Bài 1. HÀM SỐ VÀ ĐỒ THỊ

1. Hàm số. Tập xác định và tập giá trị của hàm số

+ Giả sử \(x\) và \(y\) là hai đại lượng biến thiên và \(x\) nhận giá trị thuộc tập số \(\mathscr{D}\)

+ Nếu với mỗi giá trị \(x\in\mathscr{D}\), ta xác định được một và chỉ một giá trị tương ứng \(y\) thuộc tập hợp số thực \(\mathbb{R}\) thì ta có một hàm số.

\(-\) Ta gọi \(x\) là biến số và \(y\) là hàm số của \(x\).

\(-\) Tập hợp \(\mathscr{D}\) được gọi là tập xác định của hàm số.

\(-\) Tập hợp \(T\) gồm tất cả các giá trị \(y\) (tương ứng với \(x\in\mathscr{D}\)) được gọi là tập giá trị của hàm số.

Chú ý.

+ Khi một hàm số được cho bằng công thức mà không chỉ rõ tập xác định thì ta quy ước: Tập xác định của hàm số \(y=f(x)\) là tập hợp tất cả các số thực \(x\) sao cho biểu thúc \(f(x)\) có nghĩa.

+ Một hàm số có thể được cho bởi hai hay nhiều công thức. Chẳng hạn, xét hàm số

\(\quad\) \(f(x)= \begin{cases}-3x+5 &\text { với } x \leq 1 \\ 2 x^2 & \text { với } x>1\end{cases}\)

nghĩa là với \(x \leq 1\) thì \(f(x)=-3x+5\); với \(x>1\) thì \(f(x)=2x^2\).

Ví dụ 1. Tìm tập xác định của các hàm số sau

a. \(f(x)=\displaystyle\frac{1}{2x-6}\).

b. \(f(x)=\sqrt{5-x}\).

a. Biểu thức \(f(x)\) có nghĩa khi và chỉ khi \(2x-6 \neq 0\), tức là khi \(x \neq 3\).

Vậy tập xác định của hàm số này là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\setminus\{3\}\).

b. Biểu thức \(f(x)\) có nghĩa khi và chỉ khi \(5-x \geq 0\), tức là khi \(x \leq 5\).

Vậy tập xác định của hàm số này là \(\mathscr{D}=(-\infty;5]\).

Ví dụ 2.

a. \(y=\dfrac{3x-1}{-2x+2}\)

b. \(y=\dfrac{2x-1}{(2x+1)(x-3)}\)

c. \(y=\dfrac{1}{x^2+4x+5}\)

d. \(y=\dfrac{2x+1}{x^3-3x+2}\)

a. Hàm số xác định khi \(-2x+2\ne 0 \Leftrightarrow x\ne 1\).

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\setminus \{1\}\).

b. Hàm số xác định khi

\(\left\{\begin{aligned}&2x+1\ne 0\\ &x-3\ne 0 \end{aligned}\right. \Leftrightarrow \left\{\begin{aligned} &x\ne -\dfrac{1}{2}\\&x\ne 3.\end{aligned}\right.\)

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\setminus \left\{-\dfrac{1}{2};3\right\}\).

c. Ta có \(x^2+4x+5=(x+2)^2+1>0\) với mọi \(x\in \mathbb{R}\).

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\).

d. Hàm số xác định khi

\(\begin{aligned}&x^3-3x+2\ne 0\\ \Leftrightarrow\ &(x-1)(x^2+x-2)\ne 0\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned}&x-1\ne 0\\ &x^2+x-2\ne 0\end{aligned}\right.\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned}&x\ne 1\\ &\left\{\begin{aligned}&x\ne 1\\ &x\ne -2\end{aligned}\right. \end{aligned}\right.\\ \Leftrightarrow\ &\left\{\begin{aligned} &x\ne 1\\ &x\ne -2. \end{aligned}\right.\end{aligned}\)

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\setminus \{-2;1\}\).

Ví dụ 3. Tìm tập xác định của hàm số

a. \(y=\sqrt{3x-2}\)

b. \(y=\sqrt{x^2+1}\)

c. \(y=\sqrt{-2x+1}-\sqrt{x-1}\)

a. Hàm số xác định khi \(3x-2\geqslant 0 \Leftrightarrow x\geqslant \dfrac{2}{3}\).

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\left[\dfrac{2}{3};+\infty \right)\).

b. Ta có \(x^2+1>0\) với mọi \(x\in \mathbb{R}\).

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\).

c. Hàm số xác định khi

\(\left\{\begin{aligned}&-2x+3\geqslant 0\\ &x-1\geqslant 0\end{aligned}\right. \Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&x\leqslant \dfrac{3}{2}\\ &x\geqslant 1 \end{aligned}\right.\) \(\Leftrightarrow 1\leqslant x\leqslant \dfrac{3}{2}.\)

Vậy tập xác định của hàm số là \(\mathscr{D}=\left[1;\dfrac{3}{2}\right]\).

Ví dụ 4. Cho hàm số \(y=f(x)\) có đồ thị trên đoạn \([-2;4]\) như hình vẽ bên. Tìm miền giá trị của hàm số.

Dựa vào đồ thị, ta thấy hàm số có miền giá trị là \(T=[-3;2].\)

2. Đồ thị hàm số

+ Cho hàm số \(y=f(x)\) có tập xác định \(\mathscr{D}\).

+ Trên mặt phẳng tọa độ \(Oxy\), đồ thị \((C)\) của hàm số là tập hợp tất cả các điểm \(M(x;y)\) với \(x\in\mathscr{D}\) và \(y=f(x)\).

Ví dụ 1. Cho hàm số \(y=f(x)=\displaystyle\frac{1}{8} x^{2}\) xác định trên \(D=[-3 ; 5]\) có đồ thị \((C)\) như hình bên.

a. Điểm \(A(4;f(4))\) có thuộc đồ thị \((C)\) không?

b. Lấy điểm \(B\) tuỳ ý trên đồ thị \((C)\). Nêu nhận xét về hoành độ của điểm \(B\).

a. Vì \(4 \in[-3;5]\) nên điểm \(A\) có hoành độ bằng \(4\) và có tung độ \(y=\displaystyle\frac{1}{8} \cdot 4^2=2\) là điểm thuộc đồ thị \((C)\).

b. Khi lấy điểm \(B\) tuỳ ý trên đồ thị \((C)\) thì hoành độ \(x_{B}\) của điểm này thuộc tập xác định \(D\), nghĩa là \(-3 \leq x_{B} \leq 5\).

Ví dụ 2. Vẽ đồ thị hàm số \(y=f(x)\) được cho bởi bảng sau

Đồ thị của hàm số gồm 7 điểm như hình dưới đây

3. Hàm số đồng biến, hàm số nghịch biến

Với hàm số \(y=f(x)\) xác định trên khoảng \((a;b)\), ta nói:

+ Hàm số đồng biến trên khoảng \((a;b)\) nếu

\[\forall x_1,x_2\in(a;b),\ x_1 < x_2\Rightarrow f(x_1)< f(x_2).\]

+ Hàm số nghịch biến trên khoảng \((a;b)\) nếu

\[\forall x_1,x_2\in(a;b),\ x_1 < x_2\Rightarrow f(x_1) > f(x_2).\]

+ Khi hàm số đồng biến trên khoảng \((a;b)\) thì đồ thị của nó có dạng đi lên từ trái sang phải.

+ Khi hàm số nghịch biến trên khoảng \((a;b)\) thì đồ thị của nó có dạng đi xuống từ trái sang phải.

Ví dụ 1. Xét tính đồng biến, nghịch biến của các hàm số sau trên tập xác định hoặc trên khoảng được chỉ định

a. \(y=3x-1\);

b. \(y=x^{2}\) trên khoảng \((-\infty;0)\);

c. Hàm số có đồ thị như hình bên.

a. Xét hàm số \(y=f(x)=3 x-1\). Hàm số này xác định trên \(\mathbb{R}\).

Lấy \(x_{1}, x_{2}\) là hai số tuỳ ý sao cho \(x_{1}< x_{2}\), ta có

\(x_{1}< x_{2} \Rightarrow 3 x_{1}<3 x_{2}\) \(\Rightarrow 3 x_{1}-1<3 x_{2}-1\) \(\Rightarrow f\left(x_{1}\right)< f\left(x_{2}\right).\)

Vậy hàm số đồng biến (tăng) trên \(\mathbb{R}\).

b. Xét hàm số \(y=x^{2}\) trên khoảng \((-\infty;0)\).

Lấy \(x_{1}, x_{2}\) tuỳ ý sao cho \(x_{1}< x_{2}\), ta có

\(f\left(x_{1}\right)-f\left(x_{2}\right)=x_{1}^{2}-x_{2}^{2}\) \(=\left(x_{1}+x_{2}\right)\left(x_{1}-x_{2}\right).\)

Do \(x_{1}< x_{2}\) nên \(x_{1}-x_{2}<0\) và do \(x_{1}, x_{2} \in(-\infty;0)\) nên \(x_{1}+x_{2}<0\).

Từ đây suy ra \(f\left(x_{1}\right)-f\left(x_{2}\right)>0\) hay \(f\left(x_{1}\right)>f\left(x_{2}\right)\).

Vậy hàm số nghịch biến (giảm) trên khoảng \((-\infty;0)\).

c. Từ đồ thị, ta thấy hàm số xác định trên \([-3;7]\).

+ Trên khoảng \((-3;-2)\), đồ thị có dạng đi lên từ trái sang phải nên hàm số này đồng biến trên khoảng \((-3;-2)\).

+ Trên khoảng \((-2;5)\), đồ thị có dạng đi xuống từ trái sang phải nên hàm số này nghịch biến trên khoảng \((-2;5)\).

+ Trên khoảng \((5;7)\), đồ thị có dạng đi lên từ trái sang phải nên hàm số này đồng biến trên khoảng \((5;7)\).

Ví dụ 2. Gia đình bạn Sơn sống ở tầng ba, bà ngoại của Sơn sống ở tầng sáu thuộc cùng một chung cư cao tầng. Sơn đi bộ từ nhà mình xuống tầng một để lấy thư và đưa lên nhà bà ngoại. Đưa thư cho bà xong, Sơn quay về nhà mình.

Đặt \(y=h(t)\) là hàm số biểu thị khoảng cách từ vị trí của Sơn đến mặt đất theo thời gian \(t\) từ khi bạn ấy bắt đầu đi cho đến khi về lại nhà mình (chọn gốc thời gian là lúc Sơn bắt đầu đi lấy thư).

\((C_1)\) hay \((C_2)\) là đồ thị của hàm số \(y=h(t)\)? Tại sao?

+ Khi bắt đầu đi từ tầng ba xuống tầng một, Sơn ngày càng gần mặt đất nên khoảng cách từ vị trí của Sơn đến mặt đất giảm dần, hay hàm số giảm, vậy đồ thị phải có dạng đi xuống.

+ Khi đi từ tầng một lên tầng sáu để đưa thư cho bà ngoại, Sơn ngày càng xa mặt đất nên khoảng cách từ vị trí của Sơn đến mặt đất tăng dần, hay hàm số tăng, vậy đồ thị phải có dạng đi lên.

+ Khi đi từ tầng sáu về nhà mình, Sơn ngày càng gần mặt đất nên khoảng cách từ vị trí của Sơn đến mặt đất giảm dần, hay hàm số giảm, vậy đồ thị phải có dạng đi xuống.

+ Đồ thị \((C_2)\) có dạng tương ứng như mô tả ở trên. Do đó, \((C_2)\) là đồ thị của hàm số \(y=h(t)\) này.

BÀI TẬP

Bài tập 1. Tìm tập xác định của các hàm số sau

a. \(f(x)=\sqrt{-5x+3}\).

b. \(f(x)=2+\displaystyle\frac{1}{x+3}\).

a. \(f(x)=\sqrt{-5x+3}\).

Hàm số xác định khi và chỉ khi

\(\quad\) \(-5x+3\ge 0\Leftrightarrow x\le \displaystyle\frac{3}{5}\).

Vậy tập xác định \(\mathscr{D}=\left(-\infty;\displaystyle\frac{3}{5}\right]\).

b. \(f(x)=2+\displaystyle\frac{1}{x+3}\).

Hàm số xác định khi và chỉ khi

\(\quad\) \(x+3\ne 0\Leftrightarrow x\ne -3\).

Vậy tập xác định \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\setminus \{-3\}\).

Bài tập 2. Tìm tập xác định, tập giá trị của hàm số có đồ thị như hình vẽ

Dựa vào đồ thị của hàm số, ta thấy hàm số có tập xác định \(\mathscr{D}=[-1;9]\) và tập giá trị \(T=[-2;6]\).

Bài tập 3. Tìm các khoảng đồng biến, nghịch biến của các hàm số sau

a. \(f(x)=-5x+2\);

b. \(f(x)=-x^2\).

a. Xét hàm số \(f(x)=-5x+2\). Hàm số này có tập xác định là \(\mathbb{R}\).

Lấy \(x_1\), \(x_2\) là hai số tùy ý sao cho \(x_1< x_2\), ta có

\(\begin{aligned}x_1< x_2\Rightarrow\ &-5x_1>-5x_2\\ \Rightarrow\ &-5x_1+2>-5x_2+2\\ \Rightarrow\ &f(x_1)>f(x_2).\end{aligned}\)

Vậy hàm số \(f(x)=-5x+2\) nghịch biến trên \(\mathbb{R}\).

b. Xét hàm số \(f(x)=-x^2\). Hàm số này có tập xác định là \(\mathbb{R}\).

Lấy \(x_1\), \(x_2\) tùy ý sao cho \(x_1< x_2\), ta có

\(\begin{aligned}f(x_1)-f(x_2)&=-x_1^2+x_2^2\\ &=-(x_1-x_2)(x_1+x_2)\end{aligned}\).

\(\blacksquare\ \) Xét trên khoảng \((-\infty;0)\):

Vì \(x_1< x_2\) nên \(x_1-x_2<0\) và do \(x_1,\ x_2\in (-\infty;0)\) nên \(x_1+x_2<0\).

Từ đó suy ra \((x_1-x_2)(x_1+x_2)>0\) \(\Rightarrow f(x_1)-f(x_2)<0\) hay \(f(x_1)< f(x_2)\).

Vậy hàm số đồng biến trên khoảng \((-\infty;0)\).

\(\blacksquare\ \) Xét trên khoảng \((0;+\infty)\):

Vì \(x_1< x_2\) nên \(x_1-x_2<0\) và do \(x_1,\ x_2\in (0;+\infty)\) nên \(x_1+x_2>0\).

Từ đó suy ra \((x_1-x_2)(x_1+x_2)<0\) \(\Rightarrow f(x_1)-f(x_2)>0\) hay \(f(x_1)>f(x_2)\).

Vậy hàm số nghịch biến trên khoảng \((0;+\infty)\).

Bài tập 4. Vẽ đồ thị hàm số \(f(x)=|x|\), biết rằng hàm số này còn được viết như sau \(f(x)=\begin{cases}x &\text{với }x\ge 0\\ -x &\text{với }x<0.\end{cases}\)

+ Với \(x\le 0\) đồ thị hàm số là đường thẳng \(y=x\) (là đường phân giác của góc phần tư thứ nhất);

+ Với \(x<0\) đồ thị hàm số là đường thẳng \(y=-x\) (là đường phân giác của góc phần tư thứ hai).

Vậy đồ thị hàm số \(f(x)=|x|\) có dạng như sau

Bài tập 5. Tìm tập xác định, tập giá trị và vẽ đồ thị hàm số \(f(x)=\begin{cases}-1 &\text{với }x<0\\ 1&\textrm{với }x>0.\end{cases}\)

Hàm số có tập xác định là \(\mathscr{D}=\mathbb{R}\setminus\{0\}\).

Tập giá trị \(T=\{-1;1\}\).

Đồ thị của hàm số

Bài tập 6. Một hãng taxi có bảng giá như sau

Loại Taxi Giá mở cửa (\(0{,}5\) km) Giá cước các km tiếp theo Giá cước từ km thứ 31
Taxi 4 chỗ 11000 đồng 14500 đồng 11600 đồng
Taxi 7 chỗ 11000 đồng 15500 đồng 13600 đồng

a. Xem số tiền đi taxi là một hàm số phụ thuộc số kilômét di chuyển, hãy viết công thức của các hàm số dựa trên thông tin từ bảng giá đã cho theo từng yêu cầu:

+ Hàm số \(f(x)\) để tính số tiền hành khách phải trả khi di chuyển \(x\) km bằng xe taxi \(4\) chỗ.

+ Hàm số \(g(x)\) để tính số tiền hành khách phải trả khi di chuyển \(x\) km bằng xe taxi \(7\) chỗ.

b. Nếu cần đặt xe taxi cho \(30\) hành khách, nên đặt toàn bộ xe \(4\) chỗ hay xe \(7\) chỗ thì có lợi hơn?

Gọi \(x\) là số kilômét hành khách di chuyển \((x\ge 0)\).

a. Khi đã lên taxi \(4\) chỗ, hành khách luôn phải trả \(11000\) đồng dù đi hay không, do đó số tiền phải trả luôn bao gồm \(11000\) đồng này.

+ Nếu \(0\le x\le 0{,}5\) thì số tiền phải trả là \(11000\) đồng.

+ Nếu \(0{,}5< x\le 31\) thì số tiền phải trả là

\(\quad\) \(11000+14500(x-0{,}5)=3750+14500x.\)

+ \(x>30\) thì số tiền phải trả là

\(\quad\) \(11000+14500\cdot (30-0{,}5)+11600(x-30)\) \(=90750+11600x.\)

Vậy hàm số \(f(x)\) có công thức \(f(x)=\begin{cases}11000 &\text{với } 0\le x\le 0{,}5\\ 3750+14500x&\text{với } 0{,}5< x\le 30\\ 90750+11600x&\text{với } x>30.\end{cases}\)

Tương tự, đối với taxi \(7\) chỗ, hàm số \(g(x)\) có công thức \(g(x)=\begin{cases} 11000 &\text{với } 0\le x\le 0{,}5\\ 3250+15500x&\text{với } 0{,}5< x\le 30\\ 60250+13600x&\text{với } x>30.\end{cases}\)

b. Khi có \(30\) hành khách, nếu đặt toàn bộ xe \(4\) chỗ thì cần đặt \(8\) xe. Khi đó, số tiền taxi phải trả là

\(f_1(x)=\begin{cases} 8\cdot 11000 &\text{với } 0\le x\le 0{,}5\\ 8(3750+14500x)&\text{với } 0{,}5< x\le 30\\ 8(90750+11600x)&\text{với } x>30.\end{cases}\)

Nếu đặt toàn bộ xe \(7\) chỗ thì cần đặt \(5\) xe. Khi đó, số tiền taxi phải trả là

\(g_1(x)=\begin{cases} 5\cdot 11000 &\text{với } 0\le x\le 0{,}5\\ 5(3250+15500x)&\text{với } 0{,}5< x\le 30\\ 5(60250+13600x)&\text{với } x>30.\end{cases}\)

Ta cần so sánh \(f_1(x)\) với \(g_1(x)\).

Xét hiệu số \(f_1(x)-g_1(x)\).

+ Khi \(0\le x\le 0{,}5\), ta có

\(f_1(x)-g_1(x)=8\cdot 11000-5\cdot 11000\) \(=33000>0\).

Do đó \(f_1(x)>g_1(x)\).

Nghĩa là khi \(30\) người di chuyển quãng đường ít hơn hoặc bằng \(0{,}5\) km bằng taxi thì đi xe \(4\) chỗ sẽ tốn nhiều tiền hơn đi xe \(7\) chỗ.

+ Khi \(0{,}5< x\le 30\), ta có

\(f_1(x)-g_1(x)\) \(=8(3750+14500x)-5(3250+15500x)\) \(=13750+38500x.\)

Vì \(x>0\) nên \(f_1(x)-g_1(x)>0\) hay \(f_1(x)>g_1(x)\).

Nghĩa là khi \(30\) người di chuyển quãng đường trên \(0{,}5\) km đến \(30\) km bằng taxi thì đi xe \(4\) chỗ sẽ tốn nhiều tiền hơn đi xe \(7\) chỗ.

+ Khi \(x>30\), ta có

\(f_1(x)-g_1(x)\) \(=8(90750+11600x)-5(60250+13600x)\) \(=424750+24800x.\)

Vì \(x>0\) nên \(f_1(x)-g_1(x)>0\) hay \(f_1(x)>g_1(x)\).

Nghĩa là khi \(30\) người di chuyển quãng đường từ \(30\) km trở đi bằng taxi thì đi xe \(4\) chỗ sẽ tốn nhiều tiền hơn đi xe \(7\) chỗ.

Từ ba trường hợp trên, ta đưa ra kết luận: Nếu cần đặt xe taxi cho \(30\) hành khách thì nên đặt toàn bộ xe \(7\) chỗ sẽ có lợi hơn (tiết kiệm chi phí hơn đặt toàn bộ xe \(4\) chỗ).

Bài tập 7. Số \(2\) đã trải qua một hành trình thú vị và bị biến đổi sau khi đi qua chiếc hộp đen.

Bên trong HỘP ĐEN là một đoạn chương trình được cài đặt sẵn. Ta xem đoạn chương trình này như một hàm số \(f(x)\). Hãy viết biểu thức của \(f(x)\) để mô tả sự biến đổi đã tác động lên \(x\).

+ Số \(x\) đi qua máy bình phương thì biến đổi thành \(x^2\);

+ \(x^2\) đi qua máy tăng gấp ba lần thì biến đổi thành \(3x^2\);

+ \(3x^2\) đi qua máy lấy bớt đi \(5\) thì biến đổi thành \(3x^2-5\).

Vậy \(f(x)=3x^2-5\).