W poprzedniej części zajmowaliśmy się
własnościami funkcji liniowej danej wzorem
f⁡(x)=a⁢x+b,
gdy jeden ze współczynników
a
lub
b
był równy zeru. Teraz zajmiemy się przypadkiem ogólnym.
Wartości funkcji liniowej
Zgodnie ze wzorem, aby znaleźć wartość funkcji
liniowej dla danej wartości jej argumentu
x,
musimy pomnożyć
x
przez współczynnik kierunkowy
a,
a następnie dodać
b.
Ponieważ suma liczb wymiernych jest liczbą wymierną oraz
iloczyn liczb wymiernych jest liczbą wymierna, możemy
sformułować następujące spostrzeżenie:
Jeżeli współczynniki liczbowe
a
i
b
są liczbami całkowitymi, to dla całkowitych wartości
argumentu
x
funkcja
f⁡(x)=a⁢x+b
przyjmuje wartości całkowite.
Jeżeli współczynniki liczbowe
a
i
b
są liczbami wymiernymi, to dla wymiernych wartości argumentu
x
funkcja
f⁡(x)=a⁢x+b
przyjmuje wartości wymierne.
Ponieważ współczynniki we wzorze funkcji są liczbami
całkowitymi, więc
f⁡(x)
jest liczbą całkowitą dla każdego
x
całkowitego, np.
f⁡(−4)=−8.
Zauważmy również, że na przykład dla
x=12
mamy
f⁡(x)=f⁡(12)=3⋅12+4=112.
Otrzymana wartość jest liczbą wymierną (lecz nie
liczbą całkowitą).
Może oczywiście zdarzyć się, że
wartość funkcji liniowej jest liczbą całkowitą,
chociaż jej współczynniki są liczbami wymiernymi, lecz
nie są liczbami całkowitymi.
Przykład. Współczynniki
a, b
we wzorze funkcji liniowej:
f⁡(x)=34⁢x−12
są liczbami wymiernymi, lecz nie są liczbami całkowitymi.
Dla dowolnego
x
wymiernego wartość
f⁡(x)
jest liczbą wymierną (niekoniecznie całkowitą), na
przykład
f⁡(1)=34−12=14.
Zauważmy też, że na przykład
f⁡(2)=34⋅2−12=32−12=1
(otrzymaliśmy wartość całkowitą). Podobnie,
f⁡(23)=34⋅23−12=0.
Pamiętamy, że wykresem funkcji liniowej jest prosta. Aby ją
narysować, wystarczy znaleźć współrzędne
dwóch leżących na niej punktów lub,
równoważnie, dwie pary liczb
(x;y),
takie że
y=f⁡(x).
Jeżeli chcemy, aby wykres był dokładny, dobrze jest tak
dobrać współrzędne, aby były liczbami
całkowitymi. Powyższe uwagi i przykłady przydadzą
się więc przy rysowaniu wykresu funkcji liniowej, której
współczynniki
a
i
b
nie są liczbami całkowitymi.
Przyciski niżej uruchamiają zestawy ćwiczeń
pozwalających wypraktykować obliczanie wartości funkcji
liniowej.
a,b   całkowite,
x
całkowite
a,b   całkowite,
x
niecałkowite
a,b   niecałkowite,
x
całkowite
a,b   niecałkowite,
x
niecałkowite
Znajdowanie wartości argumentu, dla
której funkcja liniowa przyjmuje daną wartość
Aby znaleźć wartość
x,
dla której funkcja
f⁡(x)=a⁢x+b
przyjmuje daną wartość
y,
musimy rozwiązać
równanie:a⁢x+b=y
w którym
x
jest niewiadomą.
Zagadnienie znalezienia wartości argumentu, dla której funkcja przyjmuje
zadaną wartość, pojawia się w konkretnych
zastosowaniach.
Ćwiczenie. Statek stojący na kotwicy w
odległości
2
km od brzegu morza zaczyna płynąć w kierunku prostopadłym od
brzegu oddalając się od brzegu z prędkością
15
km/h. Po jakim czasie statek znajdzie się w odległości
100
km od brzegu?
Oznaczymy przez
x
czas, który upłynął od momentu, gdy statek
zaczął się oddalać od brzegu. Ze wzoru na drogę
w ruchu jednostajnym wynika, że odległość statku od
brzegu jest funkcją liniową czasu
x
daną
wzorem:f⁡(x)=15⁢x+2
gdzie
x
jest w godzinach, a otrzymany wynik
f⁡(x)
– w kilometrach. W naszym przypadku szukamy wartości
x,
dla której
f⁡(x)=100.
W tym celu musimy rozwiązać równanie
15⁢x+2=100.
Rozwiązaniem tego równania
jestx=100−215=9815=6815
Ponieważ
115
godziny to
4
minuty, więc statek znajdzie się w odległości
100
km od brzegu po
6
godzinach i
32
minutach.
Przyciski niżej uruchamiają ćwiczenia związane ze
znajdowaniem wartości
x,
gdy dana jest wartość funkcji
f⁡(x)=a⁢x+b
a,b   całkowite,
x
całkowite
a,b   całkowite,
x
niecałkowite
a,b   niecałkowite,
x
całkowite
a,b   niecałkowite,
x
niecałkowite
Wykres funkcji liniowej
Aby sporządzić
wykres funkcji liniowej, wystarczy obliczyć wartość
f⁡(x)
dla dwóch różnych wartości
x.
Następnie należy zaznaczyć w układzie
współrzędnych punkty o współrzędnych
(x;f⁡(x))
i połączyć je prostą. Jeżeli współczynniki
a,b
we wzorze funkcji są liczbami całkowitymi, to wystarczy
znaleźć wartość naszej funkcji dla dwóch
dowolnych całkowitych
x
(najprościej przyjąć
x=0,
a następnie
x=1).
Przykład. Narysujemy wykres funkcji danej wzorem:
f⁡(x)=−2⁢x+1.
W tym celu najpierw znajdziemy wartości funkcji dla
x=0
oraz dla
x=1.
Następnie zaznaczymy otrzymane pary współrzędnych
(x,f⁡(x))
w układzie współrzędnych i połączymy je
prostą.
Dla
x=0
mamy
f⁡(x)=1.
Wobec tego jednym z punktów wykresu jest
(0;1).
Z kolei dla
x=1
mamy
f⁡(x)=−1.
Wobec tego drugim punktem wykresu jest
(1;−1).
Zaznaczając te punkty w układzie współrzędnych i
łącząc je prostą otrzymamy wykres naszej funkcji, jak
na rysunku niżej.
Przycisk niżej uruchamia zestaw ćwiczeń podobnych do
powyższego przykładu.
Przykład. Narysujemy wykres funkcji danej
wzorem:f⁡(x)=74⁢x−12
Zauważmy, że w tym przypadku współczynniki
a
i
b
we wzorze funkcji nie są liczbami całkowitymi. Aby
znaleźć dwa punkty wykresu o współrzędnych
całkowitych, musimy odgadnąć takie dwie wartości
całkowite
x,
dla których
f⁡(x)
też jest liczbą całkowitą.
Na przykład dla
x=2
mamy
f⁡(x)=f⁡(2)=74⋅2−12=3.
Otrzymujemy w ten sposób punkt
(2;3)
leżący na wykresie.
Podobnie, dla
x=−2
mamy
f⁡(x)=74⋅(−2)−12=−4.
Otrzymaliśmy drugi punkt leżący na wykresie, mianowicie
(−2;−4).
Zaznaczając oba punkty w układzie współrzędnych i
łącząc je prostą otrzymujemy wykres naszej funkcji jak
na rysunku niżej.
Przycisk niżej uruchamia podobne ćwiczenia.
Współczynnik kierunkowy i
współczynnik przesunięcia
Stałe
a
i
b
występujące we wzorze funkcji liniowej:
f⁡(x)=a⁢x+b
mają bardzo naturalną interpretację geometryczną. Na
podstawie ich znajomości można sporo powiedzieć o
położeniu wykresu funkcji w układzie
współrzędnych.
Współczynnik
a
we wzorze funkcji liniowej
f⁡(x)=a⁢x+b
nosi nazwę współczynnika
kierunkowego. Wyraz wolny
b
nazywa się współczynnikiem
przesunięcia.
Współczynnik kierunkowy
W poprzedniej części, gdy omawialiśmy funkcję
f⁡(x)=a⁢x
(bez wyrazu wolnego
b),
stwierdziliśmy, że nachylenie wykresu (a więc jego
"kierunek" na płaszczyźnie) zależy od
współczynnika kierunkowego. Taką samą rolę
pełni współczynnik kierunkowy w przypadku ogólnym.
Dla
a>0 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem ostrym.
Dla a<0 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem rozwartym.
Dla a=0 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem zerowym (jest prostą poziomą).
Ponadto wartość współczynnika kierunkowego wpływa
na wielkość kąta nachylenia wykresu do dodatniej
półosi
O⁢X:
Dla a>1 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem ostrym większym od 45⁢°.
Dla a=1 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem 45⁢°.
Dla 0<a<1 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem ostrym mniejszym od 45⁢°.
Dla −1<a<0 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem rozwartym większym od 135⁢°.
Dla a=−1 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem 135⁢°.
Dla a<−1 wykres funkcji f⁡(x)=a⁢x+b jest nachylony do dodatniej półosi O⁢X pod kątem rozwartym większym od 90⁢° i mniejszym od 135⁢°.
Rysunki niżej
ilustrują zależności podane w powyższych tabelach
(przypadek
a=0,
w którym wykres jest prostą poziomą, został
pominięty).
Współczynnik przesunięcia
Wyraz wolny
b
we wzorze funkcji liniowej nazywa się
współczynnikiem przesunięcia. Nazwa
ta wiąże się z faktem, że wykres funkcji
f⁡(x)=a⁢x+b
powstaje przez przesunięcie wykresu funkcji
y=a⁢x
pionowo o
b
jednostek w górę (dla
b>0)
lub w dół (dla
b<0).
Ilustruje to rysunek poniżej:
Podstawiając we wzorze
funkcji liniowej
x=0
otrzymujemy
f⁡(0)=a⋅0+b=b.
Wynika stąd, że współczynnik przesunięcia jest
równy rzędnej punktu przecięcia wykresu funkcji liniowej z
osią
O⁢Y.
Wykres funkcji liniowej
f⁡(x)=a⁢x+b
przecina oś
O⁢Y
w punkcie
(0,b).
Przycisk niżej uruchamia symulator graficzny pozwalający na
eksperymenty ze współczynnikiem kierunkowym i
współczynnikiem przesunięcia.
Tabela poniżej podsumowuje
zależności
między współczynnikami
a,b
we wzorze funkcji liniowej a położeniem jej wykresu w
układzie współrzędnych.
f⁡(x)=a⁢x+b
Znaki
a
i
b
kąt nachylenia do
O⁢X
wykres przecina oś
O⁢Y
w punkcie
wykres przechodzi przez ćwiartki
Przykładowy wykres
a>0b>0
ostry
położonym nad osią
O⁢X
I, II, III
a>0b<0
ostry
położonym pod osią
O⁢X
I, III, IV
a<0b>0
rozwarty
położonym nad osią
O⁢X
I, II, IV
a<0b<0
rozwarty
położonym pod osią
O⁢X
II, III, IV
a=0b>0
zerowy
położonym nad osią
O⁢X
I, II
a=0b<0
zerowy
położonym pod osią
O⁢X
III, IV
a>0b=0
ostry
(0;0)
I, III
a<0b=0
rozwarty
(0;0)
II, IV
a=0b=0
zerowy
wykres pokrywa się z osią
O⁢X
–
W tabeli powyżej widzimy,
że wykres funkcji liniowej przechodzi przez dwie (a nie
trzy) ćwiartki wówczas, gdy albo przechodzi przez początek
układu współrzędnych, albo jest prostą
równoległą do osi O⁢X (niepokrywającą się z tą osią).
Przykład. Znajdziemy wzór przykładowej
funkcji liniowej, której wykresem jest prosta przechodząca przez
ćwiartki I, II, IV oraz która leży nad punktem
P=(9;−25).
Wzór naszej funkcji ma postać
f⁡(x)=a⁢x+b.
Musimy podać przykład takich
a
i
b,
aby wzór funkcji był zgodny z warunkami zadania. Ponieważ
wykres przechodzi przez I, II i IV ćwiartkę, więc jest
nachylony do osi
O⁢X
pod kątem rozwartym (patrz tabela powyżej). Wobec tego musi
być spełniony warunek
a<0.
Z tego samego założenia o ćwiartkach wynika, że wykres
przecina oś
O⁢Y
w punkcie o współrzędnej dodatniej. Zatem wyraz wolny
b
musi spełniać warunek
b>0.
Wrescie informacja, że wykres leży nad punktem
P⁡(9;−4),
oznacza, że
f⁡(9)>−25.
Otrzymujemy stąd nierówność
9⁢a+b>−25.
Za wspólczynniki
a
i
b
możemy teraz przyjąć dowolne liczby, które
spełniają jednocześnie trzy warunki:
a<0
b>0
9⁢a+b>−25
Przykładami takich liczb są
a=−3
i
b=4.
Wzór naszej funkcji ma wtedy
postać:f⁡(x)=−3⁢x+4
Przycisk poniżej
uruchamia podobne ćwiczenia.
Ćwiczenie.
Znajdź wzór przykładowej funkcji liniowej, której
wykresem jest prosta przechodząca przez ćwiartki II, III, IV oraz
która przechodzi przez punkt
P=(7;−45).
Wzór naszej funkcji ma postać
f⁡(x)=a⁢x+b.
Musimy podać przykład takich
a
i
b,
aby wzór funkcji był zgodny z warunkami zadania. Ponieważ
wykres przechodzi przez II, III i IV ćwiartkę, więc jest
nachylony do osi
O⁢X
pod kątem rozwartym. Wobec tego musi być spełniony warunek
a<0.
Z informacji o ćwiartkach wynika też, że wykres przecina
oś
O⁢Y
w punkcie o współrzędnej ujemnej. Zatem wyraz wolny
b
musi spełniać warunek
b<0.
Wreszcie informacja, że wykres przechodzi przez punkt
P⁡(7;−45),
oznacza, że
f⁡(7)=−45.
Otrzymujemy stąd równość
7⁢a+b=−45.
Za wspólczynniki
a
i
b
możemy teraz przyjąć dowolne liczby, które
spełniają jednocześnie trzy warunki:
a<0
b<0
7⁢a+b=−45
Przykładowo, można przyjąć
a=−6
i
b=−3.
Wzór naszej funkcji ma wtedy
postać:f⁡(x)=−6⁢x−3
Przycisk poniżej
uruchamia zestaw podobnych ćwiczeń.
Przykład. Znajdziemy wzór przykładowej
funkcji liniowej, której wykresem jest prosta przechodząca przez
III i IV ćwiartkę oraz która leży nad punktem
P=(4;−8).
Wzoru naszej funkcji szukamy w postaci
f⁡(x)=a⁢x+b.
Musimy podać przykład takich
a
i
b,
aby wzór funkcji był zgodny z warunkami zadania.
Ponieważ wykres przechodzi przez III i IV ćwiartkę,
więc jest prostą równoległą do osi
O⁢X,
leżącą pod tą osią. Zatem mamy
a=0.
Wzór funkcji ma postać
f⁡(x)=b
- jest to funkcja stała.
Z faktu, że wykres leży pod osią
O⁢X
wynika dodatkowo, że
b<0.
Wreszcie informacja, że punkt
P⁡(4;−8)
leży pod wykresem funkcji pociaga za sobą, że oznacza,
że
f⁡(4)>−8.
Otrzymujemy stąd
b>−8.
Przyjmując przykładowo
b=−6
otrzymujemy:f⁡(x)=−6
Przycisk poniżej
uruchamia podobne ćwiczenia.
Ćwiczenie. Rozwiąż zadanie z ostatniego
przykładu, zakładając jednak, że tym razem prosta
będąca wykresem funkcji przechodzi przez punkt
P=(4;−8)
(a nie leży nad nim).
Wzoru naszej funkcji szukamy w postaci
f⁡(x)=a⁢x+b.
Powtarzając część rozumowania z ostatniego
przykładu stwierdzamy, że wykres przechodzi przez III i IV
ćwiartkę, więc jest prostą równoległą
do osi
O⁢X,
leżącą pod tą osią. Zatem mamy
a=0.
Wzór funkcji ma postać
f⁡(x)=b. Z
informacji o ćwiartkach wynika, że wykres leży pod
osią
O⁢X,
więc
b<0.
Natomiast informacja, że punkt
P⁡(4;−8)
leży na wykresie funkcji (a nie pod nim) tym razem oznacza, że
f⁡(4)=−8.
Otrzymujemy stąd warunek
b=−8.
Tak więc istnieje dokładnie jedna funkcja spełniająca
warunki
zadania:f⁡(x)=−8
Przyciski poniżej
uruchamiają podobne ćwiczenia.
Punkty
przecięcia wykresu funkcji liniowej z osiami układu
Podstawiając we wzorze
funkcji liniowej
x=0
otrzymujemy
f⁡(0)=a⋅0+b=b.
Wynika stąd, że współczynnik przesunięcia jest
równy rzędnej punktu przecięcia wykresu funkcji liniowej z
osią
O⁢Y.
Wykres funkcji liniowej
f⁡(x)=a⁢x+b
przecina oś
O⁢Y
w punkcie
(0,b).
Punkt przecięcia wykresu
funkcji liniowej
f⁡(x)=a⁢x+b
z osią
O⁢X
znajdujemy podstawiając
f⁡(x)=0
we wzorze funkcji. Otrzymujemy wówczas
równanie:a⁢x+b=0
Jeżeli
a≠0,
to rozwiązaniem tego równania jest:
x=−ba
Punktem przecięcia wykresu z osią
O⁢X
jest więc
(−ba;0).
Jeżeli
a=0,
wówczas wzór funkcji przyjmuje postać
f⁡(x)=b.
Po podstawieniu
f⁡(x)=0
otrzymamy równanie
b=0.
Dla
b≠0
równanie to nie ma rozwiązań (w tym przypadku wykres funkcji jest
prostą równoległą do osi
O⁢X).
Dla
b=0
równanie przyjmuje postać tożsamości
0=0,
więc każda liczba rzeczywista jest jego rozwiązaniem (w tym
przypadku wykres funkcji pokrywa się z osią
O⁢X).
W konsekwencji otrzymujemy następujący fakt.
Niech
f
będzie funkcją liniową daną wzorem
f⁡(x)=a⁢x+b.
Jeżeli
a≠0,
wówczas wykres funkcji
f
przecina oś
O⁢X
w punkcie:
(−ba;0)
Jeżeli
a=0,
wówczas:
– dla
b≠0
wykres funkcji
f
nie ma punktów wspólnych z osią
O⁢X
(jest prostą równoległą do osi
O⁢X);
– dla
b=0
wykres funkcji
f
pokrywa się z osią
O⁢X.
Ćwiczenie. Znajdź punkty przecięcia wykresu
funkcji
f⁡(x)=32⁢x−2
z osiami układu współrzędnych.
Dla znalezienia punktu przecięcia wykresu z osią
O⁢Y
wystarczy obliczyć wartość funkcji
f
dla
x=0.
Mamy w naszym przypadku
f⁡(0)=−2.
(Przypomnijmy, że jest to jednocześnie wartość
współczynnika przesunięcia we wzorze funkcji liniowej, tak
więc można ją po prostu odczytać ze wzoru funkcji).
Wykres przecina więc oś
O⁢Y
w punkcie
(0;−2).
Aby znaleźć punkt przecięcia wykresu z osią
O⁢X,
musimy rozwiązać równanie
f⁡(x)=0,
czyli
32⁢x−2=0
Rozwiązaniem tego równania jest
x=43.
Wykres przecina więc oś
O⁢X
w punkcie
(43;0).
Rysunek niżej ilustruje rozwiązanie.
Aby znaleźć współczynnik
b,
podstawiamy znalezioną wartość
a=−5
na przykład do pierwszego równania i
otrzymujemy:(−4)⋅(−5)+b=2420+b=24
skąd otrzymujemy
b=4.
Ostatecznie wzór szukanej funkcji ma
postać:f⁡(x)=−5⁢x+4
Przykład. Znajdziemy wzór funkcji liniowej, takiej
że
f⁡(1)=12
oraz
f⁡(−5)=12.
Podstawiając odpowiednie
wartości do wzoru funkcji, jak w poprzednim przykładzie,
otrzymujemy równania:
a+b=12−5⁢a+b=12
Odejmując, jak poprzednio, pierwsze równanie od drugiego
otrzymujemy:
−6⁢a=0
Stąd
a=0.
Z pierwszego równania otrzymujemy teraz
b=12.
Ostatecznie wzór funkcji ma postać:
f⁡(x)=12
Szukana funkcja jest więc funkcją stałą.
Zauważmy, że mogliśmy ten wynik otrzymać bez
rozwiązywania układu równań powyżej.
Wystarczyło zauważyć, że nasza funkcja przyjmuje w
dwóch punktach identyczne wartości, a więc jest stała. Wobec
tego
a=0,
a wzór naszej funkcji ma postać
f⁡(x)=b.
Z ostatniego wzoru widać, że wartość
współczynnika przesunięcia
b   jest
równa przyjmowanej przez funkcję stałej wartości, a
więc
12.
Dwa przyciski niżej otwierają zestawy ćwiczeń
podobnych do ostatnich przykładów.
Znajdowanie wzoru funkcji na podstawie wykresu
Podane wyżej przykłady pokazują, jak znaleźć
wzór funkcji liniowej na podstawie znajomości jej wartości w
dwóch różnych punktach. Wartości takie możemy w
szczególności odczytać z podanego wykresu funkcji.
Ćwiczenie.
Znajdź wzór funkcji liniowej, której wykres podany jest na
rysunku poniżej. W tym celu odczytaj z wykresu dwie pary
(x,f⁡(x))
i zastosuj metodę poznaną w przykładach powyżej.
Wzór szukanej funkcji ma postać
f⁡(x)=a⁢x+b.
Musimy znaleźć wartości
a
i
b.
W tym celu – podobnie jak w przykładach powyżej – wystarczy,
że ustalimy wartości funkcji w dwóch różnych
punktach, a następnie rozwiążemy odpowiedni układ
równań.
Zauważmy, że podany wykres przechodzi przez punkt
(3;1).
Oznacza to, że
f⁡(3)=1.
Podstawiając te wartości do wzoru funkcji otrzymujemy
równanie:
3⁢a+b=1
Podobnie, zauważmy, że wykres przechodzi przez punkt
(−6;−4).
Oznacza to, że
f⁡(−6)=−4.
Ponownie podstawiamy te wartości do wzoru funkcji otrzymując
drugie równanie:
−6⁢a+b=−4
Odejmujemy drugie równanie od pierwszego i otrzymujemy
9⁢a=5a=59
Podstawiamy tak wyliczoną wartość
a
do pierwszego równania i wyliczamy z niego
b: