Lemonmath
English

Khảo sát và vẽ đồ thị hàm số

Bài 1.4 · 25 phút đọc · Cập nhật

Bạn Lan muốn vẽ đồ thị y=x3−3x+1y=x^3-3x+1 bằng tay. Lan chấm năm điểm:

xx −2-2 −1-1 00 11 22
yy −1-1 33 11 −1-1 33

rồi nối lại. Nhưng biết đâu giữa hai điểm chấm, đồ thị còn có một chỗ "nhô" lên mà Lan không thấy? Và phương trình x3−3x+1=0x^3-3x+1=0 có bao nhiêu nghiệm?

Sơ đồ khảo sát hàm số

Khám phá: đạo hàm cho biết hình dạng

Đạo hàm y′=3x2−3=3(x−1)(x+1)y'=3x^2-3=3(x-1)(x+1) chỉ bằng 00 tại x=−1x=-1 và x=1x=1. Vậy đồ thị chỉ có thể "quay đầu" tại hai điểm đó: đi lên trên (−∞;−1)(-\infty; -1), đi xuống trên (−1;1)(-1; 1), đi lên trên (1;+∞)(1; +\infty). Giữa các điểm Lan chấm không còn chỗ nhô nào khác.

Như vậy chỉ cần vài điểm và bảng biến thiên là ta vẽ được đồ thị đúng hình dạng. Đó là ý tưởng của sơ đồ khảo sát.

Hàm số bậc ba

-3-2-1123-3-2-11245xyO(-1; 3)(1; -1)(0; 1)
Đồ thị y=x3−3x+1y=x^3-3x+1

Điểm (0;1)(0; 1) là trung điểm của hai điểm cực trị, và đồ thị đối xứng qua điểm này. Mọi đồ thị bậc ba đều có một tâm đối xứng: đó là điểm có hoành độ là nghiệm của y′′=0y''=0 (ở đây y′′=6x=0  ⟺  x=0y''=6x=0\iff x=0).

Không phải hàm bậc ba nào cũng có cực trị. Khi y′y' không đổi dấu, đồ thị đi một chiều.

-1,0-0,50,52,53,0-2-11234xyO(0; 2)I(2; 0)
Đồ thị y=−x3+3x2−3x+2y=-x^3+3x^2-3x+2

Hàm số phân thức

Với phân thức, bước "giới hạn và tiệm cận" quan trọng hơn: các tiệm cận được vẽ trước bằng nét đứt, rồi ta vẽ các nhánh sát chúng.

-6-4-22468-6-42468xyO(-1; 0)(0; -1)
Đồ thị y=x+1x−1y=\dfrac{x+1}{x-1}

Với y=ax2+bx+cmx+ny=\dfrac{ax^2+bx+c}{mx+n}, ta chia đa thức trước: vừa thấy tiệm cận xiên, vừa tính đạo hàm dễ hơn.

-4-2246-8-6-4246810xyO(0; -2)(2; 2)
Đồ thị y=x2−2x+2x−1y=\dfrac{x^2-2x+2}{x-1}

Đọc đồ thị và ứng dụng

Khi đã có đồ thị, ta đọc được nhiều thông tin mà không cần tính lại, chẳng hạn số nghiệm của phương trình f(x)=kf(x)=k (với kk là một số cho trước): đó là số giao điểm của đồ thị với đường thẳng nằm ngang y=ky=k.

134-112356xyO(0; 4)(2; 0)(-1; 0)
Đồ thị của một hàm bậc ba y=f(x)y=f(x) và đường thẳng y=1y=1

Cuối cùng, ta nhắc lại cách viết tiếp tuyến đã học ở lớp 11: tiếp tuyến tại M(x0;y0)M(x_0; y_0) có phương trình y=f′(x0)(x−x0)+y0y=f'(x_0)(x-x_0)+y_0.

Thuật ngữ

Tóm tắt

  • Sơ đồ: tập xác định → y′y', giới hạn, tiệm cận, bảng biến thiên → giao điểm với các trục, điểm đặc biệt → vẽ.
  • Hàm bậc ba: có hai cực trị hoặc không có cực trị; tâm đối xứng là điểm có y′′=0y''=0.
  • y=ax+bcx+dy=\dfrac{ax+b}{cx+d}: luôn đồng biến hoặc luôn nghịch biến trên từng khoảng; hai tiệm cận cắt nhau tại tâm đối xứng.
  • y=ax2+bx+cmx+ny=\dfrac{ax^2+bx+c}{mx+n}: chia đa thức để có tiệm cận xiên và đạo hàm gọn.
  • Số nghiệm của f(x)=kf(x)=k bằng số giao điểm của đồ thị với đường thẳng y=ky=k. Tiếp tuyến tại x0x_0: y=f′(x0)(x−x0)+f(x0)y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0).

Luyện tập

Mỗi bài có phần kiến thức và gợi ý các bước. Hãy tự làm trước, rồi mới bấm xem lời giải.

Bài 1

Khảo sát và vẽ đồ thị hàm số y=x3−3xy=x^3-3x.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: sơ đồ khảo sát; hàm số lẻ có đồ thị đối xứng qua gốc toạ độ.

Gợi ý các bước:

  1. Tính y′y', tìm cực trị và lập bảng biến thiên.
  2. Tìm giao điểm với trục hoành: x(x2−3)=0x(x^2-3)=0.
Xem lời giải

y′=3(x−1)(x+1)y'=3(x-1)(x+1); đồng biến trên (−∞;−1)(-\infty; -1) và (1;+∞)(1; +\infty), nghịch biến trên (−1;1)(-1; 1). Cực đại (−1;2)(-1; 2), cực tiểu (1;−2)(1; -2). Đồ thị cắt trục hoành tại x=0x=0, x=±3x=\pm\sqrt3, và đối xứng qua OO (cũng là điểm có y′′=6x=0y''=6x=0).

Đáp số. Cực đại (−1;2)(-1; 2), cực tiểu (1;−2)(1; -2); đồ thị qua (−3;0)(-\sqrt3; 0), O(0;0)O(0; 0), (3;0)(\sqrt3; 0), tâm đối xứng OO.

Bài 2

Khảo sát và vẽ đồ thị hàm số y=x−2x+1y=\dfrac{x-2}{x+1}.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: y=ax+bcx+dy=\dfrac{ax+b}{cx+d} có y′=ad−bc(cx+d)2y'=\dfrac{ad-bc}{(cx+d)^2}, tiệm cận đứng x=−dcx=-\dfrac dc, tiệm cận ngang y=acy=\dfrac ac.

Gợi ý các bước:

  1. Tính y′y' và xét dấu.
  2. Tìm hai tiệm cận và giao điểm với các trục.
Xem lời giải

D=R∖{−1}D=\mathbb{R}\setminus\{-1\}, y′=1⋅1−(−2)⋅1(x+1)2=3(x+1)2>0y'=\dfrac{1\cdot1-(-2)\cdot1}{(x+1)^2}=\dfrac{3}{(x+1)^2}>0: đồng biến trên từng khoảng (−∞;−1)(-\infty; -1) và (−1;+∞)(-1; +\infty). Tiệm cận đứng x=−1x=-1, tiệm cận ngang y=1y=1. Giao với các trục: (2;0)(2; 0) và (0;−2)(0; -2).

Đáp số. Đồng biến trên từng khoảng xác định; tiệm cận x=−1x=-1, y=1y=1; tâm đối xứng I(−1;1)I(-1; 1); đồ thị qua (2;0)(2; 0) và (0;−2)(0; -2).

Bài 3

Khảo sát hàm số y=x2+x+1x+1y=\dfrac{x^2+x+1}{x+1}: tìm cực trị và các tiệm cận.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: chia đa thức để viết y=x+1x+1y=x+\dfrac{1}{x+1}.

Gợi ý các bước:

  1. Tính y′=1−1(x+1)2y'=1-\dfrac{1}{(x+1)^2} và quy đồng.
  2. Lập bảng biến thiên với các mốc −2-2, −1-1, 00.
Xem lời giải

y′=x(x+2)(x+1)2=0  ⟺  x=0y'=\dfrac{x(x+2)}{(x+1)^2}=0\iff x=0 hoặc x=−2x=-2. y′y' dương trên (−∞;−2)(-\infty; -2) và (0;+∞)(0; +\infty), âm trên (−2;−1)(-2; -1) và (−1;0)(-1; 0). y(−2)=−3y(-2)=-3, y(0)=1y(0)=1. Tiệm cận đứng x=−1x=-1, tiệm cận xiên y=xy=x.

Đáp số. Cực đại (−2;−3)(-2; -3), cực tiểu (0;1)(0; 1); tiệm cận đứng x=−1x=-1, tiệm cận xiên y=xy=x.

Bài 4

Dựa vào đồ thị y=x3−3xy=x^3-3x (bài 1), cho biết mỗi phương trình sau có bao nhiêu nghiệm: a) x3−3x=1x^3-3x=1; b) x3−3x=−3x^3-3x=-3.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: số nghiệm của f(x)=kf(x)=k bằng số giao điểm của đồ thị với đường thẳng y=ky=k.

Gợi ý các bước:

  1. So sánh kk với giá trị cực đại 22 và cực tiểu −2-2.
  2. Đếm giao điểm.
Xem lời giải

a) −2<1<2-2<1<2, nên đường thẳng y=1y=1 cắt cả ba "đoạn" của đồ thị: 33 nghiệm. b) −3<−2-3<-2, nên đường thẳng y=−3y=-3 chỉ cắt nhánh bên trái (nơi yy đi từ −∞-\infty lên 22): 11 nghiệm.

Đáp số. a) 33 nghiệm; b) 11 nghiệm.

Bài 5

Cho hàm số y=x3−6x2+9x−2y=x^3-6x^2+9x-2. Mỗi khẳng định sau đúng hay sai?

a) Đồ thị cắt trục tung tại điểm (0;−2)(0; -2).

b) Điểm cực đại của đồ thị là (1;2)(1; 2).

c) Phương trình x3−6x2+9x−2=0x^3-6x^2+9x-2=0 có đúng hai nghiệm.

d) Tâm đối xứng của đồ thị là điểm (2;0)(2; 0).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: bảng biến thiên của hàm bậc ba; tâm đối xứng có hoành độ là nghiệm của y′′=0y''=0.

Gợi ý các bước:

  1. Tính y′y', tìm cực trị.
  2. So sánh 00 với giá trị cực đại và cực tiểu để đếm nghiệm.
  3. Giải y′′=0y''=0.
Xem lời giải

y′=3(x−1)(x−3)y'=3(x-1)(x-3); y(1)=2y(1)=2 (cực đại), y(3)=−2y(3)=-2 (cực tiểu).

a) Đúng: y(0)=−2y(0)=-2.

b) Đúng: y′y' đổi dấu +→−+\to- tại x=1x=1 và y(1)=2y(1)=2.

c) Sai: −2<0<2-2<0<2 nên đường thẳng y=0y=0 cắt đồ thị tại 33 điểm (các nghiệm là 22 và 2±32\pm\sqrt3).

d) Đúng: y′′=6x−12=0  ⟺  x=2y''=6x-12=0\iff x=2, y(2)=8−24+18−2=0y(2)=8-24+18-2=0.

Đáp số. a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng.

Bài 6

Tiếp tuyến của đồ thị y=x3−3x2+4y=x^3-3x^2+4 tại điểm có hoành độ x0=3x_0=3 cắt trục tung tại điểm có tung độ bằng bao nhiêu?

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: tiếp tuyến tại x0x_0: y=f′(x0)(x−x0)+f(x0)y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0) (đạo hàm, lớp 11).

Gợi ý các bước:

  1. Tính f(3)f(3) và f′(3)f'(3).
  2. Viết tiếp tuyến rồi cho x=0x=0.
Xem lời giải

f(3)=27−27+4=4f(3)=27-27+4=4, f′(x)=3x2−6xf'(x)=3x^2-6x nên f′(3)=9f'(3)=9. Tiếp tuyến: y=9(x−3)+4=9x−23y=9(x-3)+4=9x-23. Với x=0x=0: y=−23y=-23.

Đáp số. −23-23.

Bài 7

Số lượng vi khuẩn trong một mẫu nuôi cấy sau tt giờ là N(t)=500t+100t+1N(t)=\dfrac{500t+100}{t+1} (nghìn con), t≥0t\ge0. Khảo sát hàm số trên [0;+∞)[0; +\infty) và cho biết: lúc đầu có bao nhiêu vi khuẩn, số vi khuẩn tăng hay giảm, và về lâu dài nó tiến tới đâu?

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: dấu của N′(t)N'(t) cho biết tăng hay giảm; tiệm cận ngang cho biết giá trị về lâu dài.

Gợi ý các bước:

  1. Tính N(0)N(0) và N′(t)N'(t).
  2. Tính lim⁡t→+∞N(t)\lim\limits_{t\to+\infty}N(t).
Xem lời giải

N(0)=100N(0)=100. N′(t)=500(t+1)−(500t+100)(t+1)2=400(t+1)2>0N'(t)=\dfrac{500(t+1)-(500t+100)}{(t+1)^2}=\dfrac{400}{(t+1)^2}>0, nên NN đồng biến. lim⁡t→+∞N(t)=500\lim\limits_{t\to+\infty}N(t)=500: tiệm cận ngang N=500N=500.

Đáp số. Lúc đầu 100100 nghìn con; số vi khuẩn luôn tăng và tiến gần 500500 nghìn con nhưng không vượt quá.

Bài 8

Đồ thị hàm số y=ax+bx+cy=\dfrac{ax+b}{x+c} có tiệm cận đứng x=1x=1, tiệm cận ngang y=2y=2 và đi qua điểm (0;−1)(0; -1). Tìm aa, bb, cc.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: y=ax+bx+cy=\dfrac{ax+b}{x+c} có tiệm cận đứng x=−cx=-c và tiệm cận ngang y=ay=a.

Gợi ý các bước:

  1. Từ hai tiệm cận suy ra cc và aa.
  2. Thay điểm (0;−1)(0; -1) để tìm bb.
Xem lời giải

Tiệm cận đứng x=−c=1x=-c=1 nên c=−1c=-1; tiệm cận ngang y=a=2y=a=2. Thay (0;−1)(0; -1): b−1=−1\dfrac{b}{-1}=-1, nên b=1b=1. Hàm số là y=2x+1x−1y=\dfrac{2x+1}{x-1} (có ad−bc=2⋅(−1)−1⋅1=−3≠0ad-bc=2\cdot(-1)-1\cdot1=-3\neq0).

Đáp số. a=2a=2, b=1b=1, c=−1c=-1.

Bài 9 Ôn tập

Tìm toạ độ giao điểm của đồ thị y=x+1x−1y=\dfrac{x+1}{x-1} và đường thẳng y=x−1y=x-1.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: hoành độ giao điểm là nghiệm của phương trình x+1x−1=x−1\dfrac{x+1}{x-1}=x-1 với x≠1x\neq1; giải phương trình bậc hai (lớp 10).

Gợi ý các bước:

  1. Nhân hai vế với x−1x-1 và đưa về phương trình bậc hai.
  2. Kiểm tra điều kiện x≠1x\neq1, rồi tính tung độ.
Xem lời giải

x+1=(x−1)2  ⟺  x2−3x=0  ⟺  x=0x+1=(x-1)^2\iff x^2-3x=0\iff x=0 hoặc x=3x=3 (đều khác 11). Tung độ: y=0−1=−1y=0-1=-1 và y=3−1=2y=3-1=2.

Đáp số. (0;−1)(0; -1) và (3;2)(3; 2).

Bài 10 Thử thách

Viết phương trình các tiếp tuyến của đồ thị y=x+1x−1y=\dfrac{x+1}{x-1} song song với đường thẳng y=−2xy=-2x.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: hai đường thẳng song song có cùng hệ số góc; hệ số góc của tiếp tuyến tại x0x_0 là y′(x0)y'(x_0).

Gợi ý các bước:

  1. Giải y′(x0)=−2(x0−1)2=−2y'(x_0)=\dfrac{-2}{(x_0-1)^2}=-2.
  2. Với mỗi nghiệm, tính y0y_0 và viết tiếp tuyến; kiểm tra tiếp tuyến không trùng y=−2xy=-2x.
Xem lời giải

(x0−1)2=1  ⟺  x0=0(x_0-1)^2=1\iff x_0=0 hoặc x0=2x_0=2. Tại x0=0x_0=0: y0=−1y_0=-1, tiếp tuyến y=−2x−1y=-2x-1. Tại x0=2x_0=2: y0=3y_0=3, tiếp tuyến y=−2(x−2)+3=−2x+7y=-2(x-2)+3=-2x+7. Cả hai đều khác y=−2xy=-2x.

Đáp số. y=−2x−1y=-2x-1 và y=−2x+7y=-2x+7.

Kiểm tra mini

Kiểm tra mini

Chấm như đề thi tốt nghiệp THPT: Phần I mỗi câu 0,25 điểm; Phần II mỗi câu tối đa 1 điểm (đúng 1, 2, 3, 4 ý được 0,1; 0,25; 0,5; 1 điểm); Phần III mỗi câu 0,5 điểm.

Phần I. Trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn

Câu 1. Tâm đối xứng của đồ thị hàm số y=x3−3x2+2y=x^3-3x^2+2 là điểm
Câu 2. Đồ thị của hàm số nào sau đây có tiệm cận đứng x=2x=2 và tiệm cận ngang y=−1y=-1?
Câu 3. Hàm số y=f(x)y=f(x) liên tục trên R\mathbb{R}, đồng biến trên các khoảng (−∞;−1)(-\infty; -1) và (3;+∞)(3; +\infty), nghịch biến trên khoảng (−1;3)(-1; 3), có f(−1)=4f(-1)=4, f(3)=−2f(3)=-2, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\lim\limits_{x\to-\infty}f(x)=-\infty và lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=+\infty. Phương trình f(x)+2=0f(x)+2=0 có bao nhiêu nghiệm?
Câu 4. Hệ số góc của tiếp tuyến của đồ thị hàm số y=2x−1x+1y=\dfrac{2x-1}{x+1} tại điểm có hoành độ x0=0x_0=0 bằng

Phần II. Trắc nghiệm đúng sai

Câu 1. Cho hàm số f(x)=−x3+6x2−9x+3f(x)=-x^3+6x^2-9x+3.
a) Hàm số đạt cực tiểu tại x=1x=1.
b) Đồ thị hàm số có tâm đối xứng là I(2;1)I(2; 1).
c) Phương trình f(x)=3f(x)=3 có ba nghiệm phân biệt.
d) Tiếp tuyến của đồ thị tại điểm I(2;1)I(2; 1) có phương trình y=3x−5y=3x-5.

Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn

Câu 1. Gọi AA, BB là hai điểm cực trị của đồ thị hàm số y=x3−3x2−9x+1y=x^3-3x^2-9x+1 và OO là gốc toạ độ. Tính diện tích tam giác OABOAB.

Câu 2. Tiếp tuyến của đồ thị hàm số y=x+2x−1y=\dfrac{x+2}{x-1} tại điểm có hoành độ x0=3x_0=3 cắt trục hoành tại điểm có hoành độ bằng bao nhiêu (làm tròn kết quả đến hàng phần mười)?

Xem đáp án và giải thích
  1. Phần I, câu 1: C. y′′=6x−6=0  ⟺  x=1y''=6x-6=0\iff x=1 và y(1)=0y(1)=0. Phương án B là giao điểm với trục tung, phương án A là điểm cực tiểu của đồ thị.
  2. Phần I, câu 2: A. y=ax+bcx+dy=\dfrac{ax+b}{cx+d} có tiệm cận đứng x=−dcx=-\dfrac dc và tiệm cận ngang y=acy=\dfrac ac; với A là x=2x=2 và y=−1y=-1. Phương án C nhầm dấu của −dc-\dfrac dc, phương án D đổi vai trò hai hệ số.
  3. Phần I, câu 3: B. f(x)=−2f(x)=-2: đường thẳng y=−2y=-2 cắt nhánh bên trái một lần và chỉ chạm đồ thị tại điểm cực tiểu (3;−2)(3; -2), nên có 22 nghiệm. Phương án C đếm như khi −2-2 nằm giữa hai giá trị cực trị.
  4. Phần I, câu 4: D. y′=2⋅1−(−1)⋅1(x+1)2=3(x+1)2y'=\dfrac{2\cdot1-(-1)\cdot1}{(x+1)^2}=\dfrac{3}{(x+1)^2}, nên y′(0)=3y'(0)=3. Phương án B là tung độ y(0)y(0), phương án C tính nhầm bc−adbc-ad.
  5. Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng. a) Đúng: f′(x)=−3(x−1)(x−3)f'(x)=-3(x-1)(x-3) đổi dấu từ −- sang ++ tại x=1x=1. b) Đúng: f′′(x)=−6x+12=0  ⟺  x=2f''(x)=-6x+12=0\iff x=2, f(2)=1f(2)=1. c) Sai: f(3)=3f(3)=3 là giá trị cực đại, f(x)=3  ⟺  −x(x−3)2=0f(x)=3\iff -x(x-3)^2=0 chỉ có 22 nghiệm x=0x=0, x=3x=3. d) Đúng: f′(2)=3f'(2)=3 nên y=3(x−2)+1=3x−5y=3(x-2)+1=3x-5.
  6. Phần III, câu 1: 4. y′=3(x+1)(x−3)y'=3(x+1)(x-3) nên A(−1;6)A(-1; 6), B(3;−26)B(3; -26). Diện tích là 12∣(−1)⋅(−26)−3⋅6∣=12⋅8=4\dfrac12\left|(-1)\cdot(-26)-3\cdot6\right|=\dfrac12\cdot8=4.
  7. Phần III, câu 2: 6,3. y(3)=52y(3)=\dfrac52, y′=−3(x−1)2y'=\dfrac{-3}{(x-1)^2} nên y′(3)=−34y'(3)=-\dfrac34. Tiếp tuyến y=−34(x−3)+52y=-\dfrac34(x-3)+\dfrac52 bằng 00 khi x=193≈6,33x=\dfrac{19}{3}\approx6{,}33, làm tròn được 6,36{,}3.