Aula di Scienze

Aula di Scienze

Persone, storie e dati per capire il mondo

Speciali di Scienze
Materie
Biologia
Chimica
Fisica
Matematica
Scienze della Terra
Tecnologia
I blog
Sezioni
Come te lo spiego
Science News
Podcast
Interviste
Video
Animazioni
L'esperto di matematica
L'esperto di fisica
L'esperto di chimica
Chi siamo
Cerca
L'esperto di matematica

Funzioni trascendenti

Ricevo da Elisa la richiesta di analizzare le seguenti funzioni: \[f\left( x \right)=\sqrt{3x-\log x}\] \[g\left( x \right)=\frac{1}{{{x}^{2}}-{{e}^{x}}}\]
leggi
Ricevo da Elisa la seguente domanda:
 
Caro professore,
potrei avere lo studio di queste funzioni, che comportano equazioni che algebricamente non si possono risolvere, fino allo studio della derivata prima? \[f\left( x \right)=\sqrt{3x-\log x}\quad \quad g\left( x \right)=\frac{1}{{{x}^{2}}-{{e}^{x}}}\quad .\]
Grazie mille.
 
Le rispondo così:
 
Cara Elisa,
nel primo caso, per determinare il dominio, dobbiamo stabilire per quali valori di \(x\) sia \(3x-\log x\ge 0\), essendo \(\log x\), suppongo, il logaritmo naturale. Tale disequazione non può essere “risolta” in modo analitico elementare, come tipicamente avviene per le espressioni di tipo misto algebrico-trascendente, pertanto cerchiamo di analizzarla con tecniche tipiche dell’analisi infinitesimale. Innanzitutto osserviamo che la funzione \(y=3x-\log x\) è definita, continua e derivabile per ogni \(x>0\), e che \(\underset{x\to {{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,\left( 3x-\log x \right)=\underset{x\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\left( 3x-\log x \right)=+\infty\). Poiché \(y'=3-\frac{1}{x}\), per cui \(y'<0\) se \(x<\frac{1}{3}\), \(y'=0\) se \(x=\frac{1}{3}\), \(y'>0\) se \(x>\frac{1}{3}\), si conclude che la funzione \(y=3x-\log x\) è decrescente tra \(x=0\) e \(x=1/3\), ha un minimo in \(x=1/3\), poi è definitivamente crescente: dal momento che \(y\left( 1/3 \right)=1-\log \left( 1/3 \right)=1+\log 3>0\), concludiamo che l’espressione \(y=3x-\log x\) esiste ed è positiva per ogni \(x>0\), per cui il dominio della funzione è \({{D}_{f}}=\left] 0,+\infty \right[\). Ovviamente \(f\left( x \right)>0\ \forall x\in {{D}_{f}}\), e per quanto già detto si ha \(\underset{x\to {{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,f\left( x \right)=\underset{x\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,f\left( x \right)=+\infty\). La derivata prima \[f'\left( x \right)=\frac{3-1/x}{2\sqrt{3x-\log x}}=\frac{3x-1}{2x\sqrt{3x-\log x}}\]è tale che \(f'<0\) se \(x<\frac{1}{3}\), \(f'=0\) se \(x=\frac{1}{3}\), \(f'>0\) se \(x>\frac{1}{3}\), per cui il grafico della funzione presenta un punto di minimo relativo in corrispondenza a \(x=1/3\).
Nel secondo caso, il dominio della funzione è rappresentato dall’insieme \(\mathbb{R}\) esclusi gli eventuali zeri della funzione \(y={{x}^{2}}-{{e}^{x}}\), anch’essa di tipo “misto”. Tentiamo anche in questo caso un’analisi attraverso lo studio degli intervalli di monotonia: se dimostriamo che \(y={{x}^{2}}-{{e}^{x}}\), continua e derivabile in tutto \(\mathbb{R}\), con limiti \(+\infty\) e \(-\infty\) per \(x\) tendente rispettivamente a \(-\infty\) e \(+\infty\), è monotona decrescente in tutto \(\mathbb{R}\), dobbiamo concludere che necessariamente essa si annulla in corrispondenza ad un solo valore di \(x\), che poi cercheremo di determinare in modo approssimato. Poiché \(y'=2x-{{e}^{x}}\) ha limite \(-\infty\) sia per \(x\) che tende a \(-\infty\) che per \(x\) che tende a \(+\infty\), e la sua derivata \(y''=2-{{e}^{x}}\) è positiva per \(x<\ln 2\), negativa per \(x>\ln 2\), e \(y’(\ln 2)=2\ln 2-2<0\), ne deduciamo che \(y’<0\) per ogni \(x\) reale, e quindi \(y={{x}^{2}}-{{e}^{x}}\) è monotona decrescente in tutto \(\mathbb{R}\). Con tecniche di calcolo approssimato (metodo di bisezione, metodo delle tangenti,…) si ricava \({{x}_{0}}\approx -0,703\) come valore di annullamento di \(y={{x}^{2}}-{{e}^{x}}\), pertanto il dominio della funzione \(g(x)\) risulta \({{D}_{g}}=\mathbb{R}-\left\{ {{x}_{0}}\approx -0,703 \right\}\). Per quanto detto, si deduce facilmente che \(g(x)>0\) per \(x<x_0\), \(g(x)<0\) per \(x>x_0\). Ricordando la prevalenza dell’infinito esponenziale sull’infinito polinomiale, si deduce che:
\[\underset{x\to -\infty }{\mathop{\lim }}\,g\left( x \right)=\frac{1}{-\infty -0}={{0}^{+}},\ \underset{x\to {{x}_{0}}^{\mp }}{\mathop{\lim }}\,g\left( x \right)=\frac{1}{{{0}^{\pm }}}=\pm \infty ,\ \underset{x\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,g\left( x \right)=\frac{1}{-\infty }={{0}^{-}}\quad .\]
La derivata prima della funzione: \[g'\left( x \right)=\frac{{{e}^{x}}-2x}{{{\left( {{x}^{2}}-{{e}^{x}} \right)}^{2}}}\]per quanto osservato in precedenza in merito alla negatività di \(2x-{{e}^{x}}\) su tutto il campo reale, è necessariamente sempre positiva in \({{D}_{g}}=\mathbb{R}-\left\{ {{x}_{0}}\approx -0,703 \right\}\); da ciò si ricava la monotonia crescente della funzione separatamente su ciascuno dei due sottoinsiemi connessi che formano il dominio, cioè \(\left] -\infty ,{{x}_{0}} \right[\) e \(\left] {{x}_{0}},+\infty \right[\), sottolineando il fatto che questo non implica la monotonia globale di \(g(x)\) sul suo dominio, che infatti non sussiste.
 
 
Massimo Bergamini

Devi completare il CAPTCHA per poter pubblicare il tuo commento