Как доказать что композиция двух возрастающих функций есть возрастающая функция

Тема урока «Множество значений функции в задачах ЕГЭ»

Сегодня на уроке мы обратимся к одному из основных понятий математики — понятию функции; более детально рассмотрим одно из свойств функции — множество ее значений.

Ход урока

Учитель. Решая задачи, мы замечаем, что подчас именно нахождение множества значений функции ставит нас в затруднительные ситуации. Почему? Казалось бы, изучая функцию с 7-го класса, мы знаем о ней достаточно много. Поэтому у нас есть все основания сделать упреждающий ход. Давайте сегодня сами «поиграем» с множеством значений функции, чтобы снять многие вопросы этой темы на предстоящем экзамене.

Множества значений элементарных функций

Учитель. Для начала необходимо повторить графики, уравнения и множества значений основных элементарных функций на всей области определения.

На экран проецируются графики функций: линейной, квадратичной, дробно-рациональной, тригонометрических, показательной и логарифмической, для каждой из них устно определяется множество значений. Обратите внимание учащихся на то, что у линейной функции E(f) = R или одно число, у дробно-линейной

Это наша азбука. Присоединив к ней наши знания о преобразованиях графиков: параллельный перенос, растяжение, сжатие, отражение, мы сможем решить задачи первой части ЕГЭ и даже чуть сложнее. Проверим это.

Условия задач и системы координат напечатаны для каждого ученика.

1. Найдите множество значений функции на всей области определения:

а) y = 3 sin х ;
б) y = 7 – 2 х ;
в) y = –arccos (x + 5):
г) y = | arctg x |;
д)

2. Найдите множество значений функции y = x 2 на промежутке J, если:

3. Задайте функцию аналитически (уравнением), если множество ее значений:

а) квадратичная,
б) логарифмическая,
в) показательная;

При обсуждении задания 2 самостоятельной работы обратите внимание учащихся на то, что, в случае монотонности и непрерывности функции y = f(x) на заданном промежутке [a; b], множество ее значений — промежуток, концами которого являются значения f(a) и f(b).

Варианты ответов к заданию 3.

2.
а) б)

Нахождение множества значений функции с помощью производной

Учитель. В 10-м классе мы знакомились с алгоритмом нахождения экстремумов непрерывной на отрезке функции и отыскания ее множества значений, не опираясь на график функции. Вспомните, как мы это делали? (С помощью производной.) Давайте вспомним этот алгоритм.

1. Убедиться, что функция y = f(x) определена и непрерывна на отрезке J = [a; b].

2. Найти значения функции на концах отрезка: f(a) и f(b).

3. Найти производную, а затем критические точки x_k J.

4. Найти значения функции в критических точках f(x_k).

5. Сравнить значения функции f(a), f(b) и f(x_k), выбрать наибольшее и наименьшее значения функции и дать ответ: E(f)= [f_наим; f_наиб].

Задачи на применение данного алгоритма встречаются в вариантах ЕГЭ. Так, например, в 2008 году была предложена такая задача. Вам предстоит решить ее дома.

Задание С1. Найдите наибольшее значение функции

Нахождение множества значений сложной функции

Учитель. Основную часть нашего урока составят нестандартные задачи, содержащие сложные функции, производные от которых являются очень сложными выражениями. Да и графики этих функций нам неизвестны. Поэтому для решения мы будем использовать определение сложной функции, то есть зависимость между переменными в порядке их вложенности в данную функцию, и оценку их области значений (промежутка изменения их значений). Задачи такого вида встречаются во второй части ЕГЭ. Обратимся к примерам.

Задание 1. Для функций y = f(x) и y = g(x) записать сложную функцию y = f(g(x)) и найти ее множество значений:

а) f(x) = –x 2 + 2x + 3, g(x) = sin x;
б) f(x) = –x 2 + 2x + 3, g(x) = log₇ x;
в) g(x) = x 2 + 1;
г)

Решение. а) Сложная функция имеет вид: y = –sin 2 x + 2sin x + 3.

Вводя промежуточный аргумент t, мы можем записать эту функцию так:

У внутренней функции t = sin x аргумент принимает любые значения, а множество ее значений — отрезок [–1; 1].

Таким образом, для внешней функции y = –t 2 +2t + 3 мы узнали промежуток изменения значений ее аргумента t: t [–1; 1]. Обратимся к графику функции y = –t 2 +2t + 3.

Замечаем, что квадратичная функция при t [–1; 1] принимает наименьшее и наибольшее значения на его концах: y_наим = y(–1) = 0 и y_наиб = y(1) = 4. А так как эта функция непрерывна на отрезке [–1; 1], то она принимает и все значения между ними.

Ответ: y [0; 4].

б) Композиция этих функций приводит нас к сложной функции которая после введения промежуточного аргумента, может быть представлена так:

x (0; + ∞ ), t (– ∞ ; + ∞ ).

У функции y = –t 2 + 2t + 3 (см. график) аргумент t принимает любые значения, а сама квадратичная функция принимает все значения не больше 4.

Ответ: y (– ∞ ; 4].

в) Сложная функция имеет следующий вид:

Вводя промежуточный аргумент, получаем:

где t = x 2 + 1.

Так как для внутренней функции x R, а t [1; + ∞ ), то по графику функции нетрудно видеть, что множеством значений будет промежуток (0; 3].

Ответ: y (0; 3].

г) Композиция двух данных функций дает нам сложную функцию

которая может быть записана как

где k Z, t [–1; 0) (0; 1].

Нарисовав график функции видим, что при этих значениях t

y (– ∞ ; –4] [4; + ∞ ).

Ответ: y (– ∞ ; –4] c [4; + ∞ ).

— Kакая из четырех композиций более сложная и почему?

Четвертая: функция имеет точки разрыва 2-го рода, в которых имеются вертикальные асимптоты.

— Какая из четырех композиций более простая и почему?

Итак, мы познакомились с иным алгоритмом нахождения множества значений сложной функции:

1. Разложить сложную функцию на составляющие ее элементарные функции.

2. Оценить множества значений этих функций в порядке их вложенности в сложную функцию.

Дома вы попробуете решить эту же задачу, но для функции y = g(f(x)) (поменяете порядок вложенности функций).

Учитель. Данные задачи имеют красивое логическое продолжение. Любое уравнение (неравенство) — это две функции, соединенные знаком равенства (неравенства). Зная области значений этих функций, мы можем их сравнить. И если мы увидим, что эти области, границы которых параллельны оси Ох, не имеют общих точек, то их графики не пересекаются. А это значит, что исходное уравнение не имеет решений. Возможны и другие интересные случаи.

Метод оценки при решении уравнений и неравенств

Метод решения уравнений (неравенств), при котором сравниваются множества значений функций, стоящих в левой и правой частях уравнения (неравенства), называют методом оценки.

Задание 2. Учитывая найденные множества значений функций из задания 1, составьте такие уравнения и неравенства, которые решаются методом оценки, и объясните их решение.

Сравнивая множества значений функций из левой и правой частей уравнения, замечаем, что они имеют только один общий элемент — число 4. То есть решениями этого уравнения могут быть только те значения x, при которых обе функции будут принимать значение равное 4.

— Как вы думаете: сколько решений может иметь уравнение в этом случае?

Потребуем выполнения этого необходимого условия от каждой функции и получим систему двух уравнений:

2) — x — любое число, кроме где k Z.

3) — не имеет решений.

4) — не имеет корней.

5) — не имеет решений.

6) — x — любое число, кроме где k Z.

Можно выбрать и нестрогие знаки неравенств.

В вариантах ЕГЭ во второй и третьей частях встречаются задачи, которые решаются методом оценки. Вот одно из таких заданий из вариантов ЕГЭ 2008 года.

Задание В8. Решите уравнение

Рассмотрите его решение дома.

Свойство монотонности сложной функции

Учитель. В ходе урока вы, надеюсь, заметили, что если данная функция монотонна и непрерывна, то поиск области ее значений упрощается. Остановимся на свойстве монотонности сложной функции подробнее.

— От каких данных может зависеть монотонность?

От монотонности входящих в нее функций.

Задание 3. Докажите, что если функция t = g(x) — непрерывна и убывает на некотором промежутке J, а функция y = f(t) также непрерывна и убывает на промежутке J₁, причем из того, что x J, следует, что t J₁, то сложная функция y = f(g(x)) есть функция возрастающая на J.

Доказательство. Так как функции t = g(x) и y = f(t) — убывающие, то каждое свое значение они принимают ровно один раз и большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции. А тогда для любых x₁ и x₂ из J и для t₁ = g(x₁) и t₂ = g(x₂) из J₁ имеем:

для g(x): (x₁ g(x₁) > g(x₂)) (x₁ t₁ > t₂),

для f(t): t₁ > t₂ f(t₁) f(t₁)
Û (x₁ f(g(x₁)) > f(g(x₂))).

То есть функция y = f(g(x)) — возрастает на J. Что и требовалось доказать.

Аналогично можно доказать, что

Задание 4. Найдите множество значений функции у = log₅ (arcctg x) на J, если

б) на всей области определения.

Решение. Вначале исследуем данную функцию на монотонность. Функция t = arcctg x — непрерывная и убывающая на R и множество ее значений (0; π). Функция y = log₅ t определена на промежутке (0; π), непрерывна и возрастает на нем. Значит, данная сложная функция убывает на множестве R. И она, как композиция двух непрерывных функций, будет непрерывна на R.

Так как функция непрерывна на всей числовой оси, то она непрерывна и на любой ее части, в частности, на данном отрезке. А тогда она на этом отрезке имеет наименьшее и наибольшее значения и принимает все значения между ними:

f (4) = log₅ arcctg 4.

— Какое из полученных значений больше? Почему? И каким же будет множество значений?

Ответ:

Ответ: у (– ∞ ; log₅ π) на всей области определения.

Задача с параметром

Теперь попробуем составить и решить несложное уравнение с параметром вида f(x) = a, где f(x) — та же функция, что и в задании 4.

Задание 5. Определите количество корней уравнения log₅ (arcctg x) = а для каждого значения параметра а.

Решение. Как мы уже показали в задании 4, функция у = log₅ (arcctg x) — убывает и непрерывна на R и принимает значения меньше log₅ π. Этих сведений достаточно, чтобы дать ответ.

Ответ: если а ≥ log₅ π, то корней нет.

Учитель. Сегодня мы рассмотрели задачи, связанные с нахождением множества значений функции. На этом пути мы открыли для себя новый метод решения уравнений и неравенств — метод оценки, поэтому нахождение множества значений функции стало средством решения задач более высокого уровня. При этом мы увидели, как конструируются такие задачи и как свойства монотонности функции облегчают их решение.

И мне хочется надеяться, что та логика, которая связала рассмотренные сегодня задачи, вас поразила или хотя бы удивила. Иначе и быть не может: восхождение на новую вершину никого не оставляет равнодушным! Мы замечаем и ценим красивые картины, скульптуры и т.д. Но и в математике есть своя красота, притягивающая и завораживающая — красота логики. Математики говорят, что красивое решение — это, как правило, правильное решение, и это не просто фраза. Теперь Вам самим предстоит находить такие решения и один из путей к ним мы указали сегодня. Удачи вам! И помните: дорогу осилит идущий!

Источник

Возрастание и убывание функции

Вы будете перенаправлены на Автор24

При исследовании заданной функции особое внимание уделяется характеру ее поведения: возрастает, не возрастает, убывает, не убывает.

Примеры монотонных функций приведены на рисунках:

Рисунок 1. Возрастающая функция

Рисунок 2. Убывающая функция

Монотонные функции делят на:

Функция является возрастающей, если для большего значения аргумента соответствует большее значение заданной функции. Другими словами, если при возрастании значений аргумента значения заданной функции тоже возрастают, то заданная функция возрастает.

Функция является убывающей, если для большего значения аргумента соответствует меньшее значение заданной функции. Другими словами, если при возрастании значений аргумента значения заданной функции убывают, то заданная функция убывает.

Готовые работы на аналогичную тему

Функция является не возрастающей, если для большего значения аргумента соответствует большее или равное значение заданной функции.

Функция является не убывающей, если для большего значения аргумента соответствует меньшее или равное значение заданной функции.

Не возрастающая, не убывающая и постоянная функции не являются монотонными.

Монотонные функции обладают следующими свойствами:

Между монотонностью заданной функции и ее производной существует определенная связь, которая описывается следующими теоремами:

Сформулируем обратные теоремы.

Теорема, обратная к теореме 1.

Если заданная функция является возрастающей на некотором промежутке, то производная данной функции неотрицательна или не существует.

Теорема, обратная к теореме 2.

Если заданная функция является убывающей на некотором промежутке, то производная данной функции неположительная или не существует.

Для постоянной функции имеет место следующая теорема:

Алгоритм исследования функции на возрастание и убывание включает следующие этапы:

Следовательно, заданная функция убывает на всей области определения

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 16 02 2021

Источник

Композиция функций и функциональные уравнения

Школьный курс математики предполагает обучение учащихся различным методам решения задач на композицию функций, функциональные уравнения и неравенства. Однако, пожалуй впервые, в явном виде учащиеся общеобразовательных классов сталкиваются с понятием «композиция функций» в теме «Производная и ее применение» при выводе формулы производной сложной функции. Использование же этого понятия даже в достаточно простых задачах из других тем школьного курса вызывает у них большие трудности. Поэтому обращение авторов к данной теме является актуальным.
Наш опыт показывает, что и в ЕГЭ, и на олимпиадах разного уровня довольно часто встречаются задания на композицию функций, функциональные уравнения и неравенства, которые необходимо решать нетрадиционными способами, но в школьных учебниках не уделяется должного внимания методам их решения. Кроме того, при решении этих задач не подходит ни один стандартный (известный) алгоритм и учащимся приходится применять более широкий спектр теоретических знаний, проявлять сообразительность и умение рассуждать. Можно добавить, что они просто интересны, а решения некоторых из них необыкновенно красивы. Заметим, что такие задачи не выходят за рамки школьной программы, поскольку могут быть решены школьными методами. Поэтому изучение школьниками данной тематики улучшает закрепление пройденного материала, способствует развитию интереса к предмету, позволяет отработать различные способы решения задач при подготовке к ЕГЭ, олимпиадам разного уровня и вступительным испытаниям в вузы (в которых эти испытания сохранились).
Авторы настоящей статьи ставили перед собой цель познакомить заинтересованного читателя с основными подходами и методами решения задач, в которых фигурирует понятие сложной функции. Надеемся, что подобранный и систематизированный нами материал, а также максимально подробное его изложение будет полезно как учителям, так и школьникам.
Для начала напомним определение.
Пусть заданы две функции y = f(x) и x = g(t), причем область определения функции f содержит множество значений функции g. Тогда каждому числу t из области определения функции g соответствует значение x = g(t), принадлежащее области определения функции f, а ему, в свою очередь, соответствует число y = f(x).
Таким образом, каждому числу t из области определения функции g ставится в соответствие единственное число y из множества значений функции f, а это означает, что на области определения функции g задана функция, которую называют сложной функцией или композицией функций. При этом пишут y = f(g(x)).

Спонсор публикации статьи учебный центр «Стимул». Центр предлагает Вам пройти учебные семинары для парикмахеров, семинары по парикмахерскому делу, косметологии, ногтевому сервису, организации туристического бизнеса, компьютерные курсы и другие. Профессиональная программа, квалифицированные преподаватели, доступные цены. Узнать подробнее о курсах в Ульяновске, цены и контакты Вы сможете на сайте, который располагается по адресу: http://www.stimul-kursy.ru/.

Пример 1. (Открытый банк заданий ЕГЭ-2010.) Найти если при | x | ≠ 2.
Решение. Функция g(x) определена при x ∈ (–∞; +∞); g(2 – x) — композиция функций g(x) и f(x) = 2 – x, а g(2 + x) — композиция g(x) и h(x) = 2 + x. Тогда

Отсюда получаем, что выражение имеет смысл при всех | x | ≠ 2 и

Пример 2. Дана функция f(x) = –x 2 + 4x – 3. Решить уравнение f(2x + 3) = 4f(x – 2).
Решение. Опуская некоторые очевидные рассуждения и выкладки, получим для всех действительных x:
f(2x + 3) = –(2x + 3) 2 + 4(2x + 3) – 3 = –4x 2 – 4x,
f(x – 2) = –(x – 2) 2 + 4(x – 2) – 3 = –x 2 + 8x – 15.
Тогда уравнение f(2x + 3) = 4f(x – 2) примет вид:

Ответ:

Пример 3. Дана функция Решить неравенство
2f(x + 3) 2 + 13x + 16 > 0 для всех действительных x, то последнее неравенство выполняется при x ∈ (–4; –2).
Ответ: (–4; –2).

Пример 4. (МИЭТ, 2004, № 9 из 11.) Найти значение f(f(1)), если

Решение. Найдем вначале f(1). Поскольку
1 ≥ –2, то f(1) = –1 – 5 = –6. Значит, f(f(1)) = f(–6). Так как –6 (18; 25].

Пример 6. (Московская межвузовская олимпиада, 2009, № 5.) Пусть Найти значение функции в точке x = 4.
Решение. Установим вид функции для первых трех натуральных значений n.
При
При

Возникает предположение, что

Докажем это утверждение методом математической индукции.
При n = 1, согласно условию задачи, Утверждение истинно.
Пусть при n = k утверждение истинно, и функция имеет вид:

Докажем, что при n = k + 1 функция имеет вид:

Действительно,

Что и требовалось доказать.
Итак,

при всех натуральных n. Следовательно, при
n = 2009:

В последнем соотношении выражение, заключенное в скобки, представляет собой сумму первых 2009 членов геометрической прогрессии со знаменателем и первым членом, равным 2. Тогда

Подставляя в последнее соотношение x = 4, получим ответ:

Пример 7. (МИЭТ, 2002, № 10 из 11.) Построить график функции y = 3| f(f(x)) | + 1, где

Решение. Выполним (по определению композиции функций) формальные преобразования:

Найдем область определения функции f(f(x)):

Таким образом, функция y = 3 ∙ | f(f(x)) | + 1 может быть представлена в виде:

График функции y = 3 ∙ | f(f(x)) | + 1 изображен на рисунке 1.

Пример 8. (МИЭТ, 1999, № 7 из 11.) Изобразите на плоскости Oxy множество точек, координаты которых удовлетворяют условию где f(x) = 1 – | x |.
Решение. Преобразуем уравнение, задающее на плоскости Oxy искомое множество точек:

Множество точек на плоскости Oxy, удовлетворяющих уравнению

очевидно, симметрично относительно координатных осей. Поэтому можно изобразить точки этого множества в первой координатной четверти, а затем окончательно достроить его, последовательно симметрично отразив относительно осей Ox и Oy. Итак, при x ≥ 0 и y ≥ 0 уравнение

примет вид

Тогда, раскрывая по определению модуль, получим:

Поскольку при 0 ≤ x 2 – 6t + 8 на отрезке [x + 1; x + 2]. Постройте график функции f(x).
Решение. Приведем функцию g(t) к виду: g(t) = (t – 3) 2 – 1.
Графиком функции g(t) является парабола, ветви которой направлены вверх, с вершиной в точке (3; –1). Значит, наименьшее значение функции g(t) на отрезке [x + 1; x + 2] будет равно –1, если 3 ∈ [x + 1; x + 2], то есть, записав систему неравенств

получим x ∈ [1; 2].
Если 3 [x + 1; x + 2], то наименьшее значение функции g(t) достигается на левом конце отрезка [x + 1; x + 2] (в случае 3 x + 2).
Следовательно, если x > 2, то наименьшее значение функции g(t) на отрезке [x + 1; x + 2] будет равно
g(x + 1) = (x + 1 – 3) 2 – 1 = (x – 2) 2 – 1.
Если же x 2 – 1 = (x – 1) 2 – 1.
Окончательно получим:

График функции f(x) изображен на рисунке 5.

Далее рассмотрим тип задач, в которых надо найти функцию, если задано некоторое уравнение, в котором в качестве неизвестной выступает сама функция. Такие уравнения называют функциональными уравнениями. В дальнейшем будем рассматривать функциональные уравнения, в которых искомые функции связаны с известными функциями одной переменной с помощью операции образования сложной функции. Отметим также, что функциональные уравнения можно рассматривать как выражение свойства, характеризующего тот или иной класс функций. Например, f(x) = f(–x) — уравнение четности, f(x + T) = f(x) — уравнение периодичности и т.д.
Рассмотрим сначала задачи, в которых требуется найти значения функции, не заданной явно, но обладающей свойствами четности (нечетности), периодичности, или когда из данного функционального уравнения надо вывести (доказать) указанные свойства.

Пример 11. (МИЭТ, 2004, № 8 из 11.) Функция f(x) нечетная и периодическая с периодом
T = 10. Найти значение f(2004), если f(–4) = 1,5.
Решение. Воспользуемся вначале условием периодичности функции f(x). Тогда
f(2004) = f(4 + 10∙200) = f(4).
Поскольку функция f(x) нечетная, то
f(–x) = –f(x),
следовательно,
f(4) = –f(–4) = –1,5.
Ответ: –1,5.

Таким образом получаем, что искомая сумма равна

Пример 13. (МИЭТ, 1994, № 6 из 11.) Известно, что равенство f(x + 2) = –f(x) имеет место для всех действительных x. Доказать, что функция f(x) является периодической с периодом 4.
Решение. Пусть t = x + 2, тогда x = t – 2, и соотношение f(x + 2) = –f(x) примет вид
f(t) = –f(t – 2).
В последнем уравнении вместо переменной (буквы) t может выступать любая другая буква. Поэтому, заменив t на x, получим: f(x) = –f(x – 2). Подставим последнее выражение для f(x) в исходное уравнение и выполним преобразования:
f(x + 2) = –(–f(x – 2)) ⇔ f(x + 2) = f(x – 2).
Пусть u = x – 2, тогда x + 2 = u + 4, и соотношение f(x + 2) = f(x – 2) примет вид:
f(u + 4) = f(u) ⇔ (переобозначение: u ↔ x) ⇔ f(x + 4) = f(x).
Это означает, что функция f(x) является периодической с периодом 4.

Пример 14. (МИЭТ, 1999, № 9 из 11.) Функция f(x), определенная при всех значениях x и не равная 1 ни при каком значении x, удовлетворяет условию

Найти f(2000), если f(2) = 3.
Решение. Докажем, что функция f(x) является периодической и найдем ее период.
Пусть t = x + 2, тогда x = t – 2, и соотношение

В последнем уравнении вместо переменной (буквы) t может выступать любая другая буква. Поэтому, заменив t на x, получим:

Подставим последнее выражение для f(x) в исходное соотношение и выполним преобразования:

Пусть u = x – 2, тогда x + 2 = u + 4, и соотношение

Пусть v = x + 4, тогда x = v – 4, и соотношение

Подставим последнее выражение для f(x) в уравнение и выполним преобразования:

Пусть w = x – 4, тогда x + 4 = w + 8, и уравнение f(x + 4) = f(x – 4) примет вид:
f(w + 8) = f(w) ⇔ (переобозначение: w ↔ x) ⇔ f(x + 8) = f(x).
Таким образом, функция f(x) является периодической с периодом 8. Отсюда следует, что значение функции f(x) при x = 2000 будет равно значению f(x) при x = 8,
так как 2000 = 8 ∙ 249 + 8.
Найдем:

Следовательно, f(2000) = f(8) = 0,5.
Ответ: 0,5.

Функция f(x) называется решением данного функционального уравнения, если при подстановке ее в уравнение последнее превращается в тождество при всех значениях аргумента в области ее определения. Решить функциональное уравнение означает установить, имеет ли оно решения, и найти их, если таковые имеются.

Пример 16. (LXVIV Московская математическая олимпиада, окружной тур, 11-й класс, 2006, № 3.) Найти все такие функции f(x), что
f(2x + 1) = 4x 2 + 14x + 7.
Решение. Пусть t = 2x + 1, тогда

Совершив замену переменной в уравнении
f(2x + 1) = 4x 2 + 14x + 7,
получим:

В последнем соотношении для функции f(t) вместо переменной (буквы) t может выступать любая другая переменная (буква). Поэтому, заменив букву t на букву x, получим:
f(x) = x 2 + 5x + 1.
Ответ: f(x) = x 2 + 5x + 1.

Пример 17. (МИЭТ, 1995, № 11 из 11.) Найти f(x), если для всех x ≠ 0 имеет место соотношение

Решение. Предположим, что функция f(x), удовлетворяющая функциональному уравнению

существует. Тогда можно выполнить описанные ниже преобразования.
Пусть тогда и исходное уравнение примет вид:

Получаем систему

Из первого уравнения системы выразим

Подставим во второе уравнение системы. Получим:

получаем f(1) = 1.
Проверкой убеждаемся, что функция f(x) = 1 при всех x ≠ 0 удовлетворяет условию задачи.
Замечание. В условии данной задачи не было указано, что функция f(x), удовлетворяющая функциональному уравнению

существует. Предположив, что такая функция f(x) имеется, мы осуществили логический переход к следствию. Поэтому проверка в этой ситуации необходима.
Ответ: f(x) = 1, x ≠ 0.

Пример 19. (МГУ, экономический факультет, 1997, № 6.) Функция f(x) определена на всей числовой прямой, является нечетной, периодической с периодом 4, и на промежутке 0 ≤ x ≤ 2 ее значения вычисляются по правилу
f(x) = 1 – | x – 1 |.
Решить уравнение
2f(x)∙f(x – 8) + 5f(x + 12) + 2 = 0.
Решение. Раскроем модуль в выражении для функции f(x) на отрезке [0; 2]:

Так как функция f(x) — нечетная, то

По условию, функция f(x) — периодическая с периодом 4. Значит, f(x – 8) = f(x), f(x + 12) = f(x). Значит, исходное уравнение примет вид:

Найдем вначале решения последней совокупности на отрезке [–2; 2] (то есть на одном из полных периодов функции f(x)).
Если f(x) = –2, то:
при x ∈ [–2; –1] получим уравнение –x – 2 =
= –2, решением которого является x = 0, не удовлетворяющее условию x ∈ [–2; –1];
при x ∈ (–1; 1) получим x = –2, что не удовлетворяет условию x ∈ (–1; 1);
при x ∈ [1; 2] получим уравнение –x + 2 = –2, решением которого является x = 4, не удовлетворяющее условию x ∈ [1; 2].
Если f(x) = –0,5, то:
при x ∈ [–2; –1] получим уравнение –x – 2 = –0,5, решением которого является
x = –1,5, –1,5 ∈ [–2; –1];
при x ∈ (–1; 1) получим x = –0,5, –0,5 ∈ (–1; 1);
при x ∈ [1; 2] получим уравнение –x + 2 = –0,5, решением которого является x = 2,5, не удовлетворяющее условию x ∈ [1; 2].
Поскольку функция f(x) является периодической с периодом 4, то окончательно получим две серии решений уравнения
2f(x)∙f(x – 8) + 5f(x + 12) + 2 = 0:
x = –1,5 + 4k, k ∈ Z;
x = –0,5 + 4n, n ∈ Z.
Ответ: –1,5 + 4k, k ∈ Z; –0,5 + 4n, n ∈ Z.

Пример 20. (LXX Московская математическая олимпиада, окружной тур, 11-й класс, 2007, № 4.) Функция f(x) такова, что для любых положительных x и y выполняется равенство
f(xy) = f(x) + f(y). Найти f(2007), если

Решение. По условию f(1∙1) = f(1) + f(1), или f(1) = 2f(1). Значит, f(1) = 0. Кроме того, для всех положительных x выполнено:

Отсюда при x = 2007 получим:

Ответ: –1.
Пример 21. (МГУ, биологический факультет, 2005, № 7.) Функция f(x) такова, что для всех рациональных чисел x и y выполнено равенство f(x + y) = f(x) + f(y). Известно, что f(10) = –π. Найти
Решение. По условию f(0 + 0) = f(0) + f(0), или f(0) = f(0) + f(0). Значит, f(0) = 0. Кроме того,
f(0) = f(x – x), или 0 = f(x + (–x)). Отсюда получим:
f(x + (–x)) = f(x) + f(–x) ⇔ 0 = f(x) + f(–x).
Следовательно, f(–x) = –f(x). Значит,

Таким образом, Отсюда искомое значение
Ответ:

Пример 22. (LXXI Московская математическая олимпиада, окружной тур, 11-й класс, 2008, № 4.) Непрерывная функция f(x) такова, что для всех действительных x выполняется неравенство Верно ли, что функция f(x) обязательно имеет точки экстремума?
Решение. При x = 0 получим:

Аналогично, при x = 1:

Так как непрерывная функция принимает одинаковые значения на концах отрезка [0; 1], то внутри этого отрезка существует хотя бы одна точка максимума или точка минимума.
Замечание. Если для всех x ∈ [0; 1], то любая точка этого отрезка является точкой экстремума.
Ответ: да, верно.

В заключение статьи рассмотрим задачу C5 одного из вариантов ЕГЭ по математике 2009 года.

Пример 23. Решить уравнение
87cos x 2 + (8 – 6x) 4 = x 8 + 87cos (8 – 6x).
Решение. Приведем исходное уравнение к виду
x 8 – 87cos x 2 = (8 – 6x) 4 – 87cos (8 – 6x).
Введем непрерывную четную функцию
f(t) = t 4 – 87cos t.
Найдем ее производную:
f ‘(t) = 4t3 + 87sin t.
При t ∈ (0; π)
f ‘(t) = 4t 3 + 87sin t > 0 + 0 = 0,
при t ∈ [π; +∞)
f ‘(t) = 4t 3 + 87sin t > 4π 3 – 87 > 4∙33 – 87 = 4∙27 – 87 > 0.
Таким образом, f'(t) > 0 при t ∈ (0; +∞), следовательно, f(t) возрастает на промежутке [0; +∞). Значит, каждое свое значение функция принимает в точности в двух симметричных относительно
t = 0 точках (если t = 0, то исходное уравнение не имеет решений, так как при x 2 = 0 не выполняется 8 – 6x = 0), а стало быть, исходное уравнение равносильно совокупности:

Ответ:

В заключение читателю предлагается подборка заданий для самостоятельного решения с ответами. Авторы не сомневаются, что решение этих задач поможет учащимся при подготовке к различным творческим и аттестационным испытаниям.

Задачи для самостоятельного решения

1. (МИЭТ, 2004, № 8 из 11.) Функция f(x) нечетная и периодическая с периодом T = 40. Найдите значение f(2004), если f(–4) = –4,5.

2. (МИЭТ, 2004, № 9 из 11.) Найдите значение f(f(1)), если

3. (МИЭТ, 2002, № 9 из 11.) Пусть

Решите неравенство f(4) ≤ g(f(x + 3)).

4. (МИЭТ, 2002, № 10 из 11.) Постройте график функции y = 2∙| f(f(x)) | – 1, где

5. (МИЭТ, 1999, № 7 из 11.) Изобразите на плоскости Oxy множество точек, координаты которых удовлетворяют условию

где f(x) = x – 2.
6. (МИЭТ, 1998, № 10 из 11.) Постройте график функции y = f(f(x)), где

7. (МИЭТ, 2003, № 10 из 11.) Функция f(x) для каждого x равна наибольшему значению многочлена g(t) = –t 2 – 8t – 15 на отрезке [x – 3; x + 1]. Постройте график функции f(x).

8. Найдите f(x), если:

9. (МИЭТ, 1994, № 6 из 11.) Известно, что равенство
имеет место для всех действительных x. Докажите, что функция f(x) является периодической с периодом 2.

10. (МИЭТ, 1999, № 9 из 11.) Функция f(x), определенная при всех значениях x и не равная 0 ни при каком значении x, удовлетворяет равенству

Найдите f(2004), если f(8) = 5.

12. (МИЭТ, 1995, № 11 из 11.) Найдите f(x), если для всех x имеет место соотношение xf(x) + f(2 – x) = 2(x + 1).

13. (МИЭТ, 2005, № 8 из 11.) Функция f(x) для всех x удовлетворяет равенству f(x + 4) = 2x – 1 – f(x), а при x ∈ [0; 4) задается формулой f(x) = x 2 – 3x.
Найдите f(135).

14. (МГУ, ВМК, устный экзамен, 1997.) Существует ли линейная функция f(x), удовлетворяющая для всех x соотношению
2f(x + 2) + f(4 – x) = 2x + 5?

15. (МГУ, химический факультет, 2001, № 7.) Функция f(x) для всех x удовлетворяет уравнению f(x + 1) = f(x) + 2x + 1. Найдите f(2001), если f(0) = 0.

16. (МГУ, биологический факультет, 2005, № 7.) Функция f(x) такова, что для всех рациональных чисел x и y выполнено равенство
f(x + y) = f(x)∙f(y). Известно, что f(4) = 16. Найдите f(–1,5).

17. (ЕГЭ-2009, задача С5.) Решите уравнение
x 6 – | 7 – 6x |3 = 26cos x 2 – 26cos (7 – 6x).

18. (ЕГЭ-2009, задача С5.) Решите уравнение
x 6 – | 4x + 3 |3 = 25cos x 2 – 25cos (4x + 3).

Ответы: 1. 4,5. 2. 9. 3. [8,5; 13) c (13; +∞).
4.

5.

6.

Источник