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第一节 函数

Table of Contents

I. 函数的概念

1.1 函数的定义

xxyy是两个变量,DD是一个给定的数集,如果对于给定的xDx \in D,变量yy按照法则ff总有唯一确定的值与之对应,则称yyxx的函数,记作y=f(x)y = f(x),数集DD叫做这个函数的定义域,xx叫做自变量,yy叫做因变量,Rf={yy=f(x),xD}R_f = \{ y | y = f(x), x \in D \}叫做函数的值域

Tip

函数的两要素:定义域对应法则

  • 例1:已知f(ex)=xexf(e^x) = xe^{-x},则f(x)f(x)等于_____.

    Answer

    u=exu = e^x,则有:

    所以:

    uuxx表示可得:

  • 例2:设f(x21)=lnx2x22f(x^2 - 1) = \ln \dfrac{x^2}{x^2 - 2},且f[φ(x)]=lnxf[\varphi(x)] = \ln x,求φ(x)\varphi(x).

    Answer

    u=x21u = x^2 - 1,则有:

    所以:

    又因为f[φ(x)]=lnxf[\varphi(x)] = \ln x,则:

    解得:

  • 例3:设函数f(x)f(x)的定义域为(0,+)(0, +\infty),且满足2f(x)+x2f(1x)=x2+2x1+x22f(x) + x^2f(\frac{1}{x}) = \dfrac{x^2 + 2x}{\sqrt{1 + x^2}},求f(x)f(x).

    Answer

    u=1xu = \frac{1}{x},则原方程变为:

    整理可得:

    uuxx表示后,得到式一:

    式二:

    将式一减式二可得:

    整理可得:

    最终可解得f(x)f(x)为:

1.2 反函数的定义

y=f(x)y = f(x)的定义域为DfD_f,值域为VfV_f,对于yvf\forall y \in v_f,在DfD_f上可以确定一个xx,满足y=f(x)y = f(x),如果把yy看作自变量、xx看作因变量,可得新的函数:x=f1(y)x = f^{-1}(y),则称x=f1(y)x = f^{-1}(y)y=f(x)y = f(x)的反函数,把函数y=f(x)y = f(x)成为直接函数

Tip

  1. 只有一一对应的函数才有反函数,所以单调函数一定存在反函数
  2. 直接函数与反函数的图像关于y=xy = x直线对称
  3. 一个函数与其反函数组合成的复合函数,等同于f(x)=xf(x) = x,即ff1(x)=f1f(x)=xf \circ f^{-1} (x) = f^{-1} \circ f (x) = x
  • 例4:已知y=sinxy = \sin x,则其反函数为_____.

    Answer

    y=sinxy = \sin x的反函数为:

    其定义域为:

II. 函数的基本特性

2.1 有界性

上界:k1\exists k_1 使 xD\forall x \in Df(x)k1f(x) \leq k_1

下界:k2\exists k_2 使 xD\forall x \in Df(x)k1f(x) \geq k_1

有界:M>0\exists M \gt 0 使 xD\forall x \in Df(x)M|f(x)| \leq M

无界:M>0\forall M \gt 0 使 x0D\exists x_0 \in Df(x0)<M|f(x_0)| \lt M

Tip

f(x)f(x)DD上有界 \Leftrightarrow f(x)f(x)DD上既有上界、又有下界,否则称f(x)f(x)DD上无界

2.2 单调性

对于区间IDI \subset D内任意两点x1<x2x_1 \lt x_2,始终存在f(x1)<f(x2)f(x_1) \lt f(x_2),则称函数f(x)f(x)在区间II上是单调递增的,反之则称f(x)f(x)在区间II上是单调递减的

Tip

设函数f(x)f(x)g(x)g(x),则:

2.3 奇偶性

若函数f(x)f(x)在关于原点对称的区间II上满足f(x)=f(x)f(-x) = f(x)(或f(x)=f(x)f(-x) = -f(x)),则称之为偶函数(或奇函数)

Tip

  1. 偶函数的图像关于yy轴对称;奇函数的图像关于原点对称,且此函数若在x=0x = 0有定义则其函数值必为00
  2. 奇函数 ±\pm 奇函数 = 奇函数;偶函数 ±\pm 偶函数 = 偶函数
  3. 奇函数 ×(÷)\times (\div) 奇函数 = 偶函数;偶函数 ×(÷)\times (\div) 偶函数 = 偶函数;奇函数 ×(÷)\times (\div) 偶函数 = 奇函数
  • 例5:判定函数f(x)=ln(x+x2+1)f(x) = \ln (x + \sqrt{x^2 +1})的奇偶性,并求其反函数。

    Answer

    计算f(x)+f(x)f(-x) + f(x)

    由此可证f(x)=f(x)f(-x) = -f(x),所以函数f(x)f(x)为奇函数


    y=f(x)y = f(x),则求x=f1(y)x = f^{-1}(y)

    故函数f(x)f(x)的反函数为y=12(exex)y = \frac{1}{2} (e^x - e^{-x})

  • 例6:判定函数f(x)=1ex1+exf(x) = \dfrac{1 - e^{-x}}{1 + e^{-x}}的奇偶性。

    Answer

    计算f(x)+f(x)f(-x) + f(x)

    由此可证f(x)=f(x)f(-x) = -f(x),所以函数f(x)f(x)为奇函数

2.4 周期性

对于函数y=f(x)y = f(x),如果存在一个非零常数TT,使得对于定义域内的任意xx均有f(x+T)=f(x)f(x + T) = f(x),则称函数f(x)f(x)为周期函数

Tip

  1. f(x+T)=f(x)f(x + T) = f(x),则f(ax+b)f(ax + b)Ta\dfrac{T}{|a|}为周期
  2. f(x)f(x)T1T_1为周期、g(x)g(x)T2T_2为周期,则f(x)±g(x)f(x) \pm g(x)f(x)g(x)f(x) \cdot g(x)T1T_1T2T_2的最小公倍数为周期
  • 例7:判断函数f(x)=xsinxecosx(<x<)f(x) = |x \sin x| e^{\cos x} (-\infty \lt x \lt \infty)是_____.

    (A)有界函数

    (B)单调函数

    (C)周期函数

    (D)偶函数

    Answer
    • (A)

      MN+\forall M \in \mathbb{N}^+x=2Mπ+π2\exists x' = 2M\pi + \frac{\pi}{2},则有:

      由此可证函数f(x)f(x)无界

    • (B)

      计算x{0,π2,π}x \in \{ 0, \frac{\pi}{2}, \pi \}的函数值:

      由此可证函数f(x)f(x)随着xx的变化有增有减,并非单调函数

    • (C)

      因为xx不具有周期性,则函数f(x)f(x)也不具有周期性

    • (D)

      已知x=x|x| = |-x|sinx=sin(x)|\sin x| = |\sin (-x)|cosx=cos(x)\cos x = \cos (-x),所以:

      所以f(x)=f(x)f(-x) = f(x),由此可证函数f(x)f(x)为偶函数

III. 基本初等函数

3.1 幂函数

一般形式:f(x)=xaf(x) = x^a

3.2 指数函数

一般形式:f(x)=axf(x) = a^x

3.3 对数函数

一般形式:f(x)=logax(a>0,a1)f(x) = \log_{a} x \, (a \gt 0, a \neq 1)

3.4 三角函数

sinx\sin xcosx\cos xtanx\tan xcotx\cot xsecx\sec xcscx\csc x
定义域(,)(-\infty, \infty)(,)(-\infty, \infty)xkπ+π2,kZx \neq k\pi + \frac{\pi}{2},k \in \mathbb{Z}xkπ,kZx \neq k\pi,k \in \mathbb{Z}xkπ+π2,kZx \neq k\pi + \frac{\pi}{2},k \in \mathbb{Z}xkπ,kZx \neq k\pi,k \in \mathbb{Z}
值域[1,1][-1, 1][1,1][-1, 1](,)(-\infty, \infty)(,)(-\infty, \infty)(,1][1,+)(-\infty, -1] \cup [1, +\infty)(,1][1,+)(-\infty, -1] \cup [1, +\infty)
单调性[π2,π2],[π2,3π2][-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] \uparrow, [\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}] \downarrow[0,π],[π,2π][0, \pi] \downarrow, [\pi, 2\pi] \uparrow(kππ2,kπ+π2)(k\pi - \frac{\pi}{2}, k\pi + \frac{\pi}{2}) \uparrow(kπ,kπ+π)(k\pi, k\pi + \pi) \downarrow(kππ2,kπ+π2)(k\pi - \frac{\pi}{2}, k\pi + \frac{\pi}{2}) \uparrow(kπ,kπ+π)(k\pi, k\pi + \pi) \downarrow
奇偶性奇函数偶函数奇函数奇函数偶函数奇函数
周期性T=2πT = 2\piT=2πT = 2\piT=πT = \piT=πT = \piT=2πT = 2\piT=2πT = 2\pi

3.4.1 常见公式

sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1tanx=sinx/cosx\tan x = \sin x / \cos xcotx=cosx/sinx\cot x = \cos x / \sin x
sec2x=1+tan2x\sec^2 x = 1 + \tan^2 xcsc2=1+cot2x\csc^2 = 1 + \cot^2 x

3.4.2 角度的和差公式

3.4.3 积化和差公式

3.4.4 和差化积公式

设:x=α+βx = \alpha + \betay=αβy = \alpha - \beta,则:α=x+y2\alpha = \frac{x + y}{2}β=xy2\beta = \frac{x - y}{2}

3.4.5 万能公式及归一化公式

3.5 反三角函数

arcsinx\arcsin xarccosx\arccos xarctanx\arctan xarccot x\text{arccot } x
定义域[1,1][-1, 1][1,1][-1, 1](,+)(-\infty, +\infty)(,+)(-\infty, +\infty)
值域[π2,π2][-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}][0,π][0, \pi](π2,π2)(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2})(0,π)(0, \pi)
单调性[1,1][-1, 1] \uparrow[1,1][-1, 1] \downarrow(,+)(-\infty, +\infty) \uparrow(,+)(-\infty, +\infty) \downarrow
奇偶性奇函数奇函数
周期性

IV. 其他函数类型

4.1 复合函数

y=f(u)y = f(u)u=φ(x)u = \varphi(x),当φ(x)\varphi(x)的值域落在f(u)f(u)的定义域内时,称y=f[φ(x)]y = f[\varphi(x)]是由中间变量uu复合成的复合函数

Example

编程语言中的函数组合:

haskell
compose :: (a -> b) -> (t -> a) -> t -> b
compose = (.)

f :: (Fractional a) => a -> a
f x = x * 2

g :: (Fractional a) => a -> a
g x = x / 2

h :: (Fractional a) => a -> a
h = f `compose` g
compose :: (a -> b) -> (t -> a) -> t -> b
compose = (.)

f :: (Fractional a) => a -> a
f x = x * 2

g :: (Fractional a) => a -> a
g x = x / 2

h :: (Fractional a) => a -> a
h = f `compose` g

ffgg组合得到的函数h(x)=xh(x) = x

4.2 分段函数

如下所示,在不同情况下应用不同的法则的函数:

Tip

  1. 绝对值函数:

  2. 符号函数:

  3. 取整函数:

  4. 最值函数:

  • 例8:设:

    求复合函数gfg \circ ffgf \circ g

    Answer

4.3 由参数方程确立的函数

一般形式:

4.4 隐函数

一般形式:

V. 练习题

  1. 已知f(x)=sinxf(x) = \sin xf[φ(x)]=1x2f[\varphi(x)] = 1 - x^2,则φ(x)=\varphi(x) =_____;其定义域为_____.

    Answer

    由题可得:

    则:

    其定义域为:

  2. 函数f(x+1x)=x+x31+x4f(x + \frac{1}{x}) = \dfrac{x + x^3}{1 + x^4},求f(x)f(x).

    Answer
  3. 判断函数f(x)=ln(1x1+x)f(x) = \ln (\dfrac{1 - x}{1 + x})的奇偶性。

    Answer

    计算f(x)+f(x)f(-x) + f(x)

    由此可证函数f(x)f(x)为奇函数

  4. 判断函数f(x)=12(ax+ax)f(x) = \frac{1}{2} (a^x + a^{-x})的奇偶性。

    Answer

    计算f(x)f(x)f(-x) - f(x)

    由此可证函数f(x)f(x)为偶函数

  5. 判断函数f(x)=x(12x1+12)f(x) = x (\dfrac{1}{2^x - 1} + \dfrac{1}{2})的奇偶性。

    Answer

    计算f(x)f(-x)可得:

    可见f(x)=f(x)f(-x) = f(x),则此函数为偶函数

  6. f(x)f(x)的定义域为RR,存在常数c0c \neq 0,使f(x+c)=f(x)f(x + c) = -f(x),试证明f(x)f(x)为周期函数。

    Answer

    显然可见,f(x)f(x)的周期T=2cT = 2c

    f(x+2kc)=f(x),kZf(x + 2kc) = f(x), k \in \mathbb{Z}

    f(x+(2k1)c)=f(x),kZf(x + (2k - 1)c) = -f(x), k \in \mathbb{Z}

  7. 函数y=ln(x+x21),(x1)y = \ln (x + \sqrt{x^2 - 1}), (x \geq 1)的反函数是_____.

    Answer

    将此函数转换成用x=f(y)x = f(y)的形式: