Функция. Область определения и область значений функции. Графики функции. Тема урока «Множество значений функции в задачах ЕГЭ Нахождение множества значений функции

ГБОУ лицей (экономический) с. Исаклы

Учитель математики Кузаева В.Н.

2016 год

Справочные материалы

Образец решения Найти множество значений функций

Область значения функции
является

y - любое число

Область значения функции
является y - любое число

Множество значений

y - любое число

Наибольшее значение

Наименьшее значение

Область определения х - любое число
, где

, где

Множество значений
y - любое число y - любое число

Шаблоны графиков некоторых тригонометрических функций

Множество значений тригонометрических функций

Вариант 1

У = sin 3х+2.

1) (-5;5) 2) 3) 4) (1;5)

2. Найдите область значения функции у = tg х + 1.

1) 3) (-∞;∞) 4)

1) -6 2) 6 3) -4 4) -2

4. Укажите наименьшее целое число из области значений функции

у = 12,7 + 5 sin (3х-2).

1) -5 2) 8 3) 5 4) 17

5. Укажите функцию, множеством значений которой является отрезок [-2;2].

1) у = cos 2х 2) у = sin 2 x 3) y = cos 2 x +2

4) y = 2 sin 4 x

6. Найдите множество значений функции y = tg 2 x на отрезке

7. Найдите сумму всех целых чисел, которые входят в область значений функции y = 4 cos 2 x – 7.

1) -25 2) 25 3) -22 4) 0

Вариант 2

y = 2 cos 5 x +3.

1) (2;3) 2) 3) (1;5) 4) .

2. Найдите область значения функции

1) 3) (-∞;∞) 4) .

3. Укажите наименьшее число из области значений функции

1) 4 2) -3 3) 1 4) -7

4. Укажите наибольшее целое из области значений функции

1) 2 2) 13 3) 12 4) -2

5. Укажите функцию, множеством значений которой является отрезок [-5;5].

1) y = sin 5x 2) y = 5 cos 5x 3) y = cos (-5x)

4) y = sin 5x + 5

6. Найдите множество значений функции
на отрезке

7. Найдите произведение всех целых чисел, которые входят в область значений функции у = 5 – 3 sin 2 x .

1) 120 2) 14 3) -15 4) 0

Вариант 3
1. Укажите множество значений функции y = sin 3 x + 5.

1) (-4;6) 2) 3) [-1;5) 4) (0;6)

1) 2) (0;3) 3) (1;3) 4) [-1;3)

3. Укажите наименьшее число из области значений функции у = 5 tg 2 x +2?

1) 5 2) 0 3) 7 4) 2

1) -1 2) -2,7 3) -2,3 4)-3

5. Укажите функцию, множеством значений которой является отрезок

[-17;-13].

1) y = 5 sin x – 8 3) y = -cos x +15

2) y = 2 cos x – 15 4) y = 3 sin x +10

6. Укажите наименьшее натуральное число, которое не входит в множество значений функции

1) 2 2) 4 3) 15 4) 6

7. Сколько целых чисел принадлежит множеству значений функции

y = 2 cos 3 x +10?

1) 2 2) 3 3) 4 5) 5

Вариант 4

1) 2) 4) (-7;-6)

2. Найдите область значений функции

1) (1;5) 2) 3) (4;6) 4) [-6;-4]

3. Укажите наибольшее число из области значений функции y = -3 ctg 2 x +7.

1) 10 2) 4 3) 7 4) -3

4. Какое из следующих чисел не входит в множество значений функции

1) -6 2) -5 3) -10 4) -7

5. Укажите функцию, множеством значений которой является отрезок .

6. Укажите наибольшее целое отрицательное число, которое не входит в область значений функции

1) -1 2) -25 3) -6 4) -2

7. Сколько целых чисел принадлежит множеству значений функции

1) 11 2) 3 3) 5 4) 4

Вариант 5

1. Укажите множество значений функции у = 2 - sin 5 x .

1) (2;5) 2) 3) (1;3) 4) [-3;7]

2. Найдите область значений функции

1) [-8;-6] 2) [-8;-6) 3) (-8;-6) 4)

3. Укажите наименьшее целое число из области значений функции

y = 3 + sin 2 2 x .

1) 0 2) 1 3) 3 4) 4

4. Какое из следующих чисел входит в множество значений функции

1) 128 2) 10,5 3) 3 4) -235

5. Укажите функцию, множеством значений которой является отрезок [-9;15].

6. Найдите сумму целых чисел, входящих в множество значений функции

1) 0 2) 7 3) 18 4) 22

7. Найдите наибольшее значение функции
на отрезке

1) 0,5 2) 1,5 3) 0 4) 2

Вариант 6

1. Укажите отрезок, соответствующий множеству значений функции

1) 2) (-2;-1) 3) (0;1) 4) [-6;-4]

2. Найдите область значений функции

3. Укажите наибольшее число из области значений функции

1) 5 2) -6 3) -3 4) 4

4. Какое из следующих чисел входит в множество значений функции

1) 5 2) 0 3) -3 4) 4

5. Укажите функцию, множество значений которой является отрезок .

1) у = 15 – 7 cos 2x 3) y = 7 cos 2x + 3

2) y = 5 cos 4 x 4) y = - tg 2 x + 1

6. Найдите произведение целых чисел, входящих в множество значений

y = 3,8 – 1,4 sin 3 x .

1) 17 2) 12 3) 0 4) 60

7. Найдите множество значений функции
на промежутке

1) (3;4) 2) 3)

Вариант 7

2. Найдите наименьшее целое значение функции

1) 2 2) 0 3) -3 4) -4

1) 0 2) 2 3) 4 4) 6

4. При каких значениях а уравнение sin (3 x -4)+5= a разрешимо?

1) 2) 3) (4;6) 4) (-6;4]

sin 2 2 x – 2.

1) [-3;-2] 2) [-1;0] 3) [-4;0] 4) [-3;-1]

на промежутке

2) 0 3) 1

y = 4 sin (x 4 ) -2?

1) 8 2) 9 3) 7 4) 10

Вариант 8

1. Найдите множество значений функции y = arctg x - 2π.

2. Найдите наибольшее значение функции

1) 1,75 2) 0 3) 2,25 4) -1,75

3. Какое из следующих чисел может быть значением функции

1) -4 2) -2 3) 0 4) 2

4. При каких значениях р уравнение -2+ cos (4 x -1)= p имеет корни?

1) [-3;-1] 2) [-3;-1) 3) (-3;1] 4) (-3;-1)

5. Найдите множество значений функции y = -2 tg 2 x + 1.

1) [-1;3] 2) (-∞;1] 3) (-∞;∞) 4) [-1;+∞)

на промежутке
.

1) 0 2) 1 3) -1 4) 3

7. Сколько целых чисел принадлежит области значений функции

1) 4 2) 3 3) 5 4) 2

Вариант 9

1. Найдите область значений функции

2. Найдите наибольшее целое значение функции

1) 4 2) 5 3) 6 4) 7

3. Какое из следующих чисел может быть значением функции

1) 0 2) 3 3) 6 4) 9

k уравнение – k + sin (2 x -1) = 2 разрешимо?

1) 2) (4;6) 3) (-3;-1) 4) [-3;-1]

5. Найдите множество значений функции у = - cos 2 3 x + 4.

1) 2) 3) 4)

6. Укажите наименьшее значение функции
на промежутке

2) -1 3) 0 4) 1

7. Найдите, сколько целых чисел входит в область значений функции у = 12 cos 3 x +5 sin 3 x .

1) 13 2) 27 3) 26 4) 14

Вариант 10

1. Найдите область значений функции

2. Найдите наименьшее значение функции

1) 3,5 2) 0 3) 2,5 4) -3,5

3. Какое из следующих чисел может быть значением функции

1) -4 2) -1 3) 3 4) 7

4. При каких значениях параметра m уравнение cos (3 x + 2)- m = 5 имеет корни?

1) [-6;-4] 2) (-6;-4) 3) (-4;3) 4) [-6;-5]

5. Найдите множество значений функции у = -2 ctg 2 3 x + 7.

1) (-∞;5] 2) (-∞;1] 3) (-∞;0] 4) (-∞;7]

6. Укажите наибольшее значение функции
на промежутке

2) 0 3) 2 4) 1

7. Найдите, сколько целых чисел входит в область значений функции

1) 30 2) 35 3) 17 4) 7

Множество значений показательной и логарифмической функций

Вариант 1

1. Найдите область значений функции

1) 4) (-∞;3)

2. Укажите множество значений функции

1) (-∞;7) 2) (-∞;-7) 3)(7;∞) 4) (-∞;7]

1) 0 2) 4 3) -3 4) -4

1) 15 2) 20 3) 43 4) 28

1) (0;-2) 2) (0;2) 3) (-∞;+∞) 4) [-2;0)

6. Укажите наименьшее целое значение функции

1) 1 2) -1 3) 0 4) -5

7. Укажите функцию, множеством значений которой является промежуток (1;∞).

Вариант 2

1. Укажите множество значений функции

1) [-1;∞) 2)(-1;∞) 3) (3;∞) 4) 4) [-3;∞)

2. Найдите область значений функции

1) (-4;∞) 2) (4;∞) 3) (-∞;4] 4) 4) (-∞;4)

3. Укажите наименьшее целое значение функции

1) -12 2) -11 3) -10 4) -15

4. Укажите число, не принадлежащее множеству значений фунукции

1) -42 2) 3 3) 1 4) -20

5. Укажите множество значений функции

1) (-∞;0) 2) (0;∞) 3) (-∞;∞) 4) [-2;2]

6. Укажите наибольшее целое значение функции

1) 10 2) 3 3) 9 4) 2

7. Укажите функцию, множеством значений которой является промежуток

(-∞;13).

Вариант 5

1. Укажите наименьшее целое значение функции

1) 0 2) -1 3) -2 4) -3

2. Какое из следующих чисел входит в область значений функции

1) -3 2) -4 3) 5 4) 0

1) (-∞;2] 2) 2) [-1;1] 3) (-1;1) 4) (0;∞)

6. Найдите, на каком отрезке функция
принимает наибольшее значение, равное 2, и наименьшее значение, равное -3.

1) 2) (-5;2) 3) 4) (-3;2)

на промежутке

1) -1/2 2) 5 3) 2 4) 4

8. Найдите сумму всех натуральных чисел, не входящих в множеств значений функции

1) 3 2) 6 3) 10 4) 8

Вариант 6

1. Укажите наибольшее целое значение функции

1) 2 2) 4 3) 3 4) 5

2. Какое из следующих чисел не входит в область значений функции

1) 35 2) 7, 28 3) 7, 85 4) 128

3. Укажите множество значений функции

1) [-1/3;0] 2) (-3;2/5) 3) (0;1/3) 4) (0;2/5)

4. Найдите все точки на ОУ, являющиеся проекциями точек графика функции

1) (0;∞) 2) 2) (-3;2) 3) [ log 2 3;2] 4) (log 2 3;2)

6. Найдите на каком отрезке функция
принимает наименьшее значение, равное -2, и наибольшее значение, равное 4.

1) [-17/9;79] 2) [-1,5;82] 3) (-11/9;79] 4) (-17/9;79)

7. Укажите наибольшее значение функции
на промежутке

[-0,9; 0]. 2. Найдите наименьшее значение функции на отрезке .

4. Сколько целых значений принимает функция

Ответы

Часть 1

Множество значений показательной и логарифмической функции

Часть 2

Зависимость одной переменной от другой называется функциональной зависимостью. Зависимость переменной y от переменной x называется функцией , если каждому значению x соответствует единственное значение y .

Обозначение:

Переменную x называют независимой переменной или аргументом , а переменную y - зависимой. Говорят, что y является функцией от x . Значение y , соответствующее заданному значению x , называют значением функции .

Все значения, которые принимает x , образуют область определения функции ; все значения, которые принимает y , образуют множество значений функции .

Обозначения:

D(f) - значения аргумента. E(f) - значения функции. Если функция задана формулой, то считают, что область определения состоит из всех значений переменной, при которых эта формула имеет смысл.

Графиком функции называется множество всех точек на координатной плоскости , абсциссы которых равны значениям аргумента, а ординаты - соответствующим значениям функции. Если некоторому значению x=x 0 соответствуют несколько значений (а не одно) y , то такое соответствие не является функцией. Для того чтобы множество точек координатной плоскости являлось графиком некоторой функции, необходимо и достаточно, чтобы любая прямая параллельная оси Оу, пересекалась с графиком не более чем в одной точке.

Способы задания функции

1) Функция может быть задана аналитически в виде формулы. Например,

2) Функция может быть задана таблицей из множества пар (x; y) .

3) Функция может быть задана графически. Пары значений (x; y) изображаются на координатной плоскости.

Монотонность функции

Функция f(x) называется возрастающей на данном числовом промежутке, если большему значению аргумента соответствует большее значение функции. Представьте, что некоторая точка движется по графику слева направо. Тогда точка будет как бы "взбираться" вверх по графику.

Функция f(x) называется убывающей на данном числовом промежутке, если большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции. Представьте, что некоторая точка движется по графику слева направо. Тогда точка будет как бы "скатываться" вниз по графику.

Функция, только возрастающая или только убывающая на данном числовом промежутке, называется монотонной на этом промежутке.

Нули функции и промежутки знакопостоянства

Значения х , при которых y=0 , называется нулями функции . Это абсциссы точек пересечения графика функции с осью Ох.

Такие промежутки значений x , на которых значения функции y либо только положительные, либо только отрицательные, называются промежутками знакопостоянства функции.

Четные и нечетные функции

Четная функция
1) Область определения симметрична относительно точки (0; 0), то есть если точка a принадлежит области определения, то точка -a также принадлежит области определения.
2) Для любого значения x f(-x)=f(x)
3) График четной функции симметричен относительно оси Оу.

Нечетная функция обладает следующими свойствами:
1) Область определения симметрична относительно точки (0; 0).
2) для любого значения x , принадлежащего области определения, выполняется равенство f(-x)=-f(x)
3) График нечетной функции симметричен относительно начала координат (0; 0).

Не всякая функция является четной или нечетной. Функции общего вида не являются ни четными, ни нечетными.

Периодические функции

Функция f называется периодической, если существует такое число , что при любом x из области определения выполняется равенство f(x)=f(x-T)=f(x+T) . T - это период функции.

Всякая периодическая функция имеет бесконечное множество периодов. На практике обычно рассматривают наименьший положительный период.

Значения периодической функции через промежуток, равный периоду, повторяются. Это используют при построении графиков.

D(f) - те значения, которые может принимать аргумент, т.е. область определения функции .

E(f) - те значения, которые может принимать функция, т.е. множество значений функции .

Способы нахождения областей значений функций.

последовательное нахождение значений сложных аргументов функции;

метод оценок/границ;

использование свойств непрерывности и монотонности функции;

использование производной;

использование наибольшего и наименьшего значений функции;

графический метод;

метод введения параметра;

метод обратной функции.

Рассмотрим некоторые из них.

Используя производную

Общий подход к нахождению множества значений непрерывной функции f(x) заключается в нахождении наибольшего и наименьшего значения функции f(x) в области ее определения (или в доказательстве того, что одно из них или оба не существуют).

В случае, если нужно найти множества значений функции на отрезке :

найти производную данной функции f "(x);

найти критические точки функции f(x) и выбрать те из них, которые принадлежат данному отрезку;

вычислить значения функции на концах отрезка и в выбранных критических точках;

среди найденных значений выбрать наименьшее и наибольшее значения;

Множество значений функции заключить между этими значениями.

Если областью определения функции является интервал , то используется та же схема, но вместо значений на концах используются пределы функции при стремлении аргумента к концам интервала. Значения пределов из не входят в множество значений.

Метод границ/оценок

Для нахождения множества значений функции сначала находят множество значений аргумента, а затем отыскивают соответствующие наименьше и наибольшее значения функции функции. Используя неравенства - определяют границы.

Суть состоит в оценке непрерывной функции снизу и сверху и в доказательстве достижения функцией нижней и верхней границы оценок. При этом совпадение множества значений функции с промежутком от нижней границы оценки до верхней обуславливается непрерывностью функции и отсутствием у неё других значений.

Свойства непрерывной функции

Другой вариант заключается в преобразовании функции в непрерывную монотонную, тогда используя свойства неравенств оценивают множество значений вновь полученной функции.

Последовательное нахождение значений сложных аргументов функции

Основан на последовательном отыскании множества значений промежуточных функций, из которых составлена функция

Области значений основных элементарных функций

Функция	Множество значений
$y = kx+ b$	E(y) = (-∞;+∞)
$y = x^{2n}$	E(y) =
$y = \cos{x}$	E(y) = [-1;1]
$y = {\rm tg}\, x$	E(y) = (-∞;+∞)
$y = {\rm ctg}\, x$	E(y) = (-∞;+∞)
$y = \arcsin{x}$	E(y) = [-π/2; π/2]
$y = \arccos{x}$	E(y) =
$y = {\rm arctg}\, x$	E(y) = (-π/2; π/2)
$y = {\rm arcctg}\, x$	E(y) = (0; π)

Примеры

Найдите множество значений функции:

Используя производную

Находим область определения: D(f)=[-3;3], т.к. $9-x^{2}\geq 0$

Находим производную: $f"(x)=-\frac{x}{\sqrt{9-x^{2}}}$

f"(x) = 0, если x = 0. f"(x) не существует, если $\sqrt{9-x^{2}}=0$ то есть при x = ±3. Получаем три критические точки: x 1 = –3, x 2 = 0, x 3 = 3, две из которых совпадают с концами отрезка. Вычислим: f(–3) = 0, f(0) = 3, f(3) = 0. Таким образом, наименьшее значение f(x) равно 0, наибольшее значение равно 3.

Ответ: E(f) = .

НЕ используя производную

Найдите наибольшее и наименьшее значения функции:

Так как $
f(x) = 1-\cos^{2}{x}+\cos{x}-\frac{1}{2} =
= 1-\frac{1}{2}+\frac{1}{4}-(\cos^{2}{x}-2\cdot\cos{x}\cdot\frac{1}{2}+(\frac{1}{2})^2) =
= \frac{3}{4}-(\cos{x}-\frac{1}{2})^{2} $ , то:

$f(x)\leq \frac{3}{4}$ при всех x;

$f(x)\geq \frac{3}{4}-(\frac{3}{2})^{2}=-\frac{3}{2}$ при всех x(ибо $|\cos{x}|\leq 1$);

$f(\frac{\pi}{3})= \frac{3}{4}-(\cos{\frac{\pi}{3}}-\frac{1}{2})^{2}=\frac{3}{4}$;

$f(\pi)= \frac{3}{4}-(\cos{\pi}-\frac{1}{2})^{2}=-\frac{3}{2}$;

Ответ: $\frac{3}{4}$ и $-\frac{3}{2}$

Если решать эту задачу с помощью производных, то потребуется преодолевать препятствия, связанные с тем, что функция f(x) определена не на отрезке, а на всей числовой прямой.

Используя метод границ/оценок

Из определения синуса следует, $-1\leq\sin{x}\leq 1$. Далее воспользуемся свойствами числовых неравенств.

$-4\leq - 4\sin{x}\leq 4$, (умножили все три части двойного неравенства на -4);

$1\leq 5 - 4\sin{x}\leq 9$ (прибавили к трем частям двойного неравенства 5);

Так как данная функция непрерывна на всей области определения, то множество ее значений заключено между наименьшим и наибольшим ее значением на всей области определения, если таковые существуют.

В данном случае множество значений функции $y = 5 - 4\sin{x}$ есть множество .

Из неравенств $$ \\ -1\leq\cos{7x}\leq 1 \\ -5\leq 5\cos{x}\leq 5 $$ получим оценку $$\\ -6\leq y\leq 6$$

При x = р и x = 0 функция принимает значения -6 и 6, т.е. достигает нижней и верхней границы оценки. Как линейная комбинация непрерывных функций cos(7x) и cos(x), функция y непрерывна на всей числовой оси, поэтому по свойству непрерывной функции она принимает все значения с -6 до 6 включительно, и только их, так как в силу неравенств $-6\leq y\leq 6$ другие значения у неё невозможны.

Следовательно, E(y) = [-6;6].

$$ \\ -1\leq\sin{x}\leq 1 \\ 0\leq\sin^{2}{x}\leq 1 \\ 0\leq2\sin^{2}{x}\leq 2 \\ 1\leq1+2\sin^{2}{x}\leq 3 $$ Ответ: E(f) = .

$$ \\ -\infty < {\rm tg}\, x < +\infty \\ 0 \leq {\rm tg}^{2}\, x < +\infty \\ 3 \leq 3+{\rm tg}^{2}\, x < +\infty \\ 2^{3} \leq 2^{3+{\rm tg}^{2}\, x} < +\infty \\ -\infty < -2^{3+{\rm tg}^{2}\, x} \leq -8 \\ -\infty < 3-2^{3+{\rm tg}^{2}\, x} \leq -5 $$ Ответ: E(f) = (–∞; -5].

$$ \\ -\infty < \lg{x} < +\infty \\ 0 \leq \lg^{2}{x} < +\infty \\ -\infty < -\lg^{2}{x} \leq 0 \\ -\infty < 16-\lg^{2}{x} \leq 16 \\ 0 \leq \sqrt{16-\lg^{2}{x}} \leq 4 \\ 2 \leq 2+\sqrt{16-\lg^{2}{x}} \leq 6 $$ Ответ: E(f) = .

Преобразуем выражение $$ \\ \sin{x} + \cos{x} = \sin{x} + \sin(\frac{\pi}{2} - x) = \\ 2\sin\left ({\frac{x + \frac{\pi}{2} - x}{2}} \right)\cos\left ({\frac{x + \frac{\pi}{2} + x}{2}} \right) \\ = 2\sin(\frac{\pi}{4})cos(x +\frac{\pi}{4}) = \sqrt{2}cos(x +\frac{\pi}{4}) $$.

Из определения косинуса следует $$ \\ -1\leq\cos{x}\leq 1; \\ -1\leq \cos{(x + \frac{\pi}{4})}\leq 1; \\ -\sqrt{2}\leq \sqrt{2}\cos{(x +\frac{\pi}{4})}\leq\sqrt{2}; $$

Так какданная функция непрерывна на всей области определения, то множество ее значений заключено между наименьшим и наибольшим ее значением, если таковые существуют, множество значений функции $y =\sqrt{2}\cos({x +\frac{\pi}{4}})$ есть множество $[-\sqrt{2};\sqrt{2}]$.

$$\\ E(3^{x}) = (0;+∞), \\ E(3^{x}+ 1) = (1;+∞), \\ E(-(3^{x}+ 1)^{2} = (-∞;-1), \\ E(5 – (3^{x}+1)^{2}) = (-∞;4) $$

Обозначим $t = 5 – (3^{x}+1)^{2}$, где -∞≤t≤4. Тем самым задача сводится к нахождению множества значений функции $y = \log_{0,5}{t}$ на луче (-∞;4). Так как функция $y = \log_{0,5}{t}$ определена лишь при t > 0 , то её множество значений на луче (-∞;4) совпадает со множеством значений функции на интервале (0;4), представляющем собой пересечение луча (-∞;4) с областью определения (0;+∞) логарифмической функции. На интервале (0;4) эта функция непрерывна и убывает. При t > 0 она стремится к +∞, а при t = 4 принимает значение -2, поэтому E(y) = (-2, +∞).

Используем прием, основанный на графическом изображении функции.

После преобразований функции, имеем: y 2 + x 2 = 25, причем y ≥ 0, |x| ≤ 5.

Следует напомнить, что $x^{2}+y^{2}=r^{2}$ - уравнение окружности радиуса r.

При этих ограничениях графиком данного уравнения является верхняя полуокружность с центром в начале координат и радиусом, равным 5. Очевидно, что E(y) = .

Ответ: E(y) = .

Использованная литература

Область значения функций в задачах ЕГЭ, Минюк Ирина Борисовна

Советы по нахождению множества значений функции, Беляева И., Федорова С.

Нахождение множества значений функции

Как решать задачи по математике на вступительных экзаменах, И.И.Мельников, И.Н.Сергеев

Зачастую в рамках решения задач нам приходится искать множество значений функции на области определения или отрезке. Например, это нужно делать при решении разных типов неравенств, оценках выражений и др.

В рамках этого материала мы расскажем, что из себя представляет область значений функции, приведем основные методы, которыми ее можно вычислить, и разберем задачи различной степени сложности. Для наглядности отдельные положения проиллюстрированы графиками. Прочитав эту статью, вы получите исчерпывающее представление об области значений функции.

Начнем с базовых определений.

Определение 1

Множество значений функции y = f (x) на некотором интервале x представляет собой множество всех значений, которые данная функция принимает при переборе всех значений x ∈ X .

Определение 2

Область значений функции y = f (x) – это множество всех ее значений, которые она может принять при переборе значений x из области x ∈ (f) .

Область значений некоторой функции принято обозначать E (f) .

Обратите внимание, что понятие множества значений функции не всегда тождественно области ее значений. Эти понятия будут равнозначны только в том случае, если интервал значений x при нахождении множества значений совпадет с областью определения функции.

Важно также различать область значений и область допустимых значений переменной x для выражения в правой части y = f (x) . Область допустимых значений x для выражения f (x) и будет областью определения данной функции.

Ниже приводится иллюстрация, на которой показаны некоторые примеры. Синие линии – это графики функций, красные – асимптоты, рыжие точки и линии на оси ординат – это области значений функции.

Очевидно, что область значений функции можно получить при проецировании графика функции на ось O y . При этом она может представлять собой как одно число, так и множество чисел, отрезок, интервал, открытый луч, объединение числовых промежутков и др.

Рассмотрим основные способы нахождения области значений функции.

Начнем с определения множества значений непрерывной функции y = f (x) на некотором отрезке, обозначенном [ a ; b ] . Мы знаем, что функция, непрерывная на некотором отрезке, достигает на нем своего минимума и максимума, то есть наибольшего m a x x ∈ a ; b f (x) и наименьшего значения m i n x ∈ a ; b f (x) . Значит, у нас получится отрезок m i n x ∈ a ; b f (x) ; m a x x ∈ a ; b f (x) , в котором и будут находиться множества значений исходной функции. Тогда все, что нам нужно сделать, – это найти на этом отрезке указанные точки минимума и максимума.

Возьмем задачу, в которой нужно определить область значений арксинуса.

Пример 1

Условие: найдите область значений y = a r c sin x .

Решение

В общем случае область определения арксинуса располагается на отрезке [ - 1 ; 1 ] . Нам надо определить наибольшее и наименьшее значение указанной функции на нем.

y " = a r c sin x " = 1 1 - x 2

Мы знаем, что производная функции будет положительной для всех значений x , расположенных в интервале [ - 1 ; 1 ] , то есть на протяжении всей области определения функция арксинуса будет возрастать. Значит, самое маленькое значение она примет при x , равном - 1 , а самое большое – при x , равном 1 .

m i n x ∈ - 1 ; 1 a r c sin x = a r c sin - 1 = - π 2 m a x x ∈ - 1 ; 1 a r c sin x = a r c sin 1 = π 2

Таким образом, область значений функции арксинус будет равна E (a r c sin x) = - π 2 ; π 2 .

Ответ: E (a r c sin x) = - π 2 ; π 2

Пример 2

Условие: вычислите область значений y = x 4 - 5 x 3 + 6 x 2 на заданном отрезке [ 1 ; 4 ] .

Решение

Все, что нам нужно сделать, – это вычислить наибольшее и наименьшее значение функции в заданном интервале.

Для определения точек экстремума надо произвести следующие вычисления:

y " = x 4 - 5 x 3 + 6 x 2 " = 4 x 3 + 15 x 2 + 12 x = x 4 x 2 - 15 x + 12 y " = 0 ⇔ x (4 x 2 - 15 x + 12) = 0 x 1 = 0 ∉ 1 ; 4 и л и 4 x 2 - 15 x + 12 = 0 D = - 15 2 - 4 · 4 · 12 = 33 x 2 = 15 - 33 8 ≈ 1 . 16 ∈ 1 ; 4 ; x 3 = 15 + 33 8 ≈ 2 . 59 ∈ 1 ; 4

Теперь найдем значения заданной функции в концах отрезка и точках x 2 = 15 - 33 8 ; x 3 = 15 + 33 8:

y (1) = 1 4 - 5 · 1 3 + 6 · 1 2 = 2 y 15 - 33 8 = 15 - 33 8 4 - 5 · 15 - 33 8 3 + 6 · 15 - 33 8 2 = = 117 + 165 33 512 ≈ 2 . 08 y 15 + 33 8 = 15 + 33 8 4 - 5 · 15 + 33 8 3 + 6 · 15 + 33 8 2 = = 117 - 165 33 512 ≈ - 1 . 62 y (4) = 4 4 - 5 · 4 3 + 6 · 4 2 = 32

Значит, множество значений функции будет определяться отрезком 117 - 165 33 512 ; 32 .

Ответ: 117 - 165 33 512 ; 32 .

Перейдем к нахождению множества значений непрерывной функции y = f (x) в промежутках (a ; b) , причем a ; + ∞ , - ∞ ; b , - ∞ ; + ∞ .

Начнем с определения наибольшей и наименьшей точки, а также промежутков возрастания и убывания на заданном интервале. После этого нам нужно будет вычислить односторонние пределы в концах интервала и/или пределы на бесконечности. Иными словами, нам надо определить поведении функции в заданных условиях. Для этого у нас есть все необходимые данные.

Пример 3

Условие: вычислите область значений функции y = 1 x 2 - 4 на интервале (- 2 ; 2) .

Решение

Определяем наибольшее и наименьшее значение функции на заданном отрезке

y " = 1 x 2 - 4 " = - 2 x (x 2 - 4) 2 y " = 0 ⇔ - 2 x (x 2 - 4) 2 = 0 ⇔ x = 0 ∈ (- 2 ; 2)

У нас получилось максимальное значение, равное 0 , поскольку именно в этой точке происходит перемена знака функции и график переходит к убыванию. См. на иллюстрацию:

То есть y (0) = 1 0 2 - 4 = - 1 4 будет максимальным значений функции.

Теперь определим поведение функции при таком x, который стремится к - 2 с правой стороны и к + 2 с левой стороны. Иными словами, найдем односторонние пределы:

lim x → - 2 + 0 1 x 2 - 4 = lim x → - 2 + 0 1 (x - 2) (x + 2) = = 1 - 2 + 0 - 2 - 2 + 0 + 2 = - 1 4 · 1 + 0 = - ∞ lim x → 2 + 0 1 x 2 - 4 = lim x → 2 + 0 1 (x - 2) (x + 2) = = 1 2 - 0 - 2 2 - 0 + 2 = 1 4 · 1 - 0 = - ∞

У нас получилось, что значения функции будут возрастать от минус бесконечности до - 1 4 тогда, когда аргумент изменяется в пределах от - 2 до 0 . А когда аргумент меняется от 0 до 2 , значения функции убывают к минус бесконечности. Следовательно, множеством значений заданной функции на нужном нам интервале будет (- ∞ ; - 1 4 ] .

Ответ: (- ∞ ; - 1 4 ] .

Пример 4

Условие : укажите множество значений y = t g x на заданном интервале - π 2 ; π 2 .

Решение

Нам известно, что в общем случае производная тангенса в - π 2 ; π 2 будет положительной, то есть функция будет возрастать. Теперь определим, как ведет себя функция в заданных границах:

lim x → π 2 + 0 t g x = t g - π 2 + 0 = - ∞ lim x → π 2 - 0 t g x = t g π 2 - 0 = + ∞

Мы получили рост значений функции от минус бесконечности к плюс бесконечности при изменении аргумента от - π 2 до π 2 ,и можно сказать, что множеством решений данной функции будет множество всех действительных чисел.

Ответ: - ∞ ; + ∞ .

Пример 5

Условие: определите, какова область значений функции натурального логарифма y = ln x .

Решение

Нам известно, что данная функция является определенной при положительных значениях аргумента D (y) = 0 ; + ∞ . Производная на заданном интервале будет положительной: y " = ln x " = 1 x . Значит, на нем происходит возрастание функции. Далее нам нужно определить односторонний предел для того случая, когда аргумент стремится к 0 (в правой части), и когда x стремится к бесконечности:

lim x → 0 + 0 ln x = ln (0 + 0) = - ∞ lim x → ∞ ln x = ln + ∞ = + ∞

Мы получили, что значения функции будут возрастать от минус бесконечности до плюс бесконечности при изменении значений x от нуля до плюс бесконечности. Значит, множество всех действительных чисел – это и есть область значений функции натурального логарифма.

Ответ: множество всех действительных чисел – область значений функции натурального логарифма.

Пример 6

Условие: определите, какова область значений функции y = 9 x 2 + 1 .

Решение

Данная функция является определенной при условии, что x – действительное число. Вычислим наибольшие и наименьшие значения функции, а также промежутки ее возрастания и убывания:

y " = 9 x 2 + 1 " = - 18 x (x 2 + 1) 2 y " = 0 ⇔ x = 0 y " ≤ 0 ⇔ x ≥ 0 y " ≥ 0 ⇔ x ≤ 0

В итоге мы определили, что данная функция будет убывать, если x ≥ 0 ; возрастать, если x ≤ 0 ; она имеет точку максимума y (0) = 9 0 2 + 1 = 9 при переменной, равной 0 .

Посмотрим, как же ведет себя функция на бесконечности:

lim x → - ∞ 9 x 2 + 1 = 9 - ∞ 2 + 1 = 9 · 1 + ∞ = + 0 lim x → + ∞ 9 x 2 + 1 = 9 + ∞ 2 + 1 = 9 · 1 + ∞ = + 0

Из записи видно, что значения функции в этом случае будут асимптотически приближаться к 0.

Подведем итоги: когда аргумент изменяется от минус бесконечности до нуля, то значения функции возрастают от 0 до 9 . Когда значения аргумента меняются от 0 до плюс бесконечности, соответствующие значения функции будут убывать от 9 до 0 . Мы отобразили это на рисунке:

На нем видно, что областью значений функции будет интервал E (y) = (0 ; 9 ]

Ответ: E (y) = (0 ; 9 ]

Если нам надо определить множество значений функции y = f (x) на промежутках [ a ; b) , (a ; b ] , [ a ; + ∞) , (- ∞ ; b ] , то нам понадобится провести точно такие же исследования. Эти случаи мы пока не будем разбирать: далее они нам еще встретятся в задачах.

А как быть в случае, если область определения некоторой функции представляет из себя объединение нескольких промежутков? Тогда нам надо вычислить множества значений на каждом из этих промежутков и объединить их.

Пример 7

Условие: определите, какова будет область значений y = x x - 2 .

Решение

Поскольку знаменатель функции не должен быть обращен в 0 , то D (y) = - ∞ ; 2 ∪ 2 ; + ∞ .

Начнем с определения множества значений функции на первом отрезке - ∞ ; 2 , который представляет из себя открытый луч. Мы знаем, что функция на нем будет убывать, то есть производная данной функции будет отрицательной.

lim x → 2 - 0 x x - 2 = 2 - 0 2 - 0 - 2 = 2 - 0 = - ∞ lim x → - ∞ x x - 2 = lim x → - ∞ x - 2 + 2 x - 2 = lim x → - ∞ 1 + 2 x - 2 = 1 + 2 - ∞ - 2 = 1 - 0

Тогда в тех случаях, когда аргумент изменяется по направлению к минус бесконечности, значения функции будут асимптотически приближаться к 1 . Если же значения x меняются от минус бесконечности до 2 , то значения будут убывать от 1 до минус бесконечности, т.е. функция на этом отрезке примет значения из интервала - ∞ ; 1 . Единицу мы исключаем из наших рассуждений, поскольку значения функции ее не достигают, а лишь асимптотически приближаются к ней.

Для открытого луча 2 ; + ∞ производим точно такие же действия. Функция на нем также является убывающей:

lim x → 2 + 0 x x - 2 = 2 + 0 2 + 0 - 2 = 2 + 0 = + ∞ lim x → + ∞ x x - 2 = lim x → + ∞ x - 2 + 2 x - 2 = lim x → + ∞ 1 + 2 x - 2 = 1 + 2 + ∞ - 2 = 1 + 0

Значения функции на данном отрезке определяются множеством 1 ; + ∞ . Значит, нужная нам область значений функции, заданной в условии, будет объединением множеств - ∞ ; 1 и 1 ; + ∞ .

Ответ: E (y) = - ∞ ; 1 ∪ 1 ; + ∞ .

Это можно увидеть на графике:

Особый случай – периодические функции. Их область значения совпадает с множеством значений на том промежутке, который отвечает периоду этой функции.

Пример 8

Условие: определите область значений синуса y = sin x .

Решение

Синус относится к периодической функции, а его период составляет 2 пи. Берем отрезок 0 ; 2 π и смотрим, каким будет множество значений на нем.

y " = (sin x) " = cos x y " = 0 ⇔ cos x = 0 ⇔ x = π 2 + πk , k ∈ Z

В рамках 0 ; 2 π у функции будут точки экстремума π 2 и x = 3 π 2 . Подсчитаем, чему будут равны значения функции в них, а также на границах отрезка, после чего выберем самое большое и самое маленькое значение.

y (0) = sin 0 = 0 y π 2 = sin π 2 = 1 y 3 π 2 = sin 3 π 2 = - 1 y (2 π) = sin (2 π) = 0 ⇔ min x ∈ 0 ; 2 π sin x = sin 3 π 2 = - 1 , max x ∈ 0 ; 2 π sin x = sin π 2 = 1

Ответ: E (sin x) = - 1 ; 1 .

Если вам нужно знать области значений таких функций, как степенная, показательная, логарифмическая, тригонометрическая, обратная тригонометрическая, то советуем вам перечитать статью об основных элементарных функциях. Теория, которую мы приводим здесь, позволяет проверить указанные там значения. Их желательно выучить, поскольку они часто требуются при решении задач. Если вы знаете области значений основных функций, то легко сможете находить области функций, которые получены из элементарных с помощью геометрического преобразования.

Пример 9

Условие: определите область значения y = 3 a r c cos x 3 + 5 π 7 - 4 .

Решение

Нам известно, что отрезок от 0 до пи есть область значений арккосинуса. Иными словами, E (a r c cos x) = 0 ; π или 0 ≤ a r c cos x ≤ π . Мы можем получить функцию a r c cos x 3 + 5 π 7 из арккосинуса, сдвинув и растянув ее вдоль оси O x , но такие преобразования нам ничего не дадут. Значит, 0 ≤ a r c cos x 3 + 5 π 7 ≤ π .

Функция 3 a r c cos x 3 + 5 π 7 может быть получена из арккосинуса a r c cos x 3 + 5 π 7 с помощью растяжения вдоль оси ординат, т.е. 0 ≤ 3 a r c cos x 3 + 5 π 7 ≤ 3 π . Финалом преобразований является сдвиг вдоль оси O y на 4 значения. В итоге получаем двойное неравенство:

0 - 4 ≤ 3 a r c cos x 3 + 5 π 7 - 4 ≤ 3 π - 4 ⇔ - 4 ≤ 3 arccos x 3 + 5 π 7 - 4 ≤ 3 π - 4

Мы получили, что нужная нам область значений будет равна E (y) = - 4 ; 3 π - 4 .

Ответ: E (y) = - 4 ; 3 π - 4 .

Еще один пример запишем без пояснений, т.к. он полностью аналогичен предыдущему.

Пример 10

Условие: вычислите, какова будет область значений функции y = 2 2 x - 1 + 3 .

Решение

Перепишем функцию, заданную в условии, как y = 2 · (2 x - 1) - 1 2 + 3 . Для степенной функции y = x - 1 2 область значений будет определена на промежутке 0 ; + ∞ , т.е. x - 1 2 > 0 . В таком случае:

2 x - 1 - 1 2 > 0 ⇒ 2 · (2 x - 1) - 1 2 > 0 ⇒ 2 · (2 x - 1) - 1 2 + 3 > 3

Значит, E (y) = 3 ; + ∞ .

Ответ: E (y) = 3 ; + ∞ .

Теперь разберем, как найти область значений функции, которая не является непрерывной. Для этого нам надо разбить всю область на промежутки и найти множества значений на каждом из них, после чего объединить то, что получилось. Чтобы лучше понять это, советуем повторить основные виды точек разрыва функции.

Пример 11

Условие: дана функция y = 2 sin x 2 - 4 , x ≤ - 3 - 1 , - 3 < x ≤ 3 1 x - 3 , x > 3 . Вычислите область ее значений.

Решение

Данная функция является определенной для всех значений x . Проведем ее анализ на непрерывность при значениях аргумента, равных - 3 и 3:

lim x → - 3 - 0 f (x) = lim x → - 3 2 sin x 2 - 4 = 2 sin - 3 2 - 4 = - 2 sin 3 2 - 4 lim x → - 3 + 0 f (x) = lim x → - 3 (1) = - 1 ⇒ lim x → - 3 - 0 f (x) ≠ lim x → - 3 + 0 f (x)

Имеем неустранимый разрыв первого рода при значении аргумента - 3 . При приближении к нему значения функции стремятся к - 2 sin 3 2 - 4 , а при стремлении x к - 3 с правой стороны значения будут стремиться к - 1 .

lim x → 3 - 0 f (x) = lim x → 3 - 0 (- 1) = 1 lim x → 3 + 0 f (x) = lim x → 3 + 0 1 x - 3 = + ∞

Имеем неустранимый разрыв второго рода в точке 3 . Когда функция стремится к нему, ее значения приближаются к - 1 , при стремлении к той же точке справа – к минус бесконечности.

Значит, вся область определения данной функции является разбитой на 3 интервала (- ∞ ; - 3 ] , (- 3 ; 3 ] , (3 ; + ∞) .

На первом из них у нас получилась функция y = 2 sin x 2 - 4 . Поскольку - 1 ≤ sin x ≤ 1 , получаем:

1 ≤ sin x 2 < 1 ⇒ - 2 ≤ 2 sin x 2 ≤ 2 ⇒ - 6 ≤ 2 sin x 2 - 4 ≤ - 2

Значит, на данном промежутке (- ∞ ; - 3 ] множество значении функции – [ - 6 ; 2 ] .

На полуинтервале (- 3 ; 3 ] получилась постоянная функция y = - 1 . Следовательно, все множество ее значений в данном случае будет сводится к одному числу - 1 .

На втором промежутке 3 ; + ∞ у нас есть функция y = 1 x - 3 . Она является убывающей, потому что y " = - 1 (x - 3) 2 < 0 . Она будет убывать от плюс бесконечности до 0 , но самого 0 не достигнет, потому что:

lim x → 3 + 0 1 x - 3 = 1 3 + 0 - 3 = 1 + 0 = + ∞ lim x → + ∞ 1 x - 3 = 1 + ∞ - 3 = 1 + ∞ + 0

Значит, множество значений исходной функции при x > 3 представляет собой множество 0 ; + ∞ . Теперь объединим полученные результаты: E (y) = - 6 ; - 2 ∪ - 1 ∪ 0 ; + ∞ .

Ответ: E (y) = - 6 ; - 2 ∪ - 1 ∪ 0 ; + ∞ .

Решение показано на графике:

Пример 12

Условие: есть функция y = x 2 - 3 e x . Определите множество ее значений.

Решение

Она определена для всех значений аргумента, представляющих собой действительные числа. Определим, в каких промежутках данная функция будет возрастать, а в каких убывать:

y " = x 2 - 3 e x " = 2 x e x - e x (x 2 - 3) e 2 x = - x 2 + 2 x + 3 e x = - (x + 1) (x - 3) e x

Мы знаем, что производная обратится в 0 , если x = - 1 и x = 3 . Поместим эти две точки на ось и выясним, какие знаки будет иметь производная на получившихся интервалах.

Функция будет убывать на (- ∞ ; - 1 ] ∪ [ 3 ; + ∞) и возрастать на [ - 1 ; 3 ] . Точкой минимума будет - 1 , максимума – 3 .

Теперь найдем соответствующие значения функции:

y (- 1) = - 1 2 - 3 e - 1 = - 2 e y (3) = 3 2 - 3 e 3 = 6 e - 3

Посмотрим на поведение функции на бесконечности:

lim x → - ∞ x 2 - 3 e x = - ∞ 2 - 3 e - ∞ = + ∞ + 0 = + ∞ lim x → + ∞ x 2 - 3 e x = + ∞ 2 - 3 e + ∞ = + ∞ + ∞ = = lim x → + ∞ x 2 - 3 " e x " = lim x → + ∞ 2 x e x = + ∞ + ∞ = = lim x → + ∞ 2 x " (e x) " = 2 lim x → + ∞ 1 e x = 2 · 1 + ∞ = + 0

Для вычисления второго предела было использовано правило Лопиталя. Изобразим ход нашего решения на графике.

На нем видно, что значения функции будут убывать от плюс бесконечности до - 2 e тогда, когда аргумент меняется от минус бесконечности до - 1 . Если же он изменяется от 3 до плюс бесконечности, то значения будут убывать от 6 e - 3 до 0 , но при этом 0 достигнут не будет.

Таким образом, E (y) = [ - 2 e ; + ∞) .

Ответ: E (y) = [ - 2 e ; + ∞)

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter