Преобразования графиков функций: сдвиги и масштаб

Статья Математика

Правило преобразования графиков функций: в записи g(x)=a·f(b(x−h))+k параметр h сдвигает график по горизонтали, k — по вертикали, a меняет ординаты, а b меняет абсциссы в обратной пропорции. Так новый график получают из известного без повторной таблицы значений.

Главная ловушка — знак внутри функции: f(x−3) означает сдвиг вправо на 3, а f(x+3) — влево на 3. Снаружи знак читается прямо: f(x)+2 поднимает каждую точку на 2.

Четыре базовых преобразования

Новая формула Что происходит Как меняется точка (x; y)
y=f(x)+k Сдвиг вверх при k>0, вниз при k<0 (x; y+k)
y=f(x−h) Сдвиг вправо при h>0, влево при h<0 (x+h; y)
y=a·f(x) Вертикальный масштаб |a|; при a<0 — отражение относительно Ox (x; a·y)
y=f(bx) Горизонтальный масштаб 1/|b|; при b<0 — отражение относительно Oy (x/b; y)
Для строки y=f(bx) требуется b≠0. При b=0 получается постоянное значение f(0), если оно определено; правило x/b неприменимо. При a=0 график y=a·f(x) даёт y=0 на исходной области определения. Внешние действия меняют ординату, внутренние — абсциссу и читаются с обратным знаком или коэффициентом.

Если |a|>1, расстояния точек от оси Ox увеличиваются: график вытягивается по вертикали. При 0<|a|<1 он сжимается к Ox. Для b всё наоборот по горизонтали: f(2x) сжимается к Oy в 2 раза, потому что прежнее значение аргумента x₀ теперь достигается уже при x=x₀/2.

Почему это работает: знак внутри скобок обратный

Возьмём точку графика y=f(x) с абсциссой x₀. В функции y=f(x−3) то же значение получится, когда x−3=x₀. Отсюда x=x₀+3: каждая исходная точка переезжает вправо на 3. Для f(x+3) равенство x+3=x₀ даёт x=x₀−3, то есть сдвиг влево.

Такое рассуждение надёжнее мнемоники: при сомнении приравняйте новый внутренний аргумент старой абсциссе. Тогда направление сдвига получится из уравнения, а не из догадки.

Алгоритм для комбинированного графика

  1. Выберите несколько опорных точек (x₀; y₀) исходного графика y=f(x).
  2. Для g(x)=a·f(b(x−h))+k при b≠0 найдите новую абсциссу: x=h+x₀/b.
  3. Найдите новую ординату: y=k+a·y₀.
  4. Перенесите характерные точки и соедините их с учётом формы исходного графика.

Координатное отображение одновременно учитывает сдвиги, масштабы и отражения.

Формула для точки объясняет порядок без споров о том, какое преобразование «первое». Внутри функции мы решаем b(x−h)=x₀, а снаружи вычисляем k+a·y₀. При b=0 этот способ неприменим: аргумент функции равен нулю. Если f(0) определено, получается постоянная функция g(x)=a·f(0)+k; если нет, например для f(x)=1/x, исходное выражение не определено ни при каком x.

Тренажёр переноса точки

Введите любую точку исходного графика и параметры преобразования. Проверьте сначала один сдвиг, затем масштаб, а после — их комбинацию.

Перенесите точку вместе с графиком

Если точка (x₀; y₀) лежит на графике y=f(x), то после преобразования g(x)=a·f(b(x−h))+k она перейдёт в точку (h+x₀/b; k+a·y₀).

Для начальных значений точка (2; 4) перейдёт в (5; 9).

Если интерактив не загрузился: новая точка равна (h+x₀/b; k+a·y₀). Значение b должно отличаться от нуля.

Как выглядит сдвиг на графике

Парабола y=x² и её сдвиг вправо на 2 и вверх на 1012341234xyy=x²y=(x−2)²+1
Сравнение двух графиков с одинаковым масштабом осей. Вершина (0; 0) переходит в (2; 1); форма параболы сохраняется.

Пример 1. Сдвиг параболы

Теперь изменим величины сдвига. График y=(x−3)²+2 получен из y=x². Внутри стоит x−3, поэтому парабола сдвигается вправо на 3. Снаружи прибавлено 2 — значит, ещё на 2 вверх. Вершина (0;0) переходит в (3;2), ось симметрии становится x=3.

Форма и ширина параболы не меняются: коэффициенты a и b равны 1. Например, точка (1;1) исходной параболы переходит в (4;3).

Пример 2. Отражение и растяжение модуля

Для y=−2|x+1|+4 берём базовый график y=|x|. Запись x+1 равна x−(−1), поэтому вершина идёт на 1 влево. Множитель −2 отражает V-образный график относительно Ox и растягивает его по вертикали в 2 раза. Прибавление 4 поднимает результат.

Вершина (0;0) окажется в (−1;4). Точка (1;1) перейдёт в (0;2): новая абсцисса −1+1, новая ордината 4−2·1.

Пример 3. Горизонтальное сжатие гиперболы

В функции y=1/(2x)−3 можно увидеть f(2x)−3 для f(x)=1/x. Коэффициент b=2 сжимает график по горизонтали в 2 раза, а −3 сдвигает его вниз. Вертикальная асимптота остаётся x=0, горизонтальная асимптота переходит из y=0 в y=−3.

Точка (2;1/2) базовой гиперболы переходит в (1;−5/2): абсцисса делится на 2, к ординате прибавляется −3.

Где обычно ошибаются

  • Читают f(x+4) как сдвиг вправо. Представьте x+4 как x−(−4): параметр h равен −4, поэтому движение идёт влево.
  • Растягивают f(3x) по горизонтали втрое. Новая абсцисса равна x₀/3, поэтому это сжатие к Oy.
  • Путают оси отражения. Минус снаружи, −f(x), меняет y и отражает относительно Ox; минус внутри, f(−x), меняет x и отражает относительно Oy.
  • Переносят только вершину. Для надёжного построения нужны ещё точки, пересечения с осями и асимптоты, если они есть.

Где преобразования применяются вне тетради

В компьютерной графике одна и та же форма перемещается, отражается и масштабируется изменением координат её точек. В анализе данных похожая логика используется при нормализации шкал: значения умножают на коэффициент и сдвигают. Поэтому правило «внутри — аргумент, снаружи — значение» связывает школьный график с реальными координатными преобразованиями.

Проверьте себя

1. Как получить y=(x+4)²−1 из y=x²?

Ответ: сдвинуть параболу на 4 влево и на 1 вниз; вершина станет (−4;−1). Если направление вызывает сомнение, запишите x+4 как x−(−4).

2. Что делает преобразование y=−3f(x)?

Ответ: отражает график относительно Ox и растягивает по вертикали в 3 раза. Координата x не меняется, а y заменяется на −3y.

3. Куда перейдёт точка (6;2) при g(x)=2f(3(x−1))−4?

Ответ: в (3;0), потому что x=1+6/3=3, а y=−4+2·2=0. Если потеряли порядок, отдельно примените две формулы для координат.

За координатами стоит зависимость. Посмотрите программу курса «Введение в функции», чтобы выбрать следующий шаг после сдвигов и отражений графика.

Открыть программу курса о функциях

Оставить комментарий