Как построить график функции с модулем
Построение графика функции с модулем: y = |x|
Функция с модулем — одна из базовых элементарных функций, которая каждому действительному числу ставит в соответствие его абсолютное значение. Общая формула записывается как:
$$y = |x|$$
Геометрически график функции y = |x| представляет собой два луча, выходящих из начала координат: один направлен вправо-вверх (при x ≥ 0), другой — влево-вверх (при x < 0). Вместе они образуют характерную V-образную фигуру, симметричную относительно оси ординат (оси Y).
Аналитически модуль раскрывается как кусочная функция:
$$y = |x| = \begin{cases} x, & x \ge 0 \\ -x, & x < 0 \end{cases}$$
Более общая форма функции с модулем, включающая линейное преобразование аргумента и сдвиг, записывается так:
$$y = a \cdot |x – h| + k$$
где параметры a, h и k управляют растяжением, горизонтальным и вертикальным сдвигами графика соответственно. Эта формула позволяет описать любое линейное преобразование базовой V-образной кривой.
Значение каждой переменной в формуле y = a·|x − h| + k
| Переменная | Описание | Влияние на график |
|---|---|---|
| x | Независимая переменная (аргумент функции) | Определяет положение точки по горизонтальной оси |
| y | Зависимая переменная (значение функции) | Определяет положение точки по вертикальной оси |
| a | Коэффициент растяжения / сжатия и отражения | При |a| > 1 график сужается (растягивается по вертикали), при 0 < |a| < 1 — расширяется (сжимается по вертикали). При a < 0 график отражается вниз (V превращается в перевёрнутую V) |
| h | Горизонтальный сдвиг (смещение вершины по оси X) | При h > 0 вершина сдвигается вправо, при h < 0 — влево |
| k | Вертикальный сдвиг (смещение вершины по оси Y) | При k > 0 вершина сдвигается вверх, при k < 0 — вниз |
Область определения функции с модулем
Функция y = |x| определена для всех действительных чисел, поскольку абсолютное значение можно вычислить для любого числа. Область определения:
$$D(y) = (-\infty ;\; +\infty) = \mathbb{R}$$
Это означает, что в качестве аргумента можно подставить любое вещественное число — функция всегда вернёт корректный результат.
Для общей формы y = a·|x − h| + k область определения также остаётся неизменной:
$$D(y) = \mathbb{R} \quad \text{при любых } a \neq 0,\; h,\; k \in \mathbb{R}$$
Область значений функции с модулем
Поскольку модуль числа всегда неотрицателен, значения базовой функции y = |x| начинаются от нуля и уходят в плюс бесконечность:
$$E(y) = [0 ;\; +\infty)$$
Для общей формы y = a·|x − h| + k область значений зависит от знака коэффициента a:
- Если a > 0 (ветви направлены вверх): $$E(y) = [k ;\; +\infty)$$
- Если a < 0 (ветви направлены вниз): $$E(y) = (-\infty ;\; k]$$
Максимум и минимум функции с модулем
Базовая функция y = |x|
Функция y = |x| имеет единственный глобальный минимум в точке x = 0:
$$y_{\min} = |0| = 0 \quad \text{при } x = 0$$
Максимума функция не имеет — значения неограниченно возрастают при удалении от нуля в любую сторону.
Общая форма y = a·|x − h| + k
- При a > 0 — вершина является точкой минимума: $$y_{\min} = k \quad \text{при } x = h$$ Максимум отсутствует (функция не ограничена сверху).
- При a < 0 — вершина является точкой максимума: $$y_{\max} = k \quad \text{при } x = h$$ Минимум отсутствует (функция не ограничена снизу).
В обоих случаях экстремум достигается в вершине V-образного графика — в точке (h; k).
Производная функции с модулем
Функция y = |x| дифференцируема всюду, кроме точки x = 0, где график имеет излом (угловую точку). Производная записывается как:
$$y’ = (|x|)’ = \begin{cases} 1, & x > 0 \\ -1, & x < 0 \end{cases}$$
Это можно компактно записать через знаковую функцию:
$$y’ = \frac{x}{|x|} = \operatorname{sgn}(x), \quad x \neq 0$$
В точке x = 0 производная не существует, так как левая производная равна −1, а правая равна +1 — они не совпадают.
Производная общей формы y = a·|x − h| + k
$$y’ = a \cdot \frac{x – h}{|x – h|} = a \cdot \operatorname{sgn}(x – h), \quad x \neq h$$
При x > h производная равна a, при x < h равна −a. В точке x = h производная не определена.
Первообразная (интеграл) функции с модулем
Неопределённый интеграл функции y = |x| вычисляется с учётом знака аргумента:
$$\int |x|\, dx = \frac{x \cdot |x|}{2} + C$$
Эту формулу можно проверить, раскрыв модуль по участкам:
- При x ≥ 0: ∫|x| dx = ∫x dx = x² / 2 + C
- При x < 0: ∫|x| dx = ∫(−x) dx = −x² / 2 + C
Обе ветви объединяются в единую компактную запись:
$$\int |x|\, dx = \frac{x \cdot |x|}{2} + C = \frac{x^2 \cdot \operatorname{sgn}(x)}{2} + C$$
Первообразная общей формы y = a·|x − h| + k
$$\int \bigl(a|x – h| + k\bigr)\, dx = \frac{a(x – h)|x – h|}{2} + kx + C$$
Типичный пример: таблица значений для y = |x|
Рассмотрим базовую функцию y = |x| и вычислим её значения в нескольких характерных точках. Это поможет построить график по точкам:
| x | Подстановка | y = |x| |
|---|---|---|
| −4 | y = |−4| = 4 | 4 |
| −3 | y = |−3| = 3 | 3 |
| −2 | y = |−2| = 2 | 2 |
| −1 | y = |−1| = 1 | 1 |
| 0 | y = |0| = 0 | 0 |
| 1 | y = |1| = 1 | 1 |
| 2 | y = |2| = 2 | 2 |
| 3 | y = |3| = 3 | 3 |
| 4 | y = |4| = 4 | 4 |
Из таблицы видно, что значения функции симметричны: y(−x) = y(x). Это подтверждает, что функция y = |x| является чётной. Минимальное значение y = 0 достигается в точке x = 0 — вершине V-образного графика.
Пример с преобразованной функцией: y = 2·|x − 1| − 3
Рассмотрим функцию y = 2·|x − 1| − 3. Здесь a = 2, h = 1, k = −3. Вершина графика находится в точке (1; −3), ветви направлены вверх.
| x | Подстановка | y = 2·|x − 1| − 3 |
|---|---|---|
| −2 | y = 2·|−2 − 1| − 3 = 2·3 − 3 = 3 | 3 |
| −1 | y = 2·|−1 − 1| − 3 = 2·2 − 3 = 1 | 1 |
| 0 | y = 2·|0 − 1| − 3 = 2·1 − 3 = −1 | −1 |
| 1 | y = 2·|1 − 1| − 3 = 2·0 − 3 = −3 | −3 |
| 2 | y = 2·|2 − 1| − 3 = 2·1 − 3 = −1 | −1 |
| 3 | y = 2·|3 − 1| − 3 = 2·2 − 3 = 1 | 1 |
| 4 | y = 2·|4 − 1| − 3 = 2·3 − 3 = 3 | 3 |
Вершина графика — точка (1; −3), что соответствует минимуму функции. Область определения: все действительные числа. Область значений: [−3; +∞).
Сводка основных свойств функции y = |x|
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Общая формула | y = a·|x − h| + k |
| Область определения | (−∞; +∞) |
| Область значений (a > 0) | [k; +∞) |
| Область значений (a < 0) | (−∞; k] |
| Чётность | Чётная (при h = 0, k = 0) |
| Непрерывность | Непрерывна на всей числовой прямой |
| Дифференцируемость | Всюду, кроме x = h (точка излома) |
| Вершина графика | (h; k) |
| Производная (x ≠ h) | y’ = a·sgn(x − h) |
| Первообразная | a(x − h)|x − h| / 2 + kx + C |