Преобразования графиков функций и уравнений

Часто возникают задачи, в которых требуется по графику функции y=f(x)y = f(x) построить график некоторой похожей функции. Такого типа задачи называют задачами на преобразование графиков функций. Наиболее известны два типа преобразований графиков – линейные преобразования графиков, а также преобразования графиков, связанные с модулями. Начнём со второго типа преобразований. Будем полагать, что нам задан график функции y=f(x)y = f(x).

Преобразование 1

Как построить график функции y=f(|x|)y = f(|x|)? По определению модуля:

y = f(|x|) y\;=\;f(\vert x\vert)\;=f(x), при x 0,f(-x), при x<0.=\left\{\begin{array}{l}f(x),\;\mathrm{при}\;x\;\geq0,\\f(-x),\;\mathrm{при}\;x<0.\end{array}\right.

Поэтому график функции y=f(|x|)y = f(|x|) состоит из двух частей:

y=f(x)y = f(x) – в правой полуплоскости, y=f(x)y = f(−x) – в левой полуплоскости. Это означает, что можно сформулировать такое правило:

для построения графика y=f(|x|)y = f(|x|) нужно сохранить часть графика y=f(x)y = f(x)  при x0x ≥ 0 (т. е. на оси ординат и справа от неё), а также симметрично отразить эту часть относительно оси `Оy`; часть графика y=f(x)y = f(x) при x<0x < 0 (т. е. слева от оси ординат) при этом нужно стереть.

Преобразование 2

Как построить график функции y=|f(x)|y =|f(x)|? По определению модуля:

y = |f(x)| y\;=\;\vert f(x)\vert\;=f(x), при f(x) 0,-f(x), при f(x)<0.=\left\{\begin{array}{l}f(x),\;\mathrm{при}\;f(x)\;\geq0,\\-f(x),\;\mathrm{при}\;f(x)<0.\end{array}\right.

Поэтому можно сформулировать такое правило:

для построения графика функции y=|f(x)|y = |f(x)| нужно сохранить часть графика y=f(x)y = f(x), лежащую выше оси `Ox`, а часть графика, лежащую ниже оси `Ox`, симметрично отразить относительно этой оси.

Отметим, что для построения графика функции y=|f(|x|)|y = |f(|x|)| нужно последовательно провести преобразования ПР1 и ПР2 (в любом порядке).

Рассмотрим ещё один тип преобразований графиков с модулями.

Преобразование 3

Как построить множество точек `(x, y)` таких, что |y|=f(x)|y| = f(x)?

Сразу видно, что на новом графике не должно быть точек, для которых f(x)<0f(x) < 0. Поэтому нужно стереть часть графика функции y=f(x)y = f(x), лежащую ниже оси абсцисс. Если же f(x)0f(x) ≥ 0, то y=±f(x)y = ± f(x) и на новом графике каждому такому значению xx должно соответствовать две точки, симметричные относительно оси OxOx (если f(x)0f(x) ≥ 0, то точка одна).

Это означает, что часть графика функции y=f(x)y = f(x), лежащую выше оси абсцисс, нужно сохранить и симметрично отразить относительно оси OxOx.

Теперь перейдём к описанию так называемых линейных преобразований графиков. Выделяют, как правило, следующие три типа таких преобразований.

Преобразование 4

Переход от графика y=f(x)y = f (x) к графику y=af(x)y = af(x), где a1a ≠ 1.

Если aa – положительное число, то имеем два возможных случая:

а) a>1a > 1. В данном случае рассматриваемый переход является растяжением графика от оси абсцисс в `a` раз. Покажем на примере линейной функции y=xy = x (рис. 20). Положим a=2a = 2 и получим график функции y=2xy = 2x посредством растяжения имеющегося графика в два раза от оси абсцисс (рис. 21).

б) 0<a<10 < a < 1. В данном случае рассматриваемый переход является сжатием графика к оси ординат в 1/a1/a раз. Пусть имеется линейная функция y=xy = x. Если a=0,5a = 0,5, то получим график функции y=0,5xy = 0,5x посредством сжатия имеющегося графика в 1/a=21/a = 2 раза к оси абсцисс (рис. 22).


Заметим, что при a<0a < 0 нужно сначала построить график функции y=|a|f(x)y = |a|f(x), а потом симметрично его отобразить относительно оси абсцисс.


В частности, при a=1a = –1 исходный график отражается относительно `Ox`.


Преобразование 5

Переход от графика y=f(x)y = f(x) к графику y=f(x)+by = f(x) + b, где b0b ≠ 0 – некоторое число. Рассматриваемый переход является параллельным переносом графика вдоль оси ординат на bb единиц. Направление сдвига определяется знаком bb: если b>0b > 0, то график сдвигается вверх, а если b<0b < 0, то вниз.

Преобразование 6

Переход от графика y=f(x)y = f(x) к графику y=f(x+c)y = f(x + c), где с0с ≠ 0 – некоторое число. В этом случае исходный график сдвигается вдоль оси абсцисс на величину |c||c|. Но направление сдвига противоположно знаку числа `c:` если с>0с > 0, то график сдвигается влево, а если с<0с < 0, то вправо.

Рассмотрим несколько примеров построения графиков с использованием упомянутого выше набора преобразований.

Пример 7

 Построим ещё такой график y= ||x1|2|y =  ||x − 1| − 2|.

Для этого нужно выполнить цепочку таких действий (рис 23).

а) Строим график функции y=x1y = x − 1.

б)  Выполняем ПР2: часть полученного графика, лежащая над осью OxOx сохраняется; а его часть, лежащая под осью OxOx отображается симметрично относительно оси OxOx.

с) Затем сдвигаем график вдоль оси OyOy на `2` единицы вниз (ПР5).

д) Выполняем ПР2 снова: часть полученного в предыдущем пункте графика, лежащая выше оси OxOx, сохраняется, а часть этого графика, которая лежит ниже оси OxOx, отображается симметрично относительно неё.

Пример 8

Построим график функции y=x2-9|x|-3y=\dfrac{x^2-9}{\vert x\vert-3}.

ОДЗ: |x|30|x| − 3 ≠ 0, |x|3|x| ≠ 3, x3x ≠ 3, x3x ≠ −3.

Воспользуемся известным тождеством

|x|2=x2|x|^2 = x^2. Имеем:

y=x2-9|x|-3=|x|2-9|x|-3=(|x|-3)(|x|+3)|x|-3=|x|+3y=\dfrac{x^2-9}{\vert x\vert-3}=\dfrac{\vert x\vert^2-9}{\vert x\vert-3}=\dfrac{(\vert x\vert-3)(\vert x\vert+3)}{\vert x\vert-3}={\vert x\vert}+3.

Выполняем построения (рис. 24):

а) Строим график функции y=|x|y = |x|.

б) График y=|x|y = |x| сдвигаем вдоль оси OyOy на `3` единицы вверх (ПР5).

в) Исключаем из графика точки x=3x = 3, x=3x = −3.

замечание

При решении задачи мы учли ОДЗ функции, исключив некоторые точки из графика. Такие точки изображаются, например, в виде выколотых точек (пустых не закрашенных кружков).