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
| x | Подстановка | y |
|---|---|---|
| \( -4 \) | \( \frac{1}{-4} \) | \( -0{,}25 \) |
| \( -2 \) | \( \frac{1}{-2} \) | \( -0{,}5 \) |
| \( -1 \) | \( \frac{1}{-1} \) | \( -1 \) |
| \( -0{,}5 \) | \( \frac{1}{-0{,}5} \) | \( -2 \) |
| \( 0 \) | — | 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
| x | Подстановка | y |
|---|---|---|
| \( -4 \) | \( \frac{1}{(-4)^2} = \frac{1}{16} \) | \( 0{,}0625 \) |
| \( -2 \) | \( \frac{1}{(-2)^2} = \frac{1}{4} \) | \( 0{,}25 \) |
| \( -1 \) | \( \frac{1}{(-1)^2} = \frac{1}{1} \) | \( 1 \) |
| \( -0{,}5 \) | \( \frac{1}{(-0{,}5)^2} = \frac{1}{0{,}25} \) | \( 4 \) |
| \( 0 \) | — | 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:
| Свойство | Нечётное n (1, 3, 5…) | Чётное n (2, 4, 6…) |
|---|---|---|
| Область определения | \( \mathbb{R} \setminus \{0\} \) | \( \mathbb{R} \setminus \{0\} \) |
| Область значений | \( (-\infty;\, 0) \cup (0;\, +\infty) \) | \( (0;\, +\infty) \) |
| Чётность | Нечётная: \( f(-x) = -f(x) \) | Чётная: \( f(-x) = f(x) \) |
| Симметрия | Относительно начала координат | Относительно оси \( Y \) |
| Расположение ветвей | I и III четверти | I и II четверти |
| Знак функции | Совпадает со знаком \( x \) | Всегда положительный |
| Монотонность при \( x > 0 \) | Убывает | Убывает |
| Монотонность при \( x < 0 \) | Убывает | Возрастает |
| 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 \( x \).