Основы математики и ее приложения в экономическом образовании (стр. 10 )

Например, при V = 0,33 л оптимальные размеры банки соста­вят: диаметр дна ≈ 7,5 см и высота ≈ 7,5 см.

Выпуклость и точки перегиба графика функции

Определение 2. Будем говорить, что график функции y = f(x) имеет на интервале (а, b) выпуклость, направленную вниз (вверх), если он расположен не ниже (не выше) любой каса­тельной к графику функции на (а, b) (рис. 5.4).

Способ определения направления выпуклости графика функции дается теоремой, приведенной ниже без доказатель­ства.

ТЕОРЕМА 5. Если функция у = f(х) имеет на интервале (а, b) вторую производную и f"(x) ≥ 0 (f"(x) ≤ 0) на (а, b), то график функции имеет на (а, b) выпуклость, направленную вниз (вверх).

Определение 3. Точка М(x0, f(x0)) называется точкой пере­гиба графика функции у = f(x), если в точке М график имеет касательную и существует такая окрестность точки x0, в пре­делах которой график функции f(x) имеет разные направления выпуклости.

В точке перегиба касательная пересекает график функции, поскольку он переходит с одной стороны касательной на дру­гую, т. е. "перегибается" через нее (рис. 5.5).

ТЕОРЕМА 6. (необходимое условие существования точки перегиба). Пусть график функции у = f(x) имеет перегиб в точке M(x0, f(x0)) и функция f(x) имеет в точке x0 непре­рывную вторую производную. Тогда

Отметим, что не всегда условие f"(x0) = 0 означает нали­чие точки перегиба на графике функции у = f(x). Например, график функции у = x2n (п > 1) не имеет перегиба в точке (0, 0), хотя при х = 0 вторая производная равна нулю. Потому равенство (5.8) является только необходимым условием пере­гиба. Точки графика, для которых условие (5.8) выполнено, будем называть критическими. В каждой такой точке необхо­димо исследовать дополнительно вопрос о наличии перегиба; здесь имеется полная аналогия с существованием экстремума функции.

ТЕОРЕМА 7 (достаточное условие существования точки пе­региба). Пусть в некоторой окрестности точки x0 вторая производная функции у = f(x) имеет разные знаки слева и справа от x0. Тогда график у = f(x) имеет перегиб в точке М(x0, f(x0)).

Теорема верна и для случая, когда f"(x) существует в не­которой окрестности точки x0 за исключением самой точки x0 и существует касательная к графику функции в точке М. На­пример, функция f(x) = x1/3 в точке х = 0 имеет бесконечные производные; в точке O(0, 0) касательная совпадает с осью Оу. Однако график этой функции имеет перегиб в начале коорди­нат, поскольку вторая производная f"(x) = -2 /(9x5/3) имеет разные знаки слева и справа от точки х = 0 (рис. 5.6). Рас­смотрим примеры: найти точки перегиба и направления вы­пуклости графиков следующих функций.

Пример 3. f(x) = ехр (-x2).

Решение. Последовательно находим f'(x)= -2x exp(—x2), f"(x) = 2 exp (-x2)(2x2 — 1). Приравнивая вторую производ­ную к нулю, получаем критические точки х = ±1/. Вви­ду зависимости функции от х2 достаточно исследовать точку x = l/. Нетрудно видеть, что при переходе через эту точку слева направо f"(x) меняет знак с минуса на плюс. Следова­тельно, на левой ветви функции точка M1(-1 / , e-1/2) явля­ется точкой перегиба графика функции со сменой выпуклости вниз слева на выпуклость вверх справа (рис. 5.7). На правой ветви в точке перегиба М2(1/, е-1/2) графика функции име­ет место смена выпуклости вверх слева на выпуклость вниз справа.

Пример 4. f(x) = ln (х2 – 2x + 2).

РHешение. Вторая производная равна . Приравнивая ее к нулю, получаем критические точки x1 = 0, x2 = 2. Несложный анализ квадратного трехчлена х(2 — х), стоящего в числителе второй производной и определяющего ее знак, показывает, что точка перегиба M1 (0, ln 2) графи­ка функции меняет выпуклость вверх слева на выпуклость вниз справа; в другой точке перегиба М2 (2, ln2) выпуклость графика функции вниз слева меняется на выпуклость вверх справа.

Асимптоты графика функции

Часто оказывается, что график функции неограниченно приближается к некоторой прямой. Такого рода прямые назы­ваются асимптотами. Неограниченность приближения графи­ка функции к асимптоте означает, что расстояние от графика до этой прямой (перпендикуляр, опущенный из произвольной точки графика на прямую) стремится к нулю.

Различают три вида асимптот: вертикальные, горизон­тальные и наклонные.

Определение 4. Прямая х = а называется вертикальной асимптотой графика функции у = f(x), если хотя бы одно из предельных значений f(x) или f(x) равно + или -.

Вертикальные асимптоты обычно сопутствуют точкам раз­рыва второго рода. Например, график функции у = е1/x име­ет вертикальную асимптоту х = 0, так как f(x) при х 0+.

Определение 5. Прямая у = kx + b называется наклонной асимптотой графика функции у = f(x) при х ±, если f(x) можно представить в виде

где α(х) 0 при х ±.

Это определение относится как к наклонной, так и к гори­зонтальной асимптотам: в случае горизонтальной асимптоты угловой коэффициент k в (5.9) равен нулю.

Укажем способ нахождения коэффициентов k и b в уравне­нии наклонной асимптоты. Разделив обе части равенства (5.9) на x и перейдя к пределу при х , получим

т. е. k = . Затем из равенства (5.9) находим:

Рассмотрим примеры: найти асимптоты графиков функ­ций.

Пример 5. f(x) = .

Решение. Найдем вертикальную асимптоту. Точка x = -1 является точкой разрыва 2-го рода, причем

Затем находим наклонные асимптоты:

Таким образом, получаем уравнение наклонной асимптоты

Пример 6. f(x) = х + e-x.

Решение. Вертикальных асимптот здесь нет, поскольку точки разрыва 2-го рода отсутствуют. Отыщем наклонную асимптоту:

Таким образом, уравнение наклонной асимптоты имеет вид

Схема исследования графика функции

Приведем схему исследования поведения функции и постро­ения ее графика.

1. Найти область определения функции.

2. Определить возможный тип симметрии функции: чет­ность или нечетность функции. Функция f(x) называется чет­ной, если выполнено условие симметрии ее графика относи­тельно оси Оу:

Функция f(x) называется нечетной, если выполнено условие симметрии ее графика относительно начала координат O (0, 0):

При наличии симметрии достаточно построить график функции на правой координатной полуплоскости и затем ото­бразить его на левую половину: зеркально относительно оси Оу в случае (5.10) (рис. 5.8,а) или с центральной симметрией в случае (5.11) (рис. 5.8,6).

3. Найти точки пересечения графика функции с осями коор­динат Ох и Оу, т. е. решить соответственно уравнения у = f(0) и f(x) = 0.

4. Найти асимптоты.

5. Найти точки возможного экстремума.

6. Найти критические точки.

7. Исследовать знаки первой и второй производных, опреде­лить участки монотонности функции, направление выпуклос­ти графика, точки экстремума и перегиба.

8. Определить максимум и минимум функции на области ее определения. Если областью определения функции является отрезок [а, b], необходимо вычислить значения функции в его концах и сопоставить их с локальными экстремумами.

9. Построить график функции с учетом проведенного ис­следования.

Пример 7. Исследовать и построить график функции

Решение. Действуем по приведенной выше схеме.

1. Область определения функции: х ≠ 0 или х (-, 0) (0, ).

2. Функция (5.12) является нечетной, так как f(-x) = - f(x).

3. Уравнение f(x) = 0 дает корни х = ±1 (точки пересече­ния с осью Ох). Пересечения с осью Оу нет в силу п.1.

4. Имеется вертикальная асимптота — ось Оу, так как пре­дел f(x) при х 0 бесконечен: f(x) + при х 0-, f(x) - при х 0+.

Определяем наклонную асимптоту:

Итак, уравнение наклонной асимптоты: у = х.

5. f'(x) = , т. е. производная нигде не равна нулю и точек возможного экстремума нет. В области определения везде f'(x) положительна.

6. f"(x) = —2/х3 — критических точек нет.

7. Функция (5.12) монотонно возрастает на всей области своего определения, так как ее производная всюду положитель­на. В левой координатной полуплоскости выпуклость графика функции направлена вниз (f"(x) > 0), в правой полуплоскости выпуклость направлена вверх (f"(x) < 0).

8. Наибольшего и наименьшего значений функции не су­ществует, поскольку область ее значений неограничена.

9. График функции (5.12) приведен на рис. 5.9.

5.4. Применение в экономике

Предельные показатели в микроэкономике

Приведем примеры двух предельных показателей в микро­экономике.

1. Первый из них связан с зависимостью себестоимости С произведенной продукции от ее объема Q: С = f(Q). Так называемая предельная себестоимость характеризует себестои­мость ΔC прироста продукции ΔQ:

В предположении о непрерывной зависимости ΔС от ΔQ естес­твенно напрашивается замена разностного отношения в (5.13) его пределом:

Обычно в приложениях с использованием аппарата математи­ки под предельной себестоимостью понимают именно величину (5.13а).

Например, пусть зависимость издержек производства от объема выпускаемой продукции выражается формулой

Определим средние и предельные издержки при объеме про­дукции Q = 15 ден. ед.

А) Функция средних издержек на единицу продукции опре­деляется по формуле = C/Q, или в нашем случае

откуда (15) =,03 ∙ 225 = 33,25 ден. ед.

Б) Предельные издержки определяются, согласно (5.13а), по формуле

откуда при Q = 15 получаем С' (15) = 19,75 ден. ед.

Иными словами, при средних издержках на производство единицы продукции в 33,25 ден. ед. дополнительные затраты на производство единицы дополнительной продукции составят 19,75 ден. ед. и не превысят средних издержек.

2. В анализе и прогнозах ценовой политики применяется понятие эластичности спроса. Пусть D = f(Р) — функция спроса от цены товара Р (см. п. 3.1). Тогда под эластичнос­тью спроса понимается процентное изменение спроса при из­менении цены товара на один процент: