходимо больше — угловой коэффициент k, который показывает угол наклона прямой, и свободный член b, который показывает, насколько прямая находится выше или ниже начала координат. Не успевшие забыть аналитическую геометрию, а из неё — уравнения прямой, заметят, что для наклонной асимптоты находят уравнение прямой с угловым коэффициентом. Существование наклонной асимптоты определяется следующей теоремой, на основании которой и находят названные только что коэффициенты.

Теорема. Для того, чтобы кривая y = f(x) имела асимптоту y = kx + b , необходимо и достаточно, чтобы существовали конечные пределы k и b рассматриваемой функции при стремлении переменной x к плюс бесконечности и минус бесконечности:

(1)

(2)

Найденные таким образом числа k и b и являются коэффициентами наклонной асимптоты.

В первом случае (при стремлении икса к плюс бесконечности) получается правая наклонная асимптота, во втором (при стремлении икса к минус бесконечности) – левая. Правая наклонная асимптота изображена на рис. снизу.

При нахождении уравнения наклонной асимптоты необходимо учитывать стремление икса и к плюс бесконечности, и к минус бесконечности. У некоторых функций, например, у дробно-рациональных, эти пределы совпадают, однако у многих функций эти пределы различны а также может существовать только один из них.

При совпадении пределов при иксе, стремящемся к плюс бесконечности и к минус бесконечности прямая y = kx + b является двусторонней асимптотой кривой.

Если хотя бы один из пределов, определяющих асимптоту y = kx + b , не существует, то график функции не имеет наклонной асимптоты (но может иметь вертикальную).

Нетрудно видеть, что горизонтальная асимптота y = b является частным случаем наклонной y = kx + b при k = 0 .

Поэтому если в каком-либо направлении кривая имеет горизонтальную асимптоту, то в этом направлении нет наклонной, и наоборот.

Пример 6. Найти асимптоты графика функции

Решение. Функция определена на всей числовой прямой, кроме x = 0 , т.е.

Поэтому в точке разрыва x = 0 кривая может иметь вертикальную асимптоту. Действительно, предел функции при стремлении икса к нулю слева равен плюс бесконечности:

Следовательно, x = 0 – вертикальная асимптота графика данной функции.

Горизонтальной асимптоты график данной функции не имеет, так как предел функции при стремлении икса к плюс бесконечности равен плюс бесконечности:

Выясним наличие наклонной асимптоты:

Получили конечные пределы k = 2 и b = 0 . Прямая y = 2x является двусторонней наклонной асимптотой графика данной функции (рис. внутри примера).

Пример 7. Найти асимптоты графика функции

Решение. Функция имеет одну точку разрыва x = −1 . Вычислим односторонние пределы и определим вид разрыва:

,

.

Заключение: x = −1 — точка разрыва второго рода, поэтому прямая x = −1 является вертикальной асимптотой графика данной функции.

Ищем наклонные асимптоты. Так как данная функция — дробно-рациональная, пределы при и при будут совпадать. Таким образом, находим коэффициенты для подстановки в уравнение прямой — наклонной асимптоты:

Подставляя найденные коэффициенты в уравнение прямой с угловым коэффициентом, получаем уравнение наклонной асимптоты:

На рисунке график функции обозначен бордовым цветом, а асимптоты — чёрным.

Пример 8. Найти асимптоты графика функции

.

Решение. Так как данная функция непрерывна, её график не имеет вертикальных асимптот. Ищем наклонные асимптоты:

.

Таким образом, график данной функции имеет асимптоту y = 0 при и не имеет асиптоты при .

Пример 9. Найти асимптоты графика функции

.

Решение. Сначала ищем вертикальные асимптоты. Для этого найдём область определения функции. Функция определена, когда выполняется неравенство и при этом . Знак переменной x совпадает со знаком . Поэтому рассмотрим эквивалентное неравенство . Из этого получаем область определения функции: . Вертикальная асимптота может быть только на границе области определения функции. Но x = 0 не может быть вертикальной асимптотой, так как функция определена при x = 0 .

Рассмотрим правосторонний предел при (левосторонний предел не существует):

.

Точка x = 2 — точка разрыва второго рода, поэтому прямая x = 2 — вертикальная асимптота графика данной функции.

Ищем наклонные асимптоты:

Итак, y = x + 1 — наклонная асимптота графика данной функции при . Ищем наклонную асимптоту при :

Итак, y = −x − 1 — наклонная асимптота при .

Пример 10. Найти асимптоты графика функции

Решение. Функция имеет область определения . Так как вертикальная асимптота графика этой функции может быть только на границе области определения, найдём односторонние пределы функции при :

,

.

Оба предела нашли, используя первый замечательный предел. Заключение: x = 0 — точка устранимого разрыва, поэтому у графика функции нет вертикальных асимптот.

Ищем наклонные асимптоты:

Таким образом, при наклонной асимптотой графика данной функции является прямая y = x . Но при найденные пределы не изменяются. Поэтому при наклонной асимптотой графика данной функции также является y = x .

Пример 11. Найти асимптоты графика функции

.

Решение. Сначала найдём вертикальные асимптоты. Для этого найдём точки разрыва функции и их виды. Знаменатель не может быть равным нулю, поэтому должно соблюдаться условие . Функция имеет две точки разрыва: , . Чтобы установить вид разрыва, найдём односторонние пределы:

Так как все пределы равны бесконечности, обе точки разрыва — второго рода. Поэтому график данной функции имеет две вертикальные асимптоты: x = 2 и x = −2 .

Ищем наклонные асимптоты. Так как данная функция является дробно-рациональной, пределы при и при совпадают. Поэтому, определяя коэффициенты прямой, ищем просто пределы:

Подставляем найденные коэффициенты в уравнение прямой с угловым коэффициентом, получаем уравнение наклонной асимптоты y = 2x . Таким образом, график данной функции имеет три асимптоты: x = 2 , x = −2 и y = 2x .

Найти асимптоты графика функции самостоятельно, а затем посмотреть решения

Пример 12. Найти асимптоты графика функции .

Пример 13. Найти асимптоты графика функции .

Асимптоты

Вертикальная асимптота.

Если выполнено хотя бы одно из условий
$$
lim_<xrightarrow x_-0>f(x)=infty,qquadlim_<xrightarrow x_+0>f(x)=infty,nonumber
$$
то прямую (x=x_) называют вертикальной асимптотой графика функции (y=f(x)).

Например, прямая (x=0) — вертикальная асимптота графиков функций (y=displaystyle frac), (y=operatornamex^2), (y=displaystyle frac<x^>), (y=operatornamex), прямая (x=-1) — вертикальная асимптота графика функции (y=displaystyle frac), прямые (x=displaystyle frac +pi k (kin mathbb)) — вертикальные асимптоты графика функции (y=operatornamex).

Функции и их асимптоты

Асимптота	Функция	График функции
(x=0)	(y=displaystyle frac)
	(y=operatornamex^2)
	(y=displaystyle frac<x^>)
	(y=operatornamex)
(x=-1)	(y=displaystyle frac)

Асимптота (невертикальная асимптота).

Прямую
$$
y=kx+bnonumber
$$
называют асимптотой (невертикальной асимптотой) графика функции (y=f(x)) при ( xrightarrow+infty), если
$$
lim_(f(x)-(kx+b))=0.label
$$
Если (kneq 0), то асимптоту называют наклонной, а если (k=0), то асимптоту (y=b) называют горизонтальной.

Аналогично вводится понятие асимптоты при (xrightarrow-infty).

Например, прямая (y=0) — горизонтальная асимптота графиков функции (y=displaystyle frac), (y=displaystyle frac<x^>) при (xrightarrow +infty) и (xrightarrow -infty), графика функции (y=a^x, a > 1)), при (xrightarrow -infty). Прямая (y=1) — асимптота графиков функций (y=e^), (y=operatorname

x) и (y=operatornamex) (см.график ниже) при (xrightarrow +infty); прямая (y=displaystyle frac) — асимптота графика функции (y=operatornamex) при (xrightarrow +infty) (см.график ниже), а прямая (y=pi) — асимптота графика функции (y=operatornamex) при (xrightarrow -infty).

Функции и их асимптоты

Асимптота	Функция	График функции
(y=1)	(y=e^)
	(y=operatorname	x)
	(y=operatornamex)
(y=displaystyle frac)	(y=operatornamex)
(y=pi)	(y=operatornamex)

Найти асимптоту при (xrightarrow+infty) и (xrightarrow-infty) графика функции:

1. (triangle) Так как (y=-2+displaystyle frac), то прямая (y=-2) — асимптота графика (y=displaystyle frac) (рис. 9.4) при (xrightarrow+infty) и (xrightarrow-infty).
   (y=displaystyle frac)
2. Разделив числитель (x^) на знаменатель ((x+1)^2) по правилу деления многочленов (можно воспользоваться равенством (x^=((x+1)-1)^=(x+1)^-3(x+1)^+3(x+1)-1)), получим
   $$
   frac<x^><(x+1)^>=x-2+frac<(x+1)^>.label
   $$
   Отсюда следует, что асимптотой графика функции (y=displaystyle frac<x^><(x+1)^>) при (xrightarrow+infty) и (xrightarrow-infty) является прямая (y=x-2).
3. Используя равенство (y=displaystyle sqrt[3]<x^+x^>=xleft(1+fracright)^) и локальную формулу Тейлора, получаем (y=xleft(1+displaystyle frac+oleft(fracright)right)=x+frac+o(1)) при (xrightarrow 0), откуда следует, что прямая (y=x+displaystyle frac) — асимптота графика функции (y=sqrt[3]) при (xrightarrow+infty) и (xrightarrow-infty).
4. Применяя формулу Тейлора для экспоненты, получаем (y=left(x-displaystyle fracright)left(1-frac+oleft(fracright)right)=x-frac+o(1)) при (xrightarrow infty), откуда следует, что (y=x-displaystyle frac) — асимптота графика данной функции при (xrightarrow+infty) и (xrightarrow-infty). (blacktriangle)

Для того, чтобы прямая (y=kx+b) была асимптотой графика функции (y=f(x)) при ( xrightarrow+infty), необходимо и достаточно, чтобы существовали конечные пределы
$$
lim_frac=k,label
$$
$$
displaystyle lim_(f(x)-kx)=b.label
$$

(circ) Необходимость. Если прямая (y=kx+b) — асимптота графика функции (y=f(x)) при (xrightarrow+infty), то выполняется условие eqref или равносильное ему условие
$$
f(x)=kx+b+alpha(x),quad alpha(x)rightarrow 0 quad при quad xrightarrow +infty.label
$$
Разделив обе части равенства eqref на (x), получим
$$
frac=k+frac+frac,nonumber
$$
откуда следует, что существует предел eqref.

Из равенства eqref получаем
$$
f(x)-kx=b++alpha(x), где alpha(x)rightarrow 0 при xrightarrow+infty,nonumber
$$
откуда следует, что существует предел eqref.

Достаточность. Если существуют конечные пределы eqref и eqref, то (f(x)-(kx+b)=alpha(x)), где (alpha(x)rightarrow 0) при (xrightarrow+infty), то есть выполняется условие eqref. Это означает, что прямая (y=kx+b) — асимптота графика функции (y=f(x)) . (bullet)

Для случая горизонтальной асимптоты данная теорема формулируется в следующем виде: для того, чтобы прямая (y=b) была асимптотой графика функции (y=f(x)) при (xrightarrow+infty), необходимо и достаточно, чтобы (displaystyle lim_f(x)=b).

Асимптоты

п.1. Понятие асимптоты

Различают вертикальные, горизонтальные и наклонные асимптоты.
Например:

Вертикальная асимптота x=3	Горизонтальная асимптота y=1
Наклонная асимптота y=x

п.2. Вертикальная асимптота

Таким образом, практически каждой точке разрыва 2-го рода (см. §40 данного справочника) соответствует вертикальная асимптота.
Вертикальных асимптот может быть сколько угодно, в том числе, бесконечное множество (например, как у тангенса – см. §6 данного справочника).

Например:
Исследуем непрерывность функции (y=frac)
ОДЗ: (xne left)
(leftnotin D) — точки не входят в ОДЗ, подозрительные на разрыв.
Исследуем (x_0=-3). Найдем односторонние пределы: begin lim_frac=frac=frac=+infty\ lim_frac=frac=frac=-infty end Односторонние пределы не равны и бесконечны.
Точка (x_0=-3) — точка разрыва 2-го рода.
Исследуем (x_1=1). Найдем односторонние пределы: begin lim_frac=frac=frac=-infty\ lim_frac=frac=frac=+infty end Односторонние пределы не равны и бесконечны.
Точка (x_1=1) — точка разрыва 2-го рода.
Вывод: у функции (y=frac) две точки разрыва 2-го рода (left), соответственно – две вертикальные асимптоты с уравнениями (x=-3) и (x=1).

п.3. Горизонтальная асимптота

Число горизонтальных асимптот не может быть больше двух.

Например:
Исследуем наличие горизонтальных асимптот у функции (y=frac)
Ищем предел функции на минус бесконечности: begin lim_frac=frac=+0 end На минус бесконечности функция имеет конечный предел (b=0) и стремится к нему сверху (о чем свидетельствует символическая запись +0).
Ищем предел функции на плюс бесконечности: begin lim_frac=frac=+0 end На плюс бесконечности функция имеет тот же конечный предел (b=0) и также стремится к нему сверху.
Вывод: у функции (y=frac) одна горизонтальная асимптота (y=0). На плюс и минус бесконечности функция стремится к асимптоте сверху.

Итоговый график асимптотического поведения функции (y=frac):

п.4. Наклонная асимптота

Число наклонных асимптот не может быть больше двух.

Чтобы построить график асимптотического поведения, заметим, что у функции (y=frac), очевидно, есть вертикальная асимптота x=1. При этом: begin lim_frac=-infty, lim_frac=+infty end

График асимптотического поведения функции (y=frac):

п.5. Алгоритм исследования асимптотического поведения функции

На входе: функция (y=f(x))
Шаг 1. Поиск вертикальных асимптот
Исследовать функцию на непрерывность. Если обнаружены точки разрыва 2-го рода, у которых хотя бы один односторонний предел существует и бесконечен, сопоставить каждой такой точке вертикальную асимптоту. Если таких точек не обнаружено, вертикальных асимптот нет.
Шаг 2. Поиск горизонтальных асимптот
Найти пределы функции на плюс и минус бесконечности. Каждому конечному пределу сопоставить горизонтальную асимптоту. Если оба предела конечны и равны, у функции одна горизонтальная асимптота. Если оба предела бесконечны, горизонтальных асимптот нет.
Шаг 3. Поиск наклонных асимптот
Найти пределы отношения функции к аргументу на плюс и минус бесконечности.
Каждому конечному пределу k сопоставить наклонную асимптоту, найти b. Если только один предел конечен, у функции одна наклонная асимптота. Если оба значения k конечны и равны, и оба значения b равны, у функции одна наклонная асимптота. Если оба предела для k бесконечны, наклонных асимптот нет .
На выходе: множество всех асимптот данной функции.

п.6. Примеры

Пример 1. Исследовать асимптотическое поведение функции и построить схематический график:
a) ( y=frac )
1) Вертикальные асимптоты
Точки, подозрительные на разрыв: (x=pm 1)
Односторонние пределы в точке (x=-1) begin lim_frac=frac=frac=-infty\ lim_frac=frac=frac=+infty end Точка (x=-1) — точка разрыва 2-го рода
Односторонние пределы в точке (x=1) begin lim_frac=frac=frac=-infty\ lim_frac=frac=frac=+infty end Точка (x=1) — точка разрыва 2-го рода
Функция имеет две вертикальные асимптоты (x=pm 1)

График асимптотического поведения функции (y=frac)

2) Горизонтальные асимптоты
Пределы функции на бесконечности: begin b_1=lim_e^<frac>=e^0=1\ b_2=lim_e^<frac>=e^0=1\ b=b_1=b_2=1 end Функция имеет одну горизонтальную асимптоту (y=1). Функция стремится к этой асимптоте на минус и плюс бесконечности.

График асимптотического поведения функции (y=e^<frac>)

в) ( y=frac )
Заметим, что ( frac=frac=frac=frac ) $$ y=fracLeftrightarrow begin y=frac\ xne -1 end $$ График исходной функции совпадает с графиком функции (y=frac), из которого необходимо выколоть точку c абсциссой (x=-1).

3) Наклонные асимптоты
Ищем угловые коэффициенты: begin k_1=lim_frac=left[fracright]=lim_frac<x^2left(1+fracright)>=frac=1\ k_2=lim_frac=left[fracright]=lim_frac<x^2left(1+fracright)>=frac=1\ k=k_1=k_2=1 end У функции есть одна наклонная асимптота с (k=1).
Ищем свободный член: begin b=lim_(y-kx)= lim_left(frac-2right)= lim_frac= lim_frac=left[fracright]=\ =lim_frac=frac=1 end Функция имеет одну наклонную асимптоту (y=x+1).
График асимптотического поведения функции (y=frac)

2) Горизонтальные асимптоты
Пределы функции на бесконечности: begin b_1=lim_xe^<frac>=-inftycdot e^0=-infty\ b_2=lim_xe^<frac>=+inftycdot e^0=+infty end Оба предела бесконечны.
Функция не имеет горизонтальных асимптот.

График асимптотического поведения функции (y=xe^<frac>)

📹 Видео