MateExameneProfesor de Matematică · Elena Micu
Acasă › Liceu › Clasa a XI-a › Analiză › Capitolul II › Lecția 12 › Funcții polinomiale
Funcții polinomiale. Funcții raționale · fișă de lucru la clasă
FIȘA 1: FUNCȚII POLINOMIALE
Nume și prenume elev: Data: Clasa:
Definiții. Se numește funcție polinomială funcția $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$,
$f(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \ldots + a_2 x^2 + a_1 x + a_0$,  $a_i \in \mathbb{R}$, $a_n \neq 0$.
Numărul natural $n$ se numește gradul funcției polinomiale și se notează $\operatorname{gr} f = n$.
Numerele $a_i$ se numesc coeficienții funcției, $a_n x^n$ se numește termenul dominant, $a_n$ coeficientul dominant, iar $a_0$ termenul liber.

Observații.

  1. Funcțiile sumă și produs a două funcții polinomiale sunt funcții polinomiale, deoarece se obțin din adunarea și înmulțirea termenilor de forma $a_i x^i$ și $b_j x^j$.
  2. Dacă $f, g : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ sunt funcții polinomiale, atunci $\operatorname{gr}(f + g) \leq \max(\operatorname{gr} f, \operatorname{gr} g)$ (termenii dominanți se reduc, dacă coeficienții dominanți sunt numere reale opuse) și $\operatorname{gr}(f \cdot g) = \operatorname{gr} f + \operatorname{gr} g$.
  3. Funcția polinomială nulă, $f(x) = 0$, $\forall x \in \mathbb{R}$, are toți coeficienții nuli, deci nu i se poate atribui un grad în sensul definiției. Prin convenție, polinomul nul are gradul $-\infty$. Cu această convenție, relațiile de la observația precedentă rămân adevărate în toate cazurile.

În prezentul paragraf vom reaminti mai detaliat funcțiile polinomiale studiate în clasele anterioare, adică cele de gradul $0$, $1$ respectiv $2$, urmând ca în capitolele ulterioare să le putem studia și pe cele de grad mai mare cu mijloacele analizei matematice.

Funcția polinomială de grad 0

Funcția polinomială de grad $0$ este de fapt funcția constantă, cu graficul o dreaptă paralelă cu axa $Ox$. (vezi mai jos)

Funcția polinomială de grad 1

Funcția polinomială de grad $1$ este de forma $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = ax + b$, $a, b \in \mathbb{R}$, $a \neq 0$. Știm din clasele anterioare că pentru $a < 0$ funcția este strict descrescătoare, este pozitivă pe intervalul $\left(-\infty, -\dfrac{b}{a}\right)$ și negativă pe $\left(-\dfrac{b}{a}, +\infty\right)$, iar pentru $a > 0$ este strict crescătoare, negativă pe intervalul $\left(-\infty, -\dfrac{b}{a}\right)$ și pozitivă pe $\left(-\dfrac{b}{a}, +\infty\right)$. $x = -\dfrac{b}{a}$ este rădăcina funcției în ambele cazuri. Graficul funcției este o dreaptă. (vezi mai jos)

($a < 0$)
($a > 0$)

Funcția polinomială de gradul doi

Funcția polinomială de gradul doi este de forma $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = ax^2 + bx + c$, $a, b, c \in \mathbb{R}$, $a \neq 0$.

Graficul funcției este o parabolă concavă pentru $a < 0$ și convexă pentru $a > 0$.

Dacă discriminantul $\Delta = b^2 - 4ac > 0$, atunci parabola intersectează axa $Ox$ în două puncte distincte $\left(\dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}, 0\right)$ și $\left(\dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a}, 0\right)$. Dacă $\Delta = 0$, parabola este tangentă la axa $Ox$ în punctul $\left(-\dfrac{b}{2a}, 0\right)$. Dacă $\Delta < 0$ atunci parabola nu intersectează axa $Ox$.

Pentru $a < 0$ funcția este strict crescătoare pe $\left(-\infty, -\dfrac{b}{2a}\right)$ și strict descrescătoare pe $\left(-\dfrac{b}{2a}, +\infty\right)$. Pentru $a > 0$ este strict descrescătoare pe $\left(-\infty, -\dfrac{b}{2a}\right)$ și strict crescătoare pe $\left(-\dfrac{b}{2a}, +\infty\right)$. Dreapta $x = -\dfrac{b}{2a}$ este axă de simetrie a parabolei.

Vârful parabolei este punctul $V\left(-\dfrac{b}{2a}, -\dfrac{\Delta}{4a}\right)$, care este punct de minim al funcției pentru $a > 0$, respectiv punct de maxim pentru $a < 0$.

Semnul funcției pentru $\Delta < 0$ este același cu semnul lui $a$ pentru orice $x \in \mathbb{R}$.

Dacă $\Delta = 0$, atunci pentru $x_1 = x_2 = -\dfrac{b}{2a}$ funcția ia valoarea $0$, iar în celelalte numere reale are același semn cu semnul lui $a$.

Dacă $\Delta > 0$, atunci în $x_{1,2} = \dfrac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}$ ia valoarea $0$, între rădăcini are semnul opus lui $a$, iar în afara rădăcinilor are același semn cu semnul lui $a$.

Observație. Se poate demonstra că punctele graficului funcției $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = ax^2 + bx + c$ sunt la aceeași distanță de punctul $F\left(-\dfrac{b}{2a}, -\dfrac{\Delta + 1}{4a}\right)$ și dreapta $y = -\dfrac{\Delta - 1}{4a}$. Punctul $F$ se numește focarul parabolei, iar dreapta $y = -\dfrac{\Delta - 1}{4a}$ se numește dreapta directoare a parabolei.

Proprietățile funcției de gradul doi, respectiv graficele, sunt schițate pentru fiecare caz în parte în următorul tabel:

$\Delta < 0$  ($x_{1,2} \notin \mathbb{R}$) $\Delta = 0$  ($x_1 = x_2 \in \mathbb{R}$) $\Delta > 0$  ($x_{1,2} \in \mathbb{R}$, $x_1 \neq x_2$)
$a < 0$
$x$$-\infty$$-\dfrac{b}{2a}$$+\infty$
$f(x)$$-\ -\ -$$-$$-\ -\ -$
$f$↗ ↗ ↗$-\dfrac{\Delta}{4a}$↘ ↘ ↘
$x$$-\infty$$x_{1,2} = -\dfrac{b}{2a}$$+\infty$
$f(x)$$-\ -\ -$$0$$-\ -\ -$
$f$↗ ↗ ↗$0$↘ ↘ ↘
$x$$-\infty \quad x_1$$-\dfrac{b}{2a}$$x_2 \quad +\infty$
$f(x)$$-\ -\ 0\ +$$+$$+\ 0\ -\ -$
$f$↗ ↗ ↗$-\dfrac{\Delta}{4a}$↘ ↘ ↘
$a > 0$
$x$$-\infty$$-\dfrac{b}{2a}$$+\infty$
$f(x)$$+\ +\ +$$+$$+\ +\ +$
$f$↘ ↘ ↘$-\dfrac{\Delta}{4a}$↗ ↗ ↗
$x$$-\infty$$x_{1,2} = -\dfrac{b}{2a}$$+\infty$
$f(x)$$+\ +\ +$$0$$+\ +\ +$
$f$↘ ↘ ↘$0$↗ ↗ ↗
$x$$-\infty \quad x_1$$-\dfrac{b}{2a}$$x_2 \quad +\infty$
$f(x)$$+\ +\ 0\ -$$-$$-\ 0\ +\ +$
$f$↘ ↘ ↘$-\dfrac{\Delta}{4a}$↗ ↗ ↗

În următoarele figuri sunt schițate graficele unor funcții polinomiale de grad mai mare.

($f(x) = x^3 - 3x$)
($f(x) = x^3$)
($f(x) = x^4$)
($f(x) = 2x^4 - 2x^3 - x^2 + 1$)

Rădăcinile unei funcții polinomiale

Știm din clasele anterioare că dacă $x_1, x_2 \in \mathbb{R}$ sunt rădăcinile funcției de gradul doi $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = ax^2 + bx + c$  ($a, b, c \in \mathbb{R}$, $a \neq 0$), atunci funcția se poate scrie în forma $f(x) = a(x - x_1)(x - x_2)$, iar dacă în plus $x_1 = x_2$, atunci spunem că $x_1$ este rădăcină dublă și $f(x) = a(x - x_1)^2$. De asemenea, pentru funcția de gradul întâi $g : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $g(x) = ax + b$  ($a, b \in \mathbb{R}$, $a \neq 0$), avem $g(x) = a\left(x + \dfrac{b}{a}\right) = a(x - x_1)$, unde $x_1 = -\dfrac{b}{a}$ este rădăcina funcției.

Să studiem dacă avem asemenea proprietăți și pentru funcțiile polinomiale de grad mai mare.

Dacă $x_1 \in \mathbb{R}$ este rădăcina funcției $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = a_n x^n + \ldots + a_1 x + a_0$, atunci avem $f(x_1) = 0$, deci

$f(x) = f(x) - f(x_1) = a_n\left(x^n - x_1^{\,n}\right) + a_{n-1}\left(x^{n-1} - x_1^{\,n-1}\right) + \ldots + a_1(x - x_1) =$
$= a_n (x - x_1)\left(x^{n-1} + x_1 x^{n-2} + \ldots + x_1^{\,n-1}\right) + a_{n-1}(x - x_1)\left(x^{n-2} + x_1 x^{n-3} + \ldots + x_1^{\,n-2}\right) + \ldots$
$\ldots + a_1 (x - x_1) = (x - x_1)\, g(x)$,  $\forall x \in \mathbb{R}$,

unde $g : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ este o funcție polinomială de grad $n - 1$. Reciproc, dacă funcția polinomială $f$ se poate scrie sub forma $f(x) = (x - x_1)\, g(x)$, $\forall x \in \mathbb{R}$ cu $g$ funcție polinomială, atunci $x_1$ evident este rădăcina lui $f$. Deci putem afirma următoarea teoremă:

Teoremă. $x_1 \in \mathbb{R}$ este rădăcina funcției polinomiale $f$ de grad $n$, dacă există funcția polinomială $g$ de grad $n - 1$ astfel încât $f(x) = (x - x_1)\, g(x)$, $\forall x \in \mathbb{R}$.

Observații.

  1. Teorema precedentă este de fapt Teorema lui Bézout (care se referă la polinoame) în formă funcțională.
  2. O funcție polinomială de grad $n$ nu poate avea mai mult de $n$ rădăcini.
  3. Dacă funcția polinomială $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = a_n x^n + \ldots + a_1 x + a_0$ are $n$ rădăcini distincte ($x_1$, $x_2, \ldots, x_n$), atunci se poate scrie sub forma: $f(x) = a_n (x - x_1)(x - x_2) \ldots (x - x_n)$.
  4. Dacă $x_1$ este rădăcină a funcției polinomiale $f$, $f(x) = (x - x_1) g(x)$, $\forall x \in \mathbb{R}$ și este și rădăcină a funcției polinomiale $g$, $g(x) = (x - x_1) h(x)$, $\forall x \in \mathbb{R}$, dar nu este rădăcină a funcției polinomiale $h$, spunem că $x_1$ este rădăcină dublă a lui $f$. În cazul acesta $f$ se scrie: $f(x) = (x - x_1)^2 h(x)$, $\forall x \in \mathbb{R}$.
  5. Analog se poate defini rădăcina multiplă. Spunem că $x_1$ este rădăcină multiplă de ordin $k$ a funcției polinomiale $f$ de grad $n$, dacă există funcția polinomială $g$ de grad $n - k$ astfel încât $f(x) = (x - x_1)^k g(x)$ și $g(x_1) \neq 0$. $k$ se numește ordinul de multiplicitate a rădăcinii $x_1$.
  6. Dacă $x_1, x_2, \ldots, x_k \in \mathbb{R}$ sunt rădăcini multiplu de ordin $n_1, n_2, \ldots, n_k \in \mathbb{N}$, $n_1 + n_2 + \ldots + n_k = n$ ale funcției $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$, $f(x) = a_n x^n + \ldots + a_1 x + a_0$, atunci $f(x) = a_n (x - x_1)^{n_1} (x - x_2)^{n_2} \ldots (x - x_k)^{n_k}$.

Completare: limite, continuitate și derivabilitate

Bibliografie