前言
本博文主要总结常见函数的图像的做法,为便于大家掌握,分类予以说明;
- 函数图像的做法回顾:常函数的平行线法;幂函数、指数函数、对数函数的关键点法;一次函数的两点法;二次函数的五点法或三点法;分段函数的分段法+截取法;复合函数的单调复合法;抽象函数的依托具体函数法;作图过程中还需要注意图像的单调性,奇偶性,周期性,特殊点,凹凸性,等等。
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1、函数图像的变换;
2、图像的作用
基本函数
熟练掌握常见的基本初等函数的图像的手工作图方法,在此列举函数的代表。
- 常函数,比如(f(x)=2);
图像是经过点((0,2))的平行于(x)轴的一条直线;图像略。
- 幂函数,比如(y=x^{frac{1}{3}}),
奇函数,故重点做(xin [0,+infty))上的图像,又幂指数(alpha=frac{1}{3}in (0,1)),故经过关键点((0,0))和((1,1)),且在([0,+infty))上呈上凸函数式单调递增,等到做出([0,+infty))上的图像后,再将其关于原点对称,这样就做出了其完整图像。
特别强调反比例函数,即幂函数(f(x)=cfrac{1}{x}),是高中数学中图像变换的一个顶梁柱。
- 指数函数,比如(f(x)=(cfrac{1}{2})^x),经过关键点((0,1)),((-1,2)),((1,cfrac{1}{2}))的单调递减的下凹式函数。
- 对数函数,比如(f(x)=log_2x),经过关键点((1,0)),((2,1)),((cfrac{1}{2},-1))的单调递增的上凸式函数。
- 三角函数,比如(f(x)=sinx),在周期([0,2pi])内经过五个关键点((0,0)),((cfrac{pi}{2},1)),((pi,0)),((cfrac{3pi}{2},-1)),((2pi,0))的光滑正弦曲线。
- 正弦型函数图像;求(f(x)=2sin(2x+cfrac{pi}{3})+1,xin [0,cfrac{pi}{2}])的值域;
初等函数
[一次函数]:用两点法作图,比如(y=f(x)=2x+1),其图像是一条直线,必然经过和(x)轴的交点((-cfrac{1}{2},0))[令(y=0),解方程就可以求得(x=-cfrac{1}{2}),故经过点((-cfrac{1}{2},0))],也必然经过和(y)轴的交点((0,1))[令(x=0),解方程就可以求得(y=1),故经过点((0,1))],将两点连成一条直线即可。图略。
[二次函数]:用五点法作图,比如(y=f(x)=x^2-3x+2),欲作图,先配方得到(f(x)=(x-cfrac{3}{2})^2-cfrac{1}{4}),则图像的最低点为((cfrac{3}{2},-cfrac{1}{4}));
令(x^2-3x+2=0),得到图像与(x)轴的两个交点((1,0))和((2,0));令(x=0),即(y=2),得到图像与(y)轴的交点((0,2));
又点((0,2))关于对称轴(c=cfrac{3}{2})的对称点的坐标为((3,2)),到此五个点的坐标都得到了,做出如下的图像即可。
分段函数
之所以提醒各位,要非常熟练的掌握上述的基本初等函数和初等函数的作图方法,主要是分段函数中的每一段基本都是上述的图像;举例如下,
比如函数(f(x)=2^{|x|}=left{egin{array}{l}{2^x,xgeqslant 0}\{2^{-x},x<0}end{array} ight.),先做出函数(y=2^x)图像,从其图像上截取(xgeqslant 0)这一段图像[从竖直方向上看只要其横坐标(xgeq 0)即可]就是我们所要的第一段;再做函数(y=2^{-x}=(cfrac{1}{2})^x)图像,从其图像上截取(x<0)这一段图像就是我们所要的第二段;这两段共同构成了我们想要的分段函数的图像。
含参函数
]已知(a>0),函数(f(x))满足(f(x)=egin{cases} (3-a)x-3 &xleq 7 \ a^{x-6} &x>7 end{cases}),函数(f(x))在(R)上单调递增,求(a)的取值范围。
分析:由题目可知,(egin{cases} &3-a>0 ① \ &a>1 ②\ &(3-a)7-3leq a^{7-6}③end{cases});即(egin{cases}&a<3 \ &a>1 \ &age cfrac{9}{4}end{cases})
解得:(ain[cfrac{9}{4},3));
反思:1、本题目常犯的错误是缺少第三条的限制;学生常认为函数在两段上分别单调递增,则在整体定义域(R)上一定单调递增,这个认知是错误的。原因是前者是后者的必要不充分条件。
含参函数图像做法练习:
(f(x)=e^x+a),(g(x)=k|x-1|),
函数(f(x)=(2ax-1)(x+1)(ageq 0))的图像做法如下:
复合函数
(g(x)=2^{1-|x-2|})
复合函数的图像比较抽象,我们结合函数(f(x)=log_2(x^2-3x+2))为例说明;
令(u=x^2-3x+2),则内函数为二次函数,由于在([1,2])上函数值(uleqslant 0),故复合函数在区间([1,2])上没有图像,
外函数(y=f(x)=log_2u)为对数函数,由于内函数在区间((-infty,1))上单调递减,在区间((2,+infty))上单调递增,
故复合函数的单调递减区间为((-infty,1)),单调递增区间为((2,+infty)),
故做出复合函数图像如下图中的蓝色曲线,其中直线(x=1)和(x=2)为其两条渐近线。
抽象函数
分析:由题目可知,(T=4),故(f(x+4)=f(x)),又(f(-x)=f(x)),则可知(f(x+4)=f(-x)),故函数图像关于(x=2)对称,
利用现有的定义域,奇偶性,周期性,对称性和解析式,做出适合题意的图像如下:
要是方程(f(x)=log_ax)有三个不同的实根,则需要满足(left{egin{array}{l}{a>1}\{log_a6<2}\{log_a10>2}end{array} ight.),即(left{egin{array}{l}{a>1}\{a^2>6}\{a^2<10}end{array} ight.),
解得(ain (sqrt{6},sqrt{10}))。
组合函数,
对于下述的几个函数,若在题目中出现,我们往往不需要作出函数图像,只需要分析清楚其性质即可解决题目,如非要做出图像,也是可以的;
以函数(y=e^{1+|x|}-cfrac{1}{1+x^2})为例,分析其各种常用的性质,等性质分析清楚后,图像自然就可以手动做出了。
定义域为((-infty,+infty)),偶函数,接下来分析单调性,
当(xgeqslant 0)时,函数变形为(y=e^{1+x}-cfrac{1}{1+x^2}),由于(y=1+x)在([0,+infty))上单调递增,故(y=e^{1+x})在([0,+infty))上单调递增,又由于(y=1+x^2)在([0,+infty))上单调递增,故(y=-cfrac{1}{1+x^2})在([0,+infty))上单调递增,这样两个部分组合而成的函数(y=e^{1+x}-cfrac{1}{1+x^2})在([0,+infty))上单调递增,又由于是偶函数,故在((-infty,0])上单调递减,又(x=0)时,(y=e-1),故做出示意图如下:
仿照上述的做法过程,我们也可以做出(y=ln(1+|x|)-cfrac{1}{1+x^2})的图像。
作图模板
①以(f(x)=2^{|x|})为模板,可以做函数(y=2^{|xpm 3|})的图像;
②以(f(x)=log_2|x|)为模板,可以做函数(y=log_2|xpm 3|)的图像;
③以(f(x)=x+cfrac{1}{x})为模板,可以做函数(y=(x-2)+cfrac{1}{x-2}=cfrac{x^2-4x+5}{x-2})的图像;
高阶作图
(f(x)=(2e^x+a)(e^x-a)),拆分,将两个函数作图于同一个坐标系,读图,应用。待整理。
正加正,正乘正
高阶提升
1、特殊分段函数的图像做法;
用图解题
(1)讨论(f(x))的单调性;
分析:利用导数求导解决,
(f'(x)=e^x(e^x-a)+e^xcdot e^x-a^2=)(2e^{2x}-e^xa-a^2=(e^x-a)cdot (2e^x+a)),
以下针对(a)分类讨论如下:
当(a=0)时,(f'(x)>0)恒成立,(f(x))在区间((-infty,+infty))上单调递增。
当(a>0)时,令(e^x>a),解得(x>lna),(f'(x)>0),即在区间((lna,+infty))上函数(f(x))单调递增;
令(e^x<a),解得(x<lna),(f'(x)<0),即在区间((-infty,lna))上函数(f(x))单调递减;
当(a<0)时,令(e^x>-cfrac{a}{2}),解得(x>ln(-cfrac{a}{2})),(f'(x)>0),即在区间((ln(-cfrac{a}{2}),+infty))上函数(f(x))单调递增;
令(e^x<-cfrac{a}{2}),解得(x<ln(-cfrac{a}{2})),(f'(x)<0),即在区间((-infty,ln(-cfrac{a}{2})))上函数(f(x))单调递减;
综上所述,当(a<0)时,函数(f(x))的单减区间是((-infty,ln(-cfrac{a}{2}))),单增区间是((ln(-cfrac{a}{2}),+infty));
当(a=0)时,单增区间是((-infty,+infty)),无单减区间;
当(a>0)时,函数(f(x))的单减区间是((-infty,lna)),单增区间是((lna,+infty));
(2)若(f(x)ge 0),求(a)的取值范围。
分析:由于要(f(x)ge 0)恒成立,故只要求得(f(x)_{min}ge 0)即可,又最小值要用到函数的单调性,而函数的单调性又是与(a)的取值有关,故应该关于(a)分类讨论。
当(a<0)时,函数(f(x))的单减区间是((-infty,ln(-cfrac{a}{2}))),单增区间是((ln(-cfrac{a}{2}),+infty));
故(f(x)_{min}=f(ln(-cfrac{a}{2}))=e^{ln(-frac{a}{2})}(e^{ln(-frac{a}{2})}-a)-a^2ln(-cfrac{a}{2})=a^2[cfrac{3}{4}-ln(-cfrac{a}{2})]),
令(=a^2[cfrac{3}{4}-ln(-cfrac{a}{2})]geqslant 0) 得到(ageqslant -2e^{frac{3}{4}}),故(-2e^{frac{3}{4}}leq a <0);
当(a=0)时,(f(x)=e^{2x}ge 0)恒成立,故(a=0)满足题意;
当(a>0)时,函数(f(x))的单减区间是((-infty,lna)),单增区间是((lna,+infty));
故(f(x)_{min}=f(lna)=e^{lna}(e^{lna}-a)-a^2lna=-a^2lna),令(-a^2lnage 0),得到(aleq 1),故(0<a leq 1);
综上所述,取并集得到(a)的取值范围是([-2e^{frac{3}{4}},1])。