Proporcjonalność odwrotna i funkcja homograficzna: teoria i zadania maturalne
Hiperbola y=xa, wielkości odwrotnie proporcjonalne w zadaniach z życia, a na rozszerzeniu: funkcja homograficzna, jej asymptoty, dziedzina i zbiór wartości.
Teoria
Wielkości odwrotnie proporcjonalne
Dwie wielkości są odwrotnie proporcjonalne, gdy ich iloczyn jest stały: x⋅y=a. Gdy jedna rośnie dwa razy, druga maleje dwa razy.
Przykłady z życia
Prędkość i czas przejazdu tej samej trasy (v⋅t=s), liczba pracowników i czas wykonania pracy, liczba osób i kwota przypadająca na osobę przy stałym budżecie.
Funkcja f(x)=xa, a=0
dziedzina: R∖{0}, zbiór wartości: R∖{0},
wykres: hiperbola, asymptoty: oś OX (y=0) i oś OY (x=0),
a>0: gałęzie w I i III ćwiartce, funkcja malejąca w (−∞,0) i osobno w (0,+∞),
a<0: gałęzie w II i IV ćwiartce, funkcja rosnąca w każdym z tych przedziałów osobno.
Hiperbole y = 4/x (I i III ćwiartka) oraz y = −4/x (II i IV ćwiartka).
Monotoniczność „na całej dziedzinie”
f(x)=x4nie jest malejąca w całej dziedzinie: −1<1, a f(−1)=−4<4=f(1). Jest malejąca w każdym z przedziałów (−∞,0) i (0,+∞)osobno: tak trzeba to zapisać.
Wyznaczanie a
Wystarczy jeden punkt wykresu: a=x⋅y. Np. hiperbola przechodzi przez (2,−3), więc a=−6.
Funkcja homograficznaR
f(x)=x−pa+q: to hiperbola y=xa przesunięta o wektor [p,q]:
asymptota pionowa x=p, pozioma y=q,
D=R∖{p}, ZW=R∖{q}.
Wzór f(x)=x−pbx+c sprowadzamy do tej postaci, dzieląc licznik: np. x−12x+1=x−12(x−1)+3=2+x−13.
xy−224−22460y = 2 + 3/(x−1)
Asymptoty: x = 1 i y = 2.
Na maturze
Podstawa: współczynnik a z punktu lub tabeli, ćwiartki, zadania z proporcjonalnością odwrotną. Rozszerzenie: asymptoty, przekształcenia hiperboli, liczba rozwiązań równania z parametrem.
Wzory
Proporcjonalność odwrotna
y=xa⟺x⋅y=a
Iloczyn wielkości jest stały; a to współczynnik proporcjonalności.
Współczynnik z punktu
a=x0⋅y0
Hiperbola y=xa przechodzi przez (x0,y0).
Dziedzina i zbiór wartości
D=ZW=R∖{0}
Dla f(x)=xa: zero nie jest argumentem ani wartością.
Funkcja homograficzna
f(x)=x−pa+q
Asymptoty x=p i y=q; D=R∖{p}, ZW=R∖{q}.
Przykłady rozwiązane krok po kroku
Przykład 1
Wykres funkcji f(x)=xa przechodzi przez punkt A=(2,−3). Wyznacz a, oblicz f(−6) i podaj przedziały monotoniczności.
a=2⋅(−3)=−6, więc f(x)=−x6.
xy−6−4−2246−6−4−22460y = −6/xA = (2, −3)(−6, 1)
Hiperbola y=−x6: gałęzie w II i IV ćwiartce, przechodzi przez A=(2,−3) i (−6,1).
f(−6)=−−66=1. a<0: gałęzie w II i IV ćwiartce; funkcja rosnąca w (−∞,0) i w (0,+∞).
a=−6, f(−6)=1, rosnąca w (−∞,0) oraz w (0,+∞)
Przykład 2
Dana jest funkcja f(x)=x−12x+1. Zapisz ją w postaci x−pa+q, podaj asymptoty, dziedzinę i zbiór wartości.
2x+1=2(x−1)+3, więc
f(x)=x−12(x−1)+3=2+x−13.
To hiperbola y=x3 przesunięta o [1,2].
xy−4−2246−4−224680y = 2
Hiperbola y=x3 przesunięta o wektor [1,2]: asymptoty x=1 i y=2.
Asymptoty: x=1, y=2; D=R∖{1}, ZW=R∖{2}
Zadania maturalne z rozwiązaniami
Zadanie 1 (1 pkt)
Wykres funkcji f(x)=xa przechodzi przez punkt (2,3). Zatem
a=23
a=32
a=5
a=6
Odpowiedź: D
Rozwiązanie
Punkt (2,3) leży na wykresie, więc po wstawieniu x=2 musi wyjść y=3:
3=2a.
Mnożymy obie strony przez 2:
a=2⋅3=6.
Sprawdzenie: f(2)=26=3. Zgadza się.
Odpowiedź D
Zadanie 2 (1 pkt)
Wielkości x i y są odwrotnie proporcjonalne. Dla x=4 mamy y=3. Dla x=6 wartość y jest równa
2
4,5
8
1
Odpowiedź: A
Rozwiązanie
Odwrotnie proporcjonalne znaczy, że iloczyn x⋅y jest zawsze taki sam. Gdy jedno rośnie, drugie maleje.
Z danych: x⋅y=4⋅3=12. Dla x=6:
6⋅y=12,y=2.
Pułapka: 4,5 wyszłoby przy proporcjonalności prostej, a tu jest odwrotna.
Odpowiedź A
Zadanie 3 (1 pkt)
Wykres funkcji f(x)=−x4 leży w ćwiartkach
I i III
II i IV
I i II
III i IV
Odpowiedź: B
Rozwiązanie
a=−4<0: dla x>0 mamy y<0 (IV), dla x<0: y>0 (II).
Odpowiedź B
Zadanie 4 (1 pkt)
Sześciu pracowników wykonuje pewną pracę w ciągu 10 dni. Piętnastu pracowników, pracujących w tym samym tempie, wykona tę pracę w ciągu
25 dni
6 dni
4 dni
9 dni
Odpowiedź: C
Rozwiązanie
6⋅10=60, więc 15⋅t=60⇒t=4.
Odpowiedź C
Zadanie 5 (2 pkt)
Funkcja f(x)=xa spełnia warunek f(−2)=5. Wyznacz a i oblicz f(5).
Odpowiedź: a=−10, f(5)=−2
Rozwiązanie
a=−2⋅5=−10, f(5)=5−10=−2.
a=−10, f(5)=−2
Zadanie 6 (1 pkt)
Które zdanie o funkcji f(x)=x3 jest prawdziwe?
f jest malejąca w całej dziedzinie
f jest rosnąca w przedziale (0,+∞)
f jest malejąca w przedziale (0,+∞)
zbiorem wartości f jest (0,+∞)
Odpowiedź: C
Rozwiązanie
W (0,+∞) funkcja maleje: prawda. A jest fałszywe (f(−1)=−3<3=f(1)), D: zbiór wartości to R∖{0}.
Odpowiedź C
Zadanie 7 (2 pkt)
Na rysunku przedstawiono fragment wykresu funkcji f(x)=xa.
xy−1123456789−11234560(1, 4)
Wyznacz a oraz oblicz f(8).
Odpowiedź: a=4, f(8)=21
Rozwiązanie
a=1⋅4=4 (kontrola: (4,1) też leży na wykresie). f(8)=84=21.
a=4, f(8)=21
Zadanie 8 (1 pkt)
Asymptotami wykresu funkcji f(x)=x+32−1 są proste
x=3 i y=−1
x=−3 i y=1
x=−3 i y=−1
x=2 i y=−1
Odpowiedź: C
Rozwiązanie
Funkcja f(x)=x−pa+q ma asymptotę pionową x=p i poziomą y=q.
Przepisujemy wzór w tej postaci: x+3=x−(−3), więc
f(x)=x−(−3)2+(−1),p=−3,q=−1.
Asymptoty: x=−3 (tam mianownik jest zerem) i y=−1.
Pułapka: przy x+3 asymptota jest w −3, a nie w 3.
Odpowiedź C
Zadanie 9 (1 pkt)
Zbiorem wartości funkcji f(x)=x−21+3 jest
R∖{2}
R∖{3}
R
(3,+∞)
Odpowiedź: B
Rozwiązanie
Funkcja przyjmuje wszystkie wartości poza q=3. (R∖{2} to dziedzina.)
Odpowiedź B
Zadanie 10 (3 pkt)
Wykres funkcji f(x)=x−pa+q ma asymptoty x=2 i y=1 oraz przechodzi przez punkt (3,4). Wyznacz wzór funkcji i oblicz jej miejsce zerowe.