Краткое содержание
Это занятие завершает изучение пределов в этом разделе их первым геометрическим приложением: асимптотами. В курсе «Алгебра и геометрия» вертикальные, горизонтальные и наклонные асимптоты рациональных функций и функций с корнями находились с помощью таблицы знаков и деления многочленов, а поведение функций вблизи них принималось как интуитивно очевидный факт. Здесь асимптоты определяются через односторонние пределы, пределы на бесконечности и бесконечные пределы, а принятые факты доказываются. Доказывается, что прямая является асимптотой ровно тогда, когда расстояние от кривой до неё стремится к нулю, выводится формула углового коэффициента и начальной ординаты наклонной асимптоты и устанавливается, что на каждом конце существует не более одной асимптоты. Кроме того, занятие исправляет распространённое убеждение, будто кривая не может пересекать свою асимптоту, предлагает метод построения графика функции без производных и применяет его к функциям из курса «Алгебра и геометрия», таблицы знаков и деления многочленов которых теперь дополняются пределами.
Цели обучения
- Определять с помощью пределов вертикальные, горизонтальные и наклонные асимптоты и связывать их с расстоянием от кривой до прямой.
- Доказывать формулы углового коэффициента и начальной ординаты наклонной асимптоты, а также единственность невертикальной асимптоты на каждом конце.
- Доказывать факты, принятые в курсе «Алгебра и геометрия», о поведении рациональной функции вблизи нуля её знаменателя и определять положение кривой относительно её асимптоты.
- Строить графики алгебраических и тригонометрических функций, объединяя область определения, симметрии, точки пересечения с осями, таблицу знаков и асимптоты.
Определение
В занятии о рациональных функциях курса «Алгебра и геометрия» асимптотой называлась прямая, к которой кривая подходит всё ближе, удаляясь вдоль одной из своих ветвей. С пределами этого раздела эта идея записывается точно. Удаляться можно двумя способами: переменная приближается к числу, а значения неограниченно возрастают, или переменная неограниченно возрастает. Первому способу соответствуют вертикальные асимптоты; второму все остальные.
Пусть есть функция с областью определения .
- Прямая называется вертикальной асимптотой графика , если хотя бы один из односторонних пределов в равен или .
- Если не ограничено сверху, прямая называется асимптотой графика на , если . Она называется горизонтальной, если , и наклонной, если . Так же определяется асимптота на .
Три замечания уточняют определение. Первое: горизонтальная асимптота на есть просто утверждение из занятия о пределах при стремлении переменной к бесконечности. Второе: невертикальные асимптоты определяются на каждом конце отдельно и могут быть различными на и на , как прямые и у арктангенса. Третье: если стремится к для функции , которая не является функцией первой степени, как многочлен-частное при делении, когда степень числителя превосходит степень знаменателя на два или больше, говорят, что кривая есть криволинейная асимптота; всё сказанное ниже о наклонных асимптотах верно и для неё, кроме формул углового коэффициента и начальной ординаты.
Определение измеряет разность ординат, то есть расстояние по вертикали между кривой и прямой. Интуитивная же идея говорит о расстоянии от кривой до прямой, которое измеряется по перпендикуляру. Утверждение, приведённое ниже, показывает, что оба расстояния стремятся к нулю одновременно.
Пусть есть точка графика с абсциссой , и пусть есть прямая . Тогда является асимптотой графика на тогда и только тогда, когда . Расстояние до прямой равно расстоянию по вертикали, умноженному на положительную постоянную. На рисунке кривая есть , а её асимптота есть прямая .
Доказательство
Прямая имеет уравнение . По формуле расстояния от точки до прямой из занятия о векторах на плоскости расстояние от до равно расстоянию по вертикали, делённому на , что не зависит от .
По лемме о пределе как расстоянии, стремящемся к нулю, из занятия об арифметических свойствах пределов, перенесённой на бесконечность, стремится к тогда и только тогда, когда модуль этой разности стремится к ; а он стремится к тогда и только тогда, когда к нему стремится его произведение на положительную постоянную , по правилу линейной комбинации.
Загрузка содержимого…