חקירה: קעירות ונקודות פיתול

🔍 חקירה: קעירות ונקודות פיתול

הקשר בין הפונקציה, הנגזרת הראשונה והנגזרת השנייה

🎯 למה זה חשוב?

דמיינו שאתם נוהגים במכונית על כביש מפותל. השיפוע של הכביש אומר לכם אם אתם עולים או יורדים, אבל הקעירות אומרת לכם לאיזה כיוון ההגה פונה!

  • קעור כלפי מעלה ∪ = ההגה פונה שמאלה (הכביש "מחבק" אתכם מלמטה)
  • קעור כלפי מטה ∩ = ההגה פונה ימינה (הכביש "מחבק" אתכם מלמעלה)
  • נקודת פיתול = הרגע שבו מחליפים כיוון פנייה!

📚 תזכורת: שלוש הפונקציות

פונקציה מה היא מודדת? מה המשמעות הגרפית?
f(x) ערך הפונקציה גובה הנקודה על הגרף
f'(x) קצב השינוי של f שיפוע המשיק לגרף
f''(x) קצב השינוי של f' קעירות הגרף (כיוון הפנייה)

💡 המפתח להבנה:

\(f''(x) > 0 \Rightarrow \text{קעור כלפי מעלה} \quad,\quad f''(x) < 0 \Rightarrow \text{קעור כלפי מטה}\)

🎮 חלק א': חקירה אינטראקטיבית

📋 הוראות הפעלה:

  1. בחרו פונקציה באמצעות המחוון העליון (1-5)
  2. הזיזו את המחוון a לאורך הגרף וצפו בשינויים
  3. סמנו את תיבות הסימון כדי לראות את f'(x) ו-f''(x)
  4. עיגול הקעירות מראה מאיזה צד הגרף "מתעקל"

📝 משימה 1: זיהוי קעירות (פונקציה 1: f(x) = x³ - 3x)

בחרו פונקציה 1, סמנו "הצג f''(x)", והזיזו את a לאורך הגרף.

1. באיזה תחום הגרף קעור כלפי מעלה (צורת ∪)?

2. באיזה תחום הגרף קעור כלפי מטה (צורת ∩)?

3. כאשר הגרף קעור כלפי מעלה, מה סימן f''(x)?

4. היכן בדיוק נמצאת נקודת הפיתול?

x =

5. מה קורה לגרף הסגול (f'') בנקודת הפיתול?

📝 משימה 2: שתי נקודות פיתול (פונקציה 2: f(x) = x⁴ - 4x²)

עברו לפונקציה 2 וחקרו אותה.

1. כמה נקודות פיתול יש לפונקציה זו?

2. מצאו (בערך) את ערכי x של נקודות הפיתול:

x₁ ≈     x₂ ≈

3. השלימו: בתחום שבין שתי נקודות הפיתול, הגרף קעור כלפי:

4. מה מיוחד בנקודה x = 0? (רמז: בדקו את f'' שם)

⚠️ משימה 3: הדוגמה הנגדית! (פונקציה 4: f(x) = x⁴)

🤔 שאלה חשובה: האם תמיד כש-f''(x) = 0 יש נקודת פיתול?

עברו לפונקציה 4 וחקרו אותה בעזרת הנגזרת השנייה.

1. מצאו: עבור איזה ערך x מתקיים f''(x) = 0?

x =

2. האם בנקודה זו יש נקודת פיתול?

3. הסבירו: למה f''(0) = 0 אבל אין שם נקודת פיתול?

4. מהו התנאי המלא לנקודת פיתול?

📝 משימה 4: פונקציה מחזורית (פונקציה 3: f(x) = sin(x))

עברו לפונקציה 3 (סינוס) וצפו בהתנהגות המחזורית.

1. כל כמה מופיעה נקודת פיתול?

2. היכן נמצאות נקודות הפיתול? (רמז: איפה f'' = 0?)

3. השלימו: כאשר f = sin(x), הנגזרת השנייה היא f'' = ______

4. מדוע הגיוני שנקודות הפיתול של sin(x) הן איפה ש-sin(x) = 0?

📊 חלק ב': טבלת השוואה

מלאו את הטבלה על סמך החקירות שביצעתם:

פונקציה מספר נקודות פיתול ערכי x של נקודות הפיתול תחומי קעירות מעלה תחומי קעירות מטה
f(x) = x³ - 3x
f(x) = x⁴ - 4x²
f(x) = sin(x)
f(x) = x⁴

🏆 חלק ג': סיכום והכללה

הכללים שגילינו:

תנאי על f'' משמעות גרפית
f''(x) > 0 הגרף קעור כלפי מעלה ∪ (המשיק מתחת לגרף)
f''(x) < 0 הגרף קעור כלפי מטה ∩ (המשיק מעל לגרף)
f''(x) = 0 + החלפת סימן נקודת פיתול - הקעירות משתנה

⚠️ זכרו: התנאי ההכרחי לא מספיק!

$$f''(x_0) = 0 \text{ הוא תנאי הכרחי לנקודת פיתול, אבל לא מספיק!}$$

צריך גם ש-f'' תחליף סימן בנקודה זו (ראו את הדוגמה הנגדית f(x) = x⁴).

✍️ שאלות מסכמות

1. נתונה פונקציה f כך ש: f''(x) > 0 לכל x < 2 וגם f''(x) < 0 לכל x > 2.

א) באילו תחומים הפונקציה קעורה כלפי מעלה?

ב) האם x = 2 היא נקודת פיתול? הסבירו.

2. נתון גרף של f''(x) שחותך את ציר x בנקודות x = -1 ו-x = 3.

א) כמה נקודות פיתול יש לפונקציה f (לכל היותר)?

ב) האם בהכרח יש שם נקודות פיתול? הסבירו.

🌟 אתגר למתקדמים

נתונה הפונקציה: $$f(x) = x^4 - 8x^2 + 12$$

ללא שימוש באפליקציה:

  1. מצאו את f''(x).
  2. פתרו את המשוואה f''(x) = 0.
  3. בדקו האם יש החלפת סימן בכל אחת מהנקודות.
  4. קבעו את נקודות הפיתול ואת תחומי הקעירות.

פתרון:

אחרי שתסיימו, בדקו את התשובה באפליקציה עם פונקציה מותאמת אישית!

🎉 כל הכבוד!

סיימתם את הפעילות על קעירות ונקודות פיתול.

עכשיו אתם מבינים את הקשר העמוק בין f, f' ו-f''!