Monotoniczność funkcji
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 , a nie zbiorem wartości.
Funkcja jest rosnąca w zbiorze , jeżeli dla dowolnych dwóch argumentów z tego zbioru zachodzi – większy argument zawsze daje większą wartość. Funkcja jest malejąca w zbiorze , jeżeli dla dowolnych z tego zbioru zachodzi . Funkcja jest stała w zbiorze , 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 () i nierosnącej () 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 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 – szczegóły w przykładzie 2.
- Ze wzoru monotoniczność odczytasz od razu w dwóch przypadkach: funkcja liniowa rośnie dla , maleje dla i jest stała dla (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 z przedziału, liczysz różnicę , 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.
Wzory
Wykres
Tabela
| Przedział | Funkcja jest | Para argumentów | Wartości |
|---|---|---|---|
| rosnąca | |||
| stała | |||
| malejąca | |||
| ani rosnąca, ani malejąca | – rośnie, potem stoi |
Przykład
Przykład 1 – przedziały monotoniczności ze wzoru funkcji kwadratowej. Wyznacz przedziały monotoniczności funkcji .
Wykresem jest parabola o ramionach skierowanych w górę, bo . Monotoniczność zmienia się w wierzchołku, więc liczymy jego pierwszą współrzędną:
Parabola o ramionach w górę najpierw opada do wierzchołka, potem się wznosi. Funkcja jest więc malejąca w przedziale i rosnąca w przedziale . Kontrola na dwóch parach: (lewa strona, maleje) oraz (prawa strona, rośnie). Liczba 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 jest malejąca w swojej dziedzinie ?
Wykres to hiperbola (hasło proporcjonalność odwrotna). Każda gałąź opada od lewej do prawej, więc funkcja jest malejąca w przedziale i osobno w przedziale . Ale w sumie tych przedziałów – nie. Wystarczy jedna para argumentów:
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 oraz – zapis z dwoma osobnymi przedziałami, bez znaku sumy.
Przykład 3 (poziom rozszerzony) – dowód z definicji. Wykaż, że funkcja jest rosnąca w przedziale . (To przykład wpisany wprost do wymagania V.3R w podstawie programowej.)
Niech oraz . Liczymy różnicę wartości, sprowadzając ułamki do wspólnego mianownika:
Po wymnożeniu w liczniku zostaje , więc
Teraz znak każdego czynnika: , bo . Oba argumenty są mniejsze od , więc i , a iloczyn dwóch liczb ujemnych jest dodatni. Licznik dodatni, mianownik dodatni – różnica jest dodatnia, czyli . Funkcja jest rosnąca w przedziale . Kontrola liczbowa: i , a ze wzoru na różnicę .
Porównanie
| Pojęcie | Po angielsku | Warunek dla | Przykład |
|---|---|---|---|
| funkcja rosnąca | (strictly) increasing | ||
| funkcja malejąca | (strictly) decreasing | ||
| funkcja stała | constant | ||
| funkcja niemalejąca | non-decreasing | rośnie albo stoi, jak z wykresu w | |
| funkcja nierosnąca | non-increasing | stoi albo maleje, jak z wykresu w |
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.
Typowe błędy
Przedział odczytany z osi . Pytanie „w jakim przedziale funkcja jest rosnąca" dotyczy argumentów. Dla funkcji z wykresu odpowiedź to , a nie – ten drugi przedział to wartości, które funkcja przyjmuje na tym odcinku. Zawsze rzutuj fragment wykresu w dół, na oś .
„Malejąca w całej dziedzinie" dla . Funkcja maleje w i osobno w , ale para 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 mamy , ale funkcja nie jest rosnąca w , bo . Para punktów może obalić monotoniczność, ale nigdy jej nie dowodzi.
Odwrócony kierunek przy paraboli z . Parabola o ramionach w dół najpierw się wznosi, a dopiero za wierzchołkiem opada. Funkcja jest więc rosnąca w i malejąca w . Szybka kontrola: policz wartość w jednym punkcie po lewej i jednym po prawej stronie wierzchołka.
Konkretne liczby zamiast dowodu (rozszerzenie). Pokazanie, że , nie dowodzi, że funkcja rośnie w całym przedziale. Dowód musi zaczynać się od dowolnych z przedziału i kończyć ustaleniem znaku różnicy – z uzasadnieniem znaku każdego czynnika, także mianownika.
Sprawdź się
Funkcja jest określona wzorem . Uzupełnij tabelę wartości.
| 0 | 5 |
| 1 | |
| 2 | |
| 3 | |
| 4 | 5 |
Funkcja jest malejąca w przedziale i rosnąca w przedziale , gdzie .
Funkcja jest .
Funkcja jest .
Dla funkcji mamy oraz . Czy ta funkcja jest malejąca w zbiorze ?
Funkcja jest określona wzorem dla oraz dla . Wtedy , a . Czy funkcja jest rosnąca w przedziale ?
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 ".
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 jest malejąca w i rosnąca w , a klucze CKE podają takie przedziały jako domknięte. Jeżeli funkcja w punkcie nie jest określona, jak 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 z dziedziny zachodziło , a para daje . Funkcja jest malejąca w przedziale i osobno w przedziale . 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: . 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 we wzorze : dla funkcja jest rosnąca, dla malejąca, dla stała. Wyraz wolny nie ma wpływu na monotoniczność. Gdy zależy od parametru, rozwiązujesz nierówność, na przykład .
Jak wykazać monotoniczność funkcji z definicji?
Weź dowolne z przedziału, załóż i oblicz różnicę . 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 .
Powiązane zagadnienia
Zagadnienia z tego samego obszaru matury – warto je powtórzyć razem: