Wszystkie zagadnienia: Funkcje i ciągi
podstawowy matura podstawowa z matematykimatura rozszerzona z matematykimonotonicznośćfunkcja rosnącafunkcja malejąca

Monotoniczność funkcji

01

Opis

Monotoniczność funkcji mówi, co dzieje się z wartościami, kiedy argument rośnie: czy wartości też rosną, czy maleją, czy stoją w miejscu. Na wykresie to po prostu kierunek linii czytanej od lewej do prawej – w górę, w dół albo poziomo. Na maturze pytanie brzmi zwykle „w którym przedziale funkcja jest rosnąca?" i odpowiedź jest przedziałem na osi xx, a nie zbiorem wartości.

Funkcja ff jest rosnąca w zbiorze AA, jeżeli dla dowolnych dwóch argumentów x1<x2x_1 < x_2 z tego zbioru zachodzi f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2) – większy argument zawsze daje większą wartość. Funkcja jest malejąca w zbiorze AA, jeżeli dla dowolnych x1<x2x_1 < x_2 z tego zbioru zachodzi f(x1)>f(x2)f(x_1) > f(x_2). Funkcja jest stała w zbiorze AA, jeżeli wszystkie jej wartości w tym zbiorze są równe. Przedziały, w których funkcja jest rosnąca, malejąca albo stała, nazywamy przedziałami monotoniczności.

Wymaganie egzaminacyjne (podstawa programowa, V.4) brzmi: „odczytuje z wykresu funkcji: (…) przedziały monotoniczności". Pojęcia funkcji niemalejącej (f(x1)≤f(x2)f(x_1) \leq f(x_2)) i nierosnącej (f(x1)≥f(x2)f(x_1) \geq f(x_2)) w wymaganiach z funkcji nie występują – spotkasz je w podręcznikach i w tabeli porównawczej niżej, ale zadania pytają o funkcję rosnącą, malejącą lub stałą.

Zasady, na których opiera się całe hasło:

  • Monotoniczność dotyczy zbioru argumentów, nie pojedynczego punktu. Zdanie „funkcja jest rosnąca" bez przedziału znaczy: rosnąca w całej dziedzinie.
  • Definicja mówi o dowolnych dwóch argumentach z przedziału. Kilka sprawdzonych punktów niczego nie dowodzi, ale jedna para x1<x2x_1 < x_2 w „złej" kolejności wystarczy, żeby pokazać, że funkcja rosnąca (albo malejąca) nie jest.
  • Funkcja malejąca w dwóch przedziałach osobno nie musi być malejąca w ich sumie. Klasyczny przykład to f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} – szczegóły w przykładzie 2.
  • Ze wzoru monotoniczność odczytasz od razu w dwóch przypadkach: funkcja liniowa f(x)=ax+bf(x) = ax + b rośnie dla a>0a > 0, maleje dla a<0a < 0 i jest stała dla a=0a = 0 (omawia to hasło funkcja liniowa), a funkcja kwadratowa zmienia monotoniczność w wierzchołku paraboli (hasło wierzchołek paraboli).

Na poziomie rozszerzonym dochodzi wymaganie V.3R: „dowodzi monotoniczności funkcji zadanej wzorem". Wtedy nie wystarczy wykres – bierzesz dwa dowolne argumenty x1<x2x_1 < x_2 z przedziału, liczysz różnicę f(x2)−f(x1)f(x_2) - f(x_1), sprowadzasz ją do postaci iloczynu lub ilorazu i ustalasz jej znak (przykład 3). Drugim narzędziem na rozszerzeniu jest pochodna – omawia ją hasło monotoniczność funkcji a pochodna.

02

Wzory

Funkcja rosnąca w zbiorze A
x1<x2⇒f(x1)<f(x2)x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) < f(x_2)
Dla dowolnych x1,x2∈Ax_1, x_2 \in A. Większy argument – większa wartość.
Funkcja malejąca w zbiorze A
x1<x2⇒f(x1)>f(x2)x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) > f(x_2)
Dla dowolnych x1,x2∈Ax_1, x_2 \in A. Większy argument – mniejsza wartość.
Funkcja stała w zbiorze A
f(x1)=f(x2)f(x_1) = f(x_2)
Dla dowolnych x1,x2∈Ax_1, x_2 \in A – wykres jest poziomym odcinkiem.
Dowód z definicji (rozszerzenie)
x1<x2⇒f(x2)−f(x1)>0x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_2) - f(x_1) > 0
Tak wygląda teza dla funkcji rosnącej; dla malejącej różnica ma być ujemna.
Funkcja liniowa
f(x)=ax+bf(x) = ax + b
a>0a > 0 – rosnąca, a<0a < 0 – malejąca, a=0a = 0 – stała.
Funkcja kwadratowa
p=−b2ap = -\frac{b}{2a}
Dla a>0a > 0 maleje w (−∞,p](-\infty, p] i rośnie w [p,+∞)[p, +\infty), dla a<0a < 0 odwrotnie.
03

Wykres

Funkcja ff określona w przedziale [−4,4][-4, 4] – kolor pokazuje rodzaj monotoniczności, punkty x=−1x = -1 i x=2x = 2 to miejsca, w których się zmienia
xy-5-4-3-2-112345-3-2-112340 (−4, −1) (−1, 2) (2, 2) (4, −2)
rosnąca: f(x)=x+3f(x) = x + 3 w [−4,−1][-4, -1]stała: f(x)=2f(x) = 2 w [−1,2][-1, 2]malejąca: f(x)=−2x+6f(x) = -2x + 6 w [2,4][2, 4]
04

Tabela

Przedziały monotoniczności funkcji z wykresu i sprawdzenie na parze argumentów x1<x2x_1 < x_2
PrzedziałFunkcja jestPara argumentówWartości
[−4,−1][-4, -1]rosnąca−3<−2-3 < -2f(−3)=0<f(−2)=1f(-3) = 0 < f(-2) = 1
[−1,2][-1, 2]stała0<10 < 1f(0)=f(1)=2f(0) = f(1) = 2
[2,4][2, 4]malejąca2,5<32{,}5 < 3f(2,5)=1>f(3)=0f(2{,}5) = 1 > f(3) = 0
[−4,2][-4, 2]ani rosnąca, ani malejąca0<10 < 1f(0)=f(1)f(0) = f(1) – rośnie, potem stoi
05

Przykład

Przykład 1 – przedziały monotoniczności ze wzoru funkcji kwadratowej. Wyznacz przedziały monotoniczności funkcji f(x)=x2−6x+5f(x) = x^2 - 6x + 5.

Wykresem jest parabola o ramionach skierowanych w górę, bo a=1>0a = 1 > 0. Monotoniczność zmienia się w wierzchołku, więc liczymy jego pierwszą współrzędną:

p=−b2a=−−62⋅1=3p = -\frac{b}{2a} = -\frac{-6}{2 \cdot 1} = 3

Parabola o ramionach w górę najpierw opada do wierzchołka, potem się wznosi. Funkcja ff jest więc malejąca w przedziale (−∞,3](-\infty, 3] i rosnąca w przedziale [3,+∞)[3, +\infty). Kontrola na dwóch parach: f(0)=5>f(1)=0f(0) = 5 > f(1) = 0 (lewa strona, maleje) oraz f(3)=−4<f(5)=0f(3) = -4 < f(5) = 0 (prawa strona, rośnie). Liczba 33 należy do obu przedziałów, bo funkcja jest w tym punkcie określona i nie ma skoku.

Przykład 2 – funkcja malejąca w każdym przedziale osobno. Czy funkcja f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} jest malejąca w swojej dziedzinie (−∞,0)∪(0,+∞)(-\infty, 0) \cup (0, +\infty)?

Wykres to hiperbola (hasło proporcjonalność odwrotna). Każda gałąź opada od lewej do prawej, więc funkcja jest malejąca w przedziale (−∞,0)(-\infty, 0) i osobno w przedziale (0,+∞)(0, +\infty). Ale w sumie tych przedziałów – nie. Wystarczy jedna para argumentów:

−1<2,af(−1)=−1<12=f(2)-1 < 2, \quad \text{a} \quad f(-1) = -1 < \frac{1}{2} = f(2)

Większy argument dał większą wartość, a definicja funkcji malejącej wymaga, żeby dla każdej pary było odwrotnie. Poprawna odpowiedź brzmi więc: funkcja jest malejąca w przedziałach (−∞,0)(-\infty, 0) oraz (0,+∞)(0, +\infty) – zapis z dwoma osobnymi przedziałami, bez znaku sumy.

Przykład 3 (poziom rozszerzony) – dowód z definicji. Wykaż, że funkcja f(x)=x−1x+2f(x) = \frac{x - 1}{x + 2} jest rosnąca w przedziale (−∞,−2)(-\infty, -2). (To przykład wpisany wprost do wymagania V.3R w podstawie programowej.)

Niech x1,x2∈(−∞,−2)x_1, x_2 \in (-\infty, -2) oraz x1<x2x_1 < x_2. Liczymy różnicę wartości, sprowadzając ułamki do wspólnego mianownika:

f(x2)−f(x1)=x2−1x2+2−x1−1x1+2=(x2−1)(x1+2)−(x1−1)(x2+2)(x2+2)(x1+2)f(x_2) - f(x_1) = \frac{x_2 - 1}{x_2 + 2} - \frac{x_1 - 1}{x_1 + 2} = \frac{(x_2 - 1)(x_1 + 2) - (x_1 - 1)(x_2 + 2)}{(x_2 + 2)(x_1 + 2)}

Po wymnożeniu w liczniku zostaje x1x2+2x2−x1−2−x1x2−2x1+x2+2=3x2−3x1x_1 x_2 + 2x_2 - x_1 - 2 - x_1 x_2 - 2x_1 + x_2 + 2 = 3x_2 - 3x_1, więc

f(x2)−f(x1)=3(x2−x1)(x2+2)(x1+2)f(x_2) - f(x_1) = \frac{3(x_2 - x_1)}{(x_2 + 2)(x_1 + 2)}

Teraz znak każdego czynnika: x2−x1>0x_2 - x_1 > 0, bo x1<x2x_1 < x_2. Oba argumenty są mniejsze od −2-2, więc x1+2<0x_1 + 2 < 0 i x2+2<0x_2 + 2 < 0, a iloczyn dwóch liczb ujemnych jest dodatni. Licznik dodatni, mianownik dodatni – różnica jest dodatnia, czyli f(x2)>f(x1)f(x_2) > f(x_1). Funkcja jest rosnąca w przedziale (−∞,−2)(-\infty, -2). Kontrola liczbowa: f(−5)=2f(-5) = 2 i f(−3)=4f(-3) = 4, a ze wzoru na różnicę 3⋅2(−1)⋅(−3)=2=4−2\frac{3 \cdot 2}{(-1) \cdot (-3)} = 2 = 4 - 2.

06

Porównanie

PojęciePo angielskuWarunek dla x1<x2x_1 < x_2Przykład
funkcja rosnąca(strictly) increasingf(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2)f(x)=2x−1f(x) = 2x - 1
funkcja malejąca(strictly) decreasingf(x1)>f(x2)f(x_1) > f(x_2)f(x)=−x+4f(x) = -x + 4
funkcja stałaconstantf(x1)=f(x2)f(x_1) = f(x_2)f(x)=3f(x) = 3
funkcja niemalejącanon-decreasingf(x1)≤f(x2)f(x_1) \leq f(x_2)rośnie albo stoi, jak ff z wykresu w [−4,2][-4, 2]
funkcja nierosnącanon-increasingf(x1)≥f(x2)f(x_1) \geq f(x_2)stoi albo maleje, jak ff z wykresu w [−1,4][-1, 4]

W angielskich podręcznikach samo „increasing" bywa używane w znaczeniu „niemalejąca" – dlatego dla ścisłości dopisuje się „strictly". Ciąg też bywa rosnący lub malejący, ale tam porównuje się tylko sąsiednie wyrazy – to temat hasła monotoniczność ciągu.

07

Typowe błędy

Przedział odczytany z osi yy. Pytanie „w jakim przedziale funkcja jest rosnąca" dotyczy argumentów. Dla funkcji z wykresu odpowiedź to [−4,−1][-4, -1], a nie [−1,2][-1, 2] – ten drugi przedział to wartości, które funkcja przyjmuje na tym odcinku. Zawsze rzutuj fragment wykresu w dół, na oś xx.

„Malejąca w całej dziedzinie" dla 1x\frac{1}{x}. Funkcja f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} maleje w (−∞,0)(-\infty, 0) i osobno w (0,+∞)(0, +\infty), ale para f(−1)=−1<f(2)=12f(-1) = -1 < f(2) = \frac{1}{2} pokazuje, że w sumie tych przedziałów malejąca nie jest. Przy funkcji z „dziurą" w dziedzinie podawaj przedziały osobno.

Skok przeoczony na końcu przedziału. Funkcja określona przedziałami może rosnąć na dwóch kawałkach, a w punkcie sklejenia spaść w dół. Wtedy przedział obejmujący ten punkt nie jest przedziałem monotoniczności. Sprawdź wartość w samym punkcie sklejenia, zaznaczoną pełnym kółkiem, a nie tylko kierunek linii (takie zadanie omawia komentarz autora niżej).

Monotoniczność „sprawdzona" na kilku punktach. Dla f(x)=x2f(x) = x^2 mamy f(−2)=4<f(3)=9f(-2) = 4 < f(3) = 9, ale funkcja nie jest rosnąca w [−2,3][-2, 3], bo f(−2)=4>f(0)=0f(-2) = 4 > f(0) = 0. Para punktów może obalić monotoniczność, ale nigdy jej nie dowodzi.

Odwrócony kierunek przy paraboli z a<0a < 0. Parabola o ramionach w dół najpierw się wznosi, a dopiero za wierzchołkiem opada. Funkcja f(x)=−(x−3)2f(x) = -(x - 3)^2 jest więc rosnąca w (−∞,3](-\infty, 3] i malejąca w [3,+∞)[3, +\infty). Szybka kontrola: policz wartość w jednym punkcie po lewej i jednym po prawej stronie wierzchołka.

Konkretne liczby zamiast dowodu (rozszerzenie). Pokazanie, że f(−5)<f(−3)f(-5) < f(-3), nie dowodzi, że funkcja rośnie w całym przedziale. Dowód musi zaczynać się od dowolnych x1<x2x_1 < x_2 z przedziału i kończyć ustaleniem znaku różnicy f(x2)−f(x1)f(x_2) - f(x_1) – z uzasadnieniem znaku każdego czynnika, także mianownika.

08

Sprawdź się

Funkcja jest określona wzorem f(x)=x2−4x+5f(x) = x^2 - 4x + 5. Uzupełnij tabelę wartości.

xxf(x)f(x)
05
1
2
3
45

Funkcja f(x)=x2−4x+5f(x) = x^2 - 4x + 5 jest malejąca w przedziale (−∞,p](-\infty, p] i rosnąca w przedziale [p,+∞)[p, +\infty), gdzie p=p = .

Funkcja f(x)=−3x+7f(x) = -3x + 7 jest .

Funkcja f(x)=5f(x) = 5 jest .

Dla funkcji f(x)=2xf(x) = \frac{2}{x} mamy f(−1)=f(-1) = oraz f(1)=f(1) = . Czy ta funkcja jest malejąca w zbiorze (−∞,0)∪(0,+∞)(-\infty, 0) \cup (0, +\infty)?

Funkcja gg jest określona wzorem g(x)=x+4g(x) = x + 4 dla x∈[−3,−1)x \in [-3, -1) oraz g(x)=x+1g(x) = x + 1 dla x∈[−1,2]x \in [-1, 2]. Wtedy g(−1,5)=g(-1{,}5) = , a g(−1)=g(-1) = . Czy funkcja gg jest rosnąca w przedziale [−3,−1][-3, -1]?

09

Najczęściej zadawane pytania

Czy funkcja może być rosnąca w jednym punkcie?

W szkolnej definicji nie. Monotoniczność porównuje wartości dla par argumentów, więc dotyczy zbioru – najczęściej przedziału. Zdanie „funkcja rośnie w punkcie 2" nie ma sensu; poprawnie mówimy na przykład „funkcja jest rosnąca w przedziale [2,5][2, 5]".

Czy końce przedziałów monotoniczności trzeba domykać?

Jeżeli funkcja jest w danym punkcie określona i nie ma tam skoku, punkt zmiany monotoniczności można dołączyć do obu przedziałów. Funkcja f(x)=x2f(x) = x^2 jest malejąca w (−∞,0](-\infty, 0] i rosnąca w [0,+∞)[0, +\infty), a klucze CKE podają takie przedziały jako domknięte. Jeżeli funkcja w punkcie nie jest określona, jak 1x\frac{1}{x} w zerze, koniec musi być otwarty. Przy skoku trzeba sprawdzić wartość w samym punkcie.

Dlaczego funkcja 1/x nie jest malejąca w całej dziedzinie?

Bo definicja wymaga, żeby dla każdej pary x1<x2x_1 < x_2 z dziedziny zachodziło f(x1)>f(x2)f(x_1) > f(x_2), a para −1<2-1 < 2 daje f(−1)=−1<f(2)=12f(-1) = -1 < f(2) = \frac{1}{2}. Funkcja jest malejąca w przedziale (−∞,0)(-\infty, 0) i osobno w przedziale (0,+∞)(0, +\infty). Te dwa przedziały podaje się oddzielnie, bez łączenia ich znakiem sumy.

Czym różni się funkcja niemalejąca od rosnącej?

Funkcja rosnąca dla większego argumentu daje zawsze większą wartość, a niemalejąca – większą albo równą: f(x1)≤f(x2)f(x_1) \leq f(x_2). Funkcja niemalejąca może więc mieć poziome odcinki, a każda funkcja stała jest jednocześnie niemalejąca i nierosnąca. Wymagania egzaminacyjne z funkcji mówią o przedziałach monotoniczności, a zadania pytają o funkcje rosnące, malejące i stałe.

Jak bez wykresu sprawdzić, czy funkcja liniowa jest rosnąca?

Wystarczy znak współczynnika kierunkowego aa we wzorze f(x)=ax+bf(x) = ax + b: dla a>0a > 0 funkcja jest rosnąca, dla a<0a < 0 malejąca, dla a=0a = 0 stała. Wyraz wolny bb nie ma wpływu na monotoniczność. Gdy aa zależy od parametru, rozwiązujesz nierówność, na przykład m−3>0m - 3 > 0.

Jak wykazać monotoniczność funkcji z definicji?

Weź dowolne x1,x2x_1, x_2 z przedziału, załóż x1<x2x_1 < x_2 i oblicz różnicę f(x2)−f(x1)f(x_2) - f(x_1). Sprowadź ją do postaci iloczynu albo ilorazu, w której znak każdego czynnika wynika z założeń. Różnica dodatnia dla każdej takiej pary oznacza funkcję rosnącą, ujemna – malejącą. To wymaganie poziomu rozszerzonego (V.3R).

Czy w dowodzie monotoniczności można użyć pochodnej?

W przykładowym zadaniu z Informatora CKE dla poziomu rozszerzonego (zadanie 7) rozwiązanie pochodną było punktowane tak samo jak dowód z definicji: dodatnia pochodna w całym przedziale oznacza funkcję rosnącą. Metodę omawia hasło monotoniczność funkcji a pochodna. Jeżeli polecenie wyraźnie każe skorzystać z definicji, trzeba liczyć różnicę f(x2)−f(x1)f(x_2) - f(x_1).

↗

Powiązane zagadnienia