Кол-во функций:

Как построить график обратной степенной функции

График обратной степенной функции y = 1/x^n

Обратная степенная функция — это степенная функция с отрицательным показателем. Её график — гиперболоподобная кривая, которая никогда не пересекает оси координат: ось \( Y \) служит вертикальной асимптотой, а ось \( X \) — горизонтальной. Форма кривой существенно зависит от того, является показатель \( n \) чётным или нечётным. Ниже подробно разобраны все ключевые свойства функции \( y = \dfrac{1}{x^n} = x^{-n} \) при натуральном \( n \geq 1 \): переменные, область определения и значений, экстремумы, производная, первообразная, а также наглядные примеры с таблицами значений для обоих случаев — чётного и нечётного \( n \).

Что представляет собой график

График функции \( y = \dfrac{1}{x^n} \) — это кривая с двумя асимптотами:

  • Вертикальная асимптота — ось \( Y \) (\( x = 0 \)). При приближении \( x \) к нулю значения функции неограниченно возрастают по модулю.
  • Горизонтальная асимптота — ось \( X \) (\( y = 0 \)). При \( x \to \pm\infty \) значения функции стремятся к нулю, но никогда его не достигают.

Форма графика зависит от чётности показателя:

  • Нечётное \( n \) (1, 3, 5…) — кривая расположена в I и III координатных четвертях. График симметричен относительно начала координат (функция нечётная). Классический пример — гипербола \( y = \dfrac{1}{x} \).
  • Чётное \( n \) (2, 4, 6…) — кривая расположена целиком выше оси \( X \), в I и II четвертях. График симметричен относительно оси \( Y \) (функция чётная).

Чем больше \( n \), тем быстрее функция убывает при удалении от нуля и тем стремительнее возрастает вблизи нуля.

Обратные степенные зависимости описывают множество физических явлений: закон всемирного тяготения (\( \sim 1/r^2 \)), убывание освещённости с расстоянием, закон Кулона, распределение давления и другие процессы.

Значение каждой переменной

\( x \) — аргумент (независимая переменная) Входное значение, подставляемое в формулу. Принимает любое действительное число, кроме нуля — деление на ноль не определено. \( y \) — значение функции (зависимая переменная) Результат вычисления \( \dfrac{1}{x^n} \) при заданном \( x \). Определяет вертикальную координату точки на графике. \( n \) — показатель степени (натуральное число) Определяет скорость убывания функции и симметрию графика. При нечётном \( n \) функция нечётная, при чётном — чётная. Чем больше \( n \), тем быстрее кривая приближается к осям-асимптотам.

Область определения

Функция определена для всех действительных чисел, кроме нуля, поскольку знаменатель \( x^n \) обращается в ноль при \( x = 0 \):

\[ D(f) = (-\infty;\, 0) \cup (0;\, +\infty) = \mathbb{R} \setminus \{0\} \]

Область значений

Область значений зависит от чётности показателя:

  • Нечётное \( n \): функция принимает любые значения, кроме нуля: \( E(f) = (-\infty;\, 0) \cup (0;\, +\infty) \)
  • Чётное \( n \): функция принимает только положительные значения: \( E(f) = (0;\, +\infty) \)

В обоих случаях значение \( y = 0 \) недостижимо — горизонтальная асимптота.

Максимум и минимум

Обратная степенная функция не имеет ни глобального максимума, ни глобального минимума на всей области определения:

  • При приближении к нулю значения \( |y| \to +\infty \) — функция неограниченно возрастает по модулю.
  • При удалении от нуля значения \( y \to 0 \), но никогда не достигают нуля.

Локальных экстремумов также нет — на каждом из интервалов \( (-\infty;\, 0) \) и \( (0;\, +\infty) \) функция строго монотонна:

  • Нечётное \( n \): функция строго убывает на \( (-\infty;\, 0) \) и строго убывает на \( (0;\, +\infty) \).
  • Чётное \( n \): функция строго возрастает на \( (-\infty;\, 0) \) и строго убывает на \( (0;\, +\infty) \).

Производная

Производная вычисляется по стандартному правилу дифференцирования степенной функции:

\[ \left(\frac{1}{x^n}\right)’ = (x^{-n})’ = -n \cdot x^{-n-1} = -\frac{n}{x^{n+1}} \]

Примеры для конкретных значений \( n \):

  • \( \left(\dfrac{1}{x}\right)’ = -\dfrac{1}{x^2} \)
  • \( \left(\dfrac{1}{x^2}\right)’ = -\dfrac{2}{x^3} \)
  • \( \left(\dfrac{1}{x^3}\right)’ = -\dfrac{3}{x^4} \)

Знак производной подтверждает монотонность: при нечётном \( n \) производная всегда отрицательна (функция убывает на каждом интервале), при чётном \( n \) знак зависит от знака \( x \).

Первообразная (неопределённый интеграл)

Общая формула при \( n \neq 1 \):

\[ \int \frac{dx}{x^n} = \int x^{-n}\, dx = \frac{x^{-n+1}}{-n+1} + C = -\frac{1}{(n-1)\, x^{n-1}} + C \]

Особый случай при \( n = 1 \):

\[ \int \frac{dx}{x} = \ln|x| + C \]

Здесь \( C \) — произвольная постоянная интегрирования.

Пример 1 (нечётный показатель): y = 1/x

Классическая гипербола — простейший случай обратной степенной функции при \( n = 1 \). Кривая состоит из двух ветвей в I и III четвертях, симметричных относительно начала координат.

Таблица значений

xПодстановкаy
\( -4 \)\( \frac{1}{-4} \)\( -0{,}25 \)
\( -2 \)\( \frac{1}{-2} \)\( -0{,}5 \)
\( -1 \)\( \frac{1}{-1} \)\( -1 \)
\( -0{,}5 \)\( \frac{1}{-0{,}5} \)\( -2 \)
\( 0 \)не определено
\( 0{,}5 \)\( \frac{1}{0{,}5} \)\( 2 \)
\( 1 \)\( \frac{1}{1} \)\( 1 \)
\( 2 \)\( \frac{1}{2} \)\( 0{,}5 \)
\( 4 \)\( \frac{1}{4} \)\( 0{,}25 \)

Ключевые характеристики

  • Область определения: \( \mathbb{R} \setminus \{0\} \).
  • Область значений: \( (-\infty;\, 0) \cup (0;\, +\infty) \).
  • Чётность: нечётная функция — \( f(-x) = -f(x) \).
  • Асимптоты: вертикальная \( x = 0 \), горизонтальная \( y = 0 \).
  • Монотонность: убывает на \( (-\infty;\, 0) \) и на \( (0;\, +\infty) \).
  • Производная: \( y’ = -\dfrac{1}{x^2} < 0 \) всюду.
  • Первообразная: \( \ln|x| + C \).

Пример 2 (чётный показатель): y = 1/x²

При \( n = 2 \) обе ветви кривой расположены выше оси \( X \) — в I и II четвертях. График симметричен относительно оси \( Y \), поскольку \( (-x)^2 = x^2 \).

Таблица значений

xПодстановкаy
\( -4 \)\( \frac{1}{(-4)^2} = \frac{1}{16} \)\( 0{,}0625 \)
\( -2 \)\( \frac{1}{(-2)^2} = \frac{1}{4} \)\( 0{,}25 \)
\( -1 \)\( \frac{1}{(-1)^2} = \frac{1}{1} \)\( 1 \)
\( -0{,}5 \)\( \frac{1}{(-0{,}5)^2} = \frac{1}{0{,}25} \)\( 4 \)
\( 0 \)не определено
\( 0{,}5 \)\( \frac{1}{(0{,}5)^2} = \frac{1}{0{,}25} \)\( 4 \)
\( 1 \)\( \frac{1}{1^2} = \frac{1}{1} \)\( 1 \)
\( 2 \)\( \frac{1}{2^2} = \frac{1}{4} \)\( 0{,}25 \)
\( 4 \)\( \frac{1}{4^2} = \frac{1}{16} \)\( 0{,}0625 \)

Ключевые характеристики

  • Область определения: \( \mathbb{R} \setminus \{0\} \).
  • Область значений: \( (0;\, +\infty) \).
  • Чётность: чётная функция — \( f(-x) = f(x) \). График симметричен относительно оси \( Y \).
  • Асимптоты: вертикальная \( x = 0 \), горизонтальная \( y = 0 \).
  • Монотонность: возрастает на \( (-\infty;\, 0) \), убывает на \( (0;\, +\infty) \).
  • Производная: \( y’ = -\dfrac{2}{x^3} \). При \( x > 0 \) производная отрицательна (убывание), при \( x < 0 \) — положительна (возрастание).
  • Первообразная: \( -\dfrac{1}{x} + C \).

Сравнение свойств при чётном и нечётном показателе

Для быстрого сопоставления двух основных случаев:

СвойствоНечётное n (1, 3, 5…)Чётное n (2, 4, 6…)
Область определения\( \mathbb{R} \setminus \{0\} \)\( \mathbb{R} \setminus \{0\} \)
Область значений\( (-\infty;\, 0) \cup (0;\, +\infty) \)\( (0;\, +\infty) \)
ЧётностьНечётная: \( f(-x) = -f(x) \)Чётная: \( f(-x) = f(x) \)
СимметрияОтносительно начала координатОтносительно оси \( Y \)
Расположение ветвейI и III четвертиI и II четверти
Знак функцииСовпадает со знаком \( x \)Всегда положительный
Монотонность при \( x > 0 \)УбываетУбывает
Монотонность при \( x < 0 \)УбываетВозрастает
Производная\( -\dfrac{n}{x^{n+1}} \)\( -\dfrac{n}{x^{n+1}} \)
Первообразная (при n > 1)\( -\dfrac{1}{(n-1)\,x^{n-1}} + C \)\( -\dfrac{1}{(n-1)\,x^{n-1}} + C \)
Первообразная (при n = 1)\( \ln|x| + C \)

Обратите внимание: формулы производной и первообразной одинаковы для обоих случаев — различия проявляются только в геометрии графика и знаке функции при отрицательных \( x \).