mateinfo.roANDREI OCTAVIAN DOBRE20 ani20ANI

Funcții. Funcția de gradul I și de gradul al II-lea – teorie, formule și exemple rezolvate

Bacalaureat – Subiectul I · Funcții. Noțiunea de funcție, compunerea, proprietățile funcțiilor (monotonie, paritate, injectivitate, surjectivitate, inversă) și studiul complet al funcțiilor de gradul I și de gradul al II-lea, cu relațiile lui Viète.

6.1Noțiunea de funcție

Definiție și notații

O funcție \(f:A\to B\) asociază fiecărui element \(x\in A\) un unic element \(f(x)\in B\).

\(A\) domeniul de definiție
\(B\) codomeniul
\(f(x)\) legea de corespondență
\(G_f=\{(x,f(x))\mid x\in A\}\) graficul funcției

Un punct \(M(x_0,y_0)\) aparține graficului \(\Leftrightarrow\ y_0=f(x_0)\).

Intersecția graficului cu axele:

\(G_f\cap Ox:\ \ y=0\ \Rightarrow\ f(x)=0\ \Rightarrow\ A(x_0,0)\)\(G_f\cap Oy:\ \ x=0\ \Rightarrow\ B(0,f(0))\)

Intersecția a două grafice: se rezolvă ecuația \(f(x)=g(x)\).

Compunerea funcțiilor

Pentru \(f:A\to B\) și \(g:B\to C\):

\[(g\circ f)(x)=g(f(x)),\qquad \forall x\in A.\]

Compunerea nu este comutativă: în general \(g\circ f\ne f\circ g\).

Exemplul 6.1

Fie \(f,g:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), \(f(x)=2x+1\), \(g(x)=x^2\). Calculați \((g\circ f)(1)\) și \((f\circ g)(1)\).
Rezolvare
\((g\circ f)(1)=g(f(1))=g(3)=9\); \((f\circ g)(1)=f(g(1))=f(1)=3\).

↑ Cuprins

6.2Proprietăți ale funcțiilor

Monotonia. Fie \(f:A\to B\) și \(x_1,x_2\in A\):

\(f\) crescătoare: \(x_1\lt x_2\ \Rightarrow\ f(x_1)\le f(x_2)\)
\(f\) strict crescătoare: \(x_1\lt x_2\ \Rightarrow\ f(x_1)\lt f(x_2)\)
\(f\) descrescătoare: \(x_1\lt x_2\ \Rightarrow\ f(x_1)\ge f(x_2)\)
\(f\) strict descrescătoare: \(x_1\lt x_2\ \Rightarrow\ f(x_1)\gt f(x_2)\)

Paritatea (pentru \(A\) simetric față de \(0\)):

\(f\) pară \(\Leftrightarrow\ f(-x)=f(x)\) (grafic simetric față de \(Oy\))

\(f\) impară \(\Leftrightarrow\ f(-x)=-f(x)\) (grafic simetric față de originea \(O\))

Periodicitatea: \(f\) este periodică de perioadă \(T\gt 0\) dacă \(f(x+T)=f(x),\ \forall x\in A\).

Imaginea funcției: \(\operatorname{Im}f=f(A)=\{f(x)\mid x\in A\}\).

Injectivitate, surjectivitate, bijectivitate

\(f\) injectivă \(f(x_1)=f(x_2)\ \Rightarrow\ x_1=x_2\) (echivalent: \(x_1\ne x_2\ \Rightarrow\ f(x_1)\ne f(x_2)\));
orice paralelă la \(Ox\) taie graficul în cel mult un punct.
\(f\) surjectivă \(\forall y\in B,\ \exists x\in A\) astfel încât \(f(x)=y\); echivalent \(\operatorname{Im}f=B\).
\(f\) bijectivă injectivă și surjectivă; \(\forall y\in B\) există un unic \(x\in A\) cu \(f(x)=y\).

Observație: orice funcție strict monotonă este injectivă.

Inversa unei funcții

\(f:A\to B\) este inversabilă \(\Leftrightarrow\ f\) este bijectivă. Inversa \(f^{-1}:B\to A\) se obține rezolvând ecuația \(y=f(x)\) în raport cu \(x\) și schimbând notațiile.

\[f^{-1}(f(x))=x,\ \forall x\in A;\qquad f(f^{-1}(y))=y,\ \forall y\in B.\]

Graficele lui \(f\) și \(f^{-1}\) sunt simetrice față de prima bisectoare \(y=x\).

Exemplul 6.2

Arătați că \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), \(f(x)=3x-5\) este bijectivă și determinați \(f^{-1}\).
Rezolvare
Injectivitate: \(3x_1-5=3x_2-5\ \Rightarrow\ x_1=x_2\). Surjectivitate: pentru \(y\in\mathbb{R}\), \(y=3x-5\ \Rightarrow\ x=\dfrac{y+5}{3}\in\mathbb{R}\). Deci \(f\) este bijectivă și \(f^{-1}(x)=\dfrac{x+5}{3}\).

↑ Cuprins

6.3Funcția de gradul I

Definiție

\(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), \(f(x)=ax+b\), cu \(a,b\in\mathbb{R}\), \(a\ne 0\). Graficul este o dreaptă, iar \(a\) este panta dreptei.

Monotonia: \(a\gt 0\ \Rightarrow\ f\) strict crescătoare;\(a\lt 0\ \Rightarrow\ f\) strict descrescătoare.

Semnul funcției: se rezolvă \(f(x)=0\ \Rightarrow\ x_0=-\dfrac{b}{a}\).

\(x\) \(-\infty\) \(x_0=-b/a\) \(+\infty\)
\(f(x)\) semn contrar lui \(a\) \(0\) semnul lui \(a\)

Exemplul 6.3

Studiați semnul funcției \(f(x)=-2x+6\).
Rezolvare
\(f(x)=0\ \Rightarrow\ x=3\). Cum \(a=-2\lt 0\): \(f(x)\gt 0\) pentru \(x\in(-\infty,3)\) și \(f(x)\lt 0\) pentru \(x\in(3,\infty)\).

↑ Cuprins

6.4Funcția de gradul al II-lea

Definiție

\(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\), \(f(x)=ax^2+bx+c\), cu \(a\ne 0\). Graficul este o parabolă.

Ecuația \(ax^2+bx+c=0\): \(\Delta=b^2-4ac\)

\(\Delta\gt 0:\ \ x_{1,2}=\dfrac{-b\pm\sqrt{\Delta}}{2a}\) (două rădăcini reale distincte);

\(\Delta=0:\ \ x_1=x_2=-\dfrac{b}{2a}\) (rădăcină dublă);\(\Delta\lt 0:\) nu există rădăcini reale.

Vârful parabolei:

\(V\left(-\dfrac{b}{2a},\,-\dfrac{\Delta}{4a}\right)\)axa de simetrie: \(x=-\dfrac{b}{2a}\).

Semnul funcției de gradul al II-lea:

  • \(\Delta\gt 0\): semnul lui \(a\) în exteriorul rădăcinilor, semn contrar lui \(a\) între rădăcini;
  • \(\Delta=0\): semnul lui \(a\) pe \(\mathbb{R}\setminus\{x_1\}\), zero în \(x_1\);
  • \(\Delta\lt 0\): semnul lui \(a\) pe tot \(\mathbb{R}\).
\(x\) \(-\infty\) \(x_1\) \(x_2\) \(+\infty\)
\(f(x)\) semn \(a\) \(0\) semn contrar \(a\) \(0\) semn \(a\)

Monotonia și imaginea. Fie \(x_V=-\dfrac{b}{2a}\) și \(y_V=-\dfrac{\Delta}{4a}\).

\(a\gt 0:\) \(f\) descrescătoare pe \((-\infty,x_V]\), crescătoare pe \([x_V,+\infty)\) \(\operatorname{Im}f=\left[-\dfrac{\Delta}{4a},+\infty\right)\)
\(a\lt 0:\) \(f\) crescătoare pe \((-\infty,x_V]\), descrescătoare pe \([x_V,+\infty)\) \(\operatorname{Im}f=\left(-\infty,-\dfrac{\Delta}{4a}\right]\)

Dacă \(a\gt 0\), \(V\) este punct de minim; dacă \(a\lt 0\), \(V\) este punct de maxim.

Relațiile lui Viète (pentru \(ax^2+bx+c=0\) cu rădăcinile \(x_1,x_2\)):

\(S=x_1+x_2=-\dfrac{b}{a}\)\(P=x_1\cdot x_2=\dfrac{c}{a}\)

\(x_1^2+x_2^2=S^2-2P\)\(x_1^3+x_2^3=S^3-3PS\)\(\dfrac{1}{x_1}+\dfrac{1}{x_2}=\dfrac{S}{P}\)\((x_1-x_2)^2=S^2-4P\)

Formarea ecuației: dacă se cunosc \(S\) și \(P\), ecuația este \(x^2-Sx+P=0\).

De reținut

Relațiile lui Viète rămân valabile și când \(\Delta\lt 0\) (rădăcini complexe conjugate). Ele permit calcularea expresiilor simetrice în \(x_1,x_2\) fără a rezolva efectiv ecuația – economie de timp prețioasă la examen.

Exemplul 6.4

Fie \(f(x)=x^2-4x+3\). Determinați vârful, rădăcinile, monotonia și imaginea.
Rezolvare
\(\Delta=16-12=4\gt 0\ \Rightarrow\ x_{1,2}=\dfrac{4\pm 2}{2}\), deci \(x_1=1\), \(x_2=3\). \(x_V=\dfrac{4}{2}=2\), \(y_V=-\dfrac{4}{4}=-1\), deci \(V(2,-1)\) este punct de minim (\(a=1\gt 0\)). \(f\) este descrescătoare pe \((-\infty,2]\), crescătoare pe \([2,\infty)\), iar \(\operatorname{Im}f=[-1,\infty)\).

Exemplul 6.5

Fie \(x_1,x_2\) rădăcinile ecuației \(x^2-5x+6=0\). Calculați \(x_1^2+x_2^2\).
Rezolvare
\(S=5\), \(P=6\), deci \(x_1^2+x_2^2=S^2-2P=25-12=13\).

Exemplul 6.6

Determinați \(m\in\mathbb{R}\) pentru care \(f(x)=x^2+2x+m\) are \(\Delta\lt 0\) (graficul nu intersectează axa \(Ox\)).
Rezolvare
\(\Delta=4-4m\lt 0\ \Leftrightarrow\ m\gt 1\), deci \(m\in(1,\infty)\).

Exemplul 6.7

Rezolvați inecuația \(x^2-x-6\le 0\).
Rezolvare
Rădăcinile: \(x_1=-2\), \(x_2=3\); \(a=1\gt 0\), deci \(f(x)\le 0\) între rădăcini: \(x\in[-2,3]\).

↑ Cuprins

Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).