函数

  • 定义
    • 设 X,YX,Y 是两个非空数集,如果对每个 XX,按照某种确定的法则 ff,有唯一的 y∈Yy \in Y 与之对应,则称 ff 是 XX 上的函数,或说 yy 是 xx 的函数,记作 y=f(x)y=f(x)。其中 xx 称为自变量,yy 称为因变量,数集 XX 称为函数 ff 的定义域。当 xx 取遍 XX 中的一切数时相应的函数值的集合称为 ff 的值域。
    • yy 是 xx 的函数也可记作 y=y(x)y=y(x)。当自变量 xx 的值取为 x0∈Xx_0 \in X 时,函数 y=f(x)y=f(x) 的对应值 f(x0)f(x_0) 称为函数值,f(x0)f(x_0) 也可以写成 y∣x=x0y|_{x=x_0} 或 y∣x0y|_{x_0}。
    • 注意对于每一个 x∈Xx \in X,y∈Yy \in Y 唯一,这样的函数被称为单值函数。一般情况下,我们讨论的都是单值函数。
  • 性质
    • 有界性
      • 设函数 f(x)f(x) 在区间 II 上有定义,如果 ∃M>0\exists M>0,使得对 ∀x∈I\forall x\in I,都有 ∣f(x)∣≤M|f(x)|\le M,则称函数 f(x)f(x) 在区间 II 上有界,如果这样的 MM 不存在,则称函数 f(x)f(x) 在区间 II 上无界。
      • 设函数 f(x)f(x) 在区间 II 上有定义,如果 ∃M1\exists M_1,使得对 ∀x∈I\forall x\in I,都有 f(x)≤M1f(x)\le M_1,则称函数 f(x)f(x) 在区间 II 上有上界。如果 ∃M2\exists M_2,使得对 ∀x∈I\forall x\in I,都有 f(x)≥M2f(x)\ge M_2,则称函数 f(x)f(x) 在区间 II 上有下界。
    • 单调性
      • 设函数 f(x)f(x) 在区间 II 上有定义,如果对 ∀x1,x2∈I\forall x_1,x_2 \in I,x1<x2x_1< x_2,都有 f(x1)<f(x2)f(x_1)<f(x_2),则称 f(x)f(x) 在区间 II 上是单调递增的。如果对 ∀x1,x2∈I\forall x_1,x_2 \in I,x1<x2x_1< x_2,都有 f(x1)>f(x2)f(x_1)>f(x_2),则称 f(x)f(x) 在区间 II 上是单调递减的。单调递增函数与单调递减函数统称单调函数。
      • 可以使用导数研究函数单调性。
    • 奇偶性
      • 设函数 f(x)f(x) 的定义域 DD 关于原点对称,如果 ∀x∈D\forall x \in D,都有 f(−x)=f(x)f(-x)=f(x),则称 f(x)f(x) 为偶函数。如果 ∀x∈D\forall x \in D,都有 f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x),则称 f(x)f(x) 为奇函数。
    • 周期性
      • 设函数 f(x)f(x) 的定义域为 DD,如果存在不为 00 的数 TT,使得对 ∀x∈D\forall x\in D,都有 x+T∈Dx+T\in D,且 f(x+T)=f(x)f(x+T)=f(x),则称 f(x)f(x) 为周期函数,TT 称为 f(x)f(x) 的周期,通常我们所说的周期为最小正周期。
      • 并非每个函数都有最小正周期,如常数函数。
    • 连续性
      • 函数在一点的连续性
        • 如果 lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim\limits_{x\to x_0} f(x)=f(x_0),则称 f(x)f(x) 在 x0x_0 处连续。
        • 如果 lim⁡Δx→0Δy=lim⁡Δx→0(f(x0+Δx)−f(x0))\lim\limits_{\Delta x\to 0} \Delta y=\lim\limits_{\Delta x\to 0}(f(x_0+\Delta x)-f(x_0)),则称 f(x)f(x) 在 x0x_0 处连续。
        • 类似地,也可以定义左连续和右连续。
        • f(x)f(x) 在 x0x_0 处连续的充要条件是 f(x)f(x) 在 x0x_0 左连续且右连续。
      • 函数在区间的连续性
        • 如果 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上的每一点都连续,则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 连续。
        • 如果 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上的每一点都连续,在 aa 右连续,在 bb 左连续,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 连续。
      • 间断点
        • f(x)f(x) 在 x0x_0 连续要满足以下三个条件:
          • f(x)f(x) 在 x0x_0 有定义;
          • lim⁡x→x0f(x)\lim\limits_{x\to x_0} f(x) 存在;
          • lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim\limits_{x\to x_0} f(x)=f(x_0)。
        • 如果不满足,则 x0x_0 是 f(x)f(x) 的间断点。
        • 若 lim⁡x→x0−f(x)\lim\limits_{x\to x_0^-} f(x) 和 lim⁡x→x0+f(x)\lim\limits_{x\to x_0^+} f(x) 均存在,则称 x0x_0 为第一类间断点。否则称 x0x_0 为第二类间断点。
      • 性质
        • 若 f(x)f(x) 和 g(x)g(x) 在 x0x_0 连续,则它们的四则运算、反函数、复合的函数均在 x0x_0 连续。
        • 所有初等函数在定义区间内连续。
        • 闭区间上的连续函数有界、有最值。
      • 定理
        • 零点定理
          • 设函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上连续,且 f(a)f(b)<0f(a)f(b)<0,则 ∃ξ∈(a,b)\exists\xi\in(a,b),使得 f(ξ)=0f(\xi)=0。
        • 介值定理
          • 设函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上连续,m=min⁡x∈[a,b]{f(x)}m=\min\limits_{x\in[a,b]}\{f(x)\},M=max⁡x∈[a,b]{f(x)}M=\max\limits_{x\in[a,b]}\{f(x)\},则对 ∀μ\forall \mu,只要 m≤μ≤Mm\le\mu\le M,则 ∃ξ∈(a,b)\exists\xi\in(a,b),使得 f(ξ)=μf(\xi)=\mu。
    • 凹凸性
    • 渐近线
      • 定义
        • 当曲线上的点沿曲线无限远离原点时,与某一直线的距离趋于 00,则称该直线为该曲线的一条渐近线。
      • 求解
        • 如果 lim⁡x→C−=∞\lim\limits_{x\to C^-}=\infty 或 lim⁡x→C+=∞\lim\limits_{x\to C^+}=\infty,则 x=Cx=C 为 f(x)f(x) 的一条垂直渐近线。
        • 如果 lim⁡x→+∞=C\lim\limits_{x\to +\infty}=C 或 lim⁡x→−∞=C\lim\limits_{x\to -\infty}=C,则 y=Cy=C 为 f(x)f(x) 的一条水平渐近线。
        • 如果 lim⁡x→+∞f(x)x=k,lim⁡x→+∞f(x)−kx=b\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=k,\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)-kx=b,则 y=kx+by=kx+b 是 f(x)f(x) 的一条斜渐近线。对 x→−∞x\to-\infty 同理。
  • 运算
    • 基本运算
      • 设 f(x),g(x)f(x),g(x) 的定义域为 D1,D2D_1,D_2,D=D1∩D2D=D_1\cap D_2 是非空数集,则我们可以在 DD 上定义这两个函数的运算:
        • 和 f+gf+g:(f+g)(x)=f(x)+g(x)(f+g)(x)=f(x)+g(x)
        • 差 f−gf-g:(f−g)(x)=f(x)−g(x)(f-g)(x)=f(x)-g(x)
        • 积 f⋅gf\cdot g:(f⋅g)(x)=f(x)g(x)(f\cdot g)(x)=f(x)g(x)
        • 商 fg\frac{f}{g}:(fg)(x)=f(x)g(x)(g(x)≠0)\left(\frac{f}{g}\right)(x)=\frac{f(x)}{g(x)}\left(g(x)\ne 0\right)
        • 幂 fmf^m:fm(x)=[f(x)]m(m≠−1)f^m(x)=[f(x)]^m \left(m\ne -1\right)
    • 反函数
      • 定义
        • 设函数 y=f(x)y=f(x) 的定义域为 XX,值域为 YY,如果对 ∀y∈Y\forall y\in Y,在 XX 中只有唯一一个 xx 与之对应,从而 xx 与 yy 之间构成一一对应,根据函数的定义,xx 也是 yy 的函数,此时 yy 是自变量,xx 是因变量,它是由 y=f(x)y=f(x) 所产生的,称为 y=f(x)y=f(x) 的反函数,记作 x=f−1(y)x=f^{-1}(y)。
        • 习惯上 xx 代表自变量,yy 代表因变量,所以 y=f(x)y=f(x) 的反函数就记作 y=f−1(x)y=f^{-1}(x)。
      • 性质
        • 反函数表示逆过程,f(f−1(x))=f−1(f(x))=xf(f^{-1}(x))=f^{-1}(f(x))=x。
        • 在平面直角坐标系中,f(x)f(x) 与 f−1(x)f^{-1}(x) 的图像关于 y=xy=x 对称。
      • 定理
        • 反函数存在定理:如果 y=f(x)y=f(x) 是定义在 XX 上的单调递增(或单调递减)函数,其值域为 YY,则必存在反函数 f−1(y)f^{-1}(y),且反函数在 YY 上也是单调递增(或单调递减)的。
    • 复合函数
      • 设函数 y=f(u)y=f(u) 的定义域为 D1D_1,u=g(x)u=g(x) 的定义域为 DD,值域为 g(D)g(D),如果 g(D)⊂D1g(D)\subset D_1,则由式 y=f(g(x))y=f(g(x)) 确定的函数称为 y=f(u),u=g(x)y=f(u),u=g(x) 的复合函数,常用 f∘gf\circ g 表示这个函数,即 (f∘g)(x)=f(g(x))(f\circ g)(x)=f(g(x)),(f∘g)(x)(f\circ g)(x) 的定义域是 DD,变量 uu 称为中间变量。
  • 常用函数
    • 常数函数:y=C(Cy=C(C 为常数))
    • 幂函数:y=xμ(μy=x^{\mu}(\mu 为实数))
    • 指数函数:y=ax(a>0,a≠1)y=a^x(a>0,a\ne 1)
    • 对数函数:y=log⁡ax(a>0,a≠1)y=\log_a x(a>0,a\ne 1)
    • 三角函数:y=sin⁡x,y=cos⁡x,y=tan⁡x,y=cot⁡x=1tan⁡x,y=sec⁡x=1cos⁡x,y=csc⁡x=1sin⁡xy=\sin x,y=\cos x,y=\tan x,y=\cot x=\frac{1}{\tan x},y=\sec x=\frac{1}{\cos x},y=\csc x=\frac{1}{\sin x}
    • 反三角函数:y=arcsin⁡x,y=arccos⁡x,y=arctan⁡xy=\arcsin x,y=\arccos x,y=\arctan x
    • 双曲函数
      • y=sinh⁡x=ex−e−x2y=\sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}{2}
      • y=cosh⁡x=ex+e−x2y=\cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}{2}
      • y=tanh⁡x=ex−e−xex+e−xy=\tanh x=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}
    • 反双曲函数
      • y=arsinh⁡=ln⁡(x+x2+1)y=\operatorname{arsinh}=\ln(x+\sqrt{x^2+1})
      • y=arcosh⁡=ln⁡(x+x2−1)y=\operatorname{arcosh}=\ln(x+\sqrt{x^2-1})
      • y=artanh⁡=12ln⁡1+x1−xy=\operatorname{artanh}=\frac{1}{2}\ln\frac{1+x}{1-x}
    • 绝对值函数:∣x∣=x2|x|=\sqrt{x^2}
    • 符号函数:sgn⁡x={1,x>00,x=0−1,x<0\operatorname{sgn} x=\left\{\begin{matrix} 1, & x>0\\ 0, & x=0\\ -1, & x<0\end{matrix}\right.