Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Matematika_Zaytsev_ch2

.pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
14.02.2015
Размер:
2.17 Mб
Скачать

y = x3, y = x2.

Функция y = x3 возрастает на всей числовой прямой, так как из условия x1< x2 следует x13 < x23, т.е. монотонна на R.

Функция y = x2 убывает на интервале (–, 0) и возрастает на интервале (0, +), но не является монотонной на любом интервале, содержащем точку x = 0.

2.3 Чётные и нечётные функции

Пусть у функции y = f(x) область определения D(f) = X R симметрична относительно точки О на числовой прямой, т.е. если x Х, то и – x Х.

Функцию f(x), определенную на таком множестве X, называют чётной, если

x Х f(–x) = f(x) и нечётной, если x Х f(–x) = – f(x).

Очевидно, что график чётной функции симметричен относительно оси ОY, а график нечётной функции – относительно начала координат. На рисунке 6 показаны графики чётной функции y = x2 и нечётной функции y = x3 .

Рисунок 6 Пример 9. Определить, обладает ли свойством чётности или нечётности

функция f ( x ) = loga ( x + x2 + 1 ), x R .

Преобразуем

f ( x ) = loga ( x +

x2 + 1 ) = loga

( x + x2 + 1 )( x + x2 + 1 )

=

 

 

 

 

 

x + x2 + 1

= loga

1

 

= −loga ( x + x2 + 1 ) = − f ( x ).

x + x2 + 1

 

 

 

 

Таким образом, данная функция нечётная.

Теорема 1. Любую функцию f(x), определенную на отрезке [–a, a] R, можно представить в виде суммы чётной и нечётной функций, и это представление единственно.

41

Доказательство. Запишем f(x) = α(x) + β(x), где α(x) чётная функция, а

β(x) нечётная. Тогда f(–x) = α(–x) + β(–x) = α(x) – β(x).

Складывая и вычитая записи для f(x) и f(–x), получим

 

α( x ) =

f ( x ) + f ( x )

, β( x ) =

f ( x ) f ( x )

,

2

2

 

 

 

что доказывает возможность и единственность представления f(x) в виде суммы чётной и нечётной функций.

2.4 Ограниченные функции

Функцию f(x) называют на множестве S D(f):

1) ограниченной сверху, если существует константа M R, такая, что

 

x S

f(x) M;

2)

ограниченной снизу, если существует константа m R, такая, что

 

x S

f(x) m;

3)

ограниченной, если существует константа С > 0, такая, что

 

x S

|f(x)| C.

Ясно, что функция будет ограниченной на множестве S в том и только в том случае, когда она ограничена и сверху и снизу.

Функцию, не являющуюся ограниченной на множестве S, называют неограни-

ченной на множестве S. Это означает, что C x0 S : |f(x0)| > C.

 

Пример 10. Выяснить, ограничены или не ограничены функции

 

 

 

а) f ( x ) =

 

 

1

;

б) f ( x ) =

 

1

.

 

 

 

 

 

 

+ x2

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

x 1

 

 

а) x R

0 <

 

1 , поэтому f(x) ограничена на множестве действи-

 

+ x2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тельных чисел, а, значит, и на любом множестве S R.

 

 

 

 

 

б) Функция

f ( x ) =

1

 

 

 

ограничена, например, на полуинтервале [2, +),

x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так как в этом случае 0 < f(x) 1. Но эта же функция не ограничена сверху на

области определения D(f) = (1, +),

так как M x0 (1, +):

 

1

> M .

 

x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

Чтобы указать такое значение x0, нужно решить последнее неравенство:

 

 

1

> M 2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

0

1

 

1

< x

<

 

 

+ 1 .

 

 

 

x

1 > 0

 

0

 

M

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

Данная функция ограничена снизу, так как

f(x) > 0.

 

3. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФУНКЦИИ

42

3.1Основные элементарные функции

Входе развития математики среди большого числа функций постепенно было выделено небольшое количество достаточно простых функций, особенно часто встречающихся в самых разнообразных приложениях математического анализа. Такие функции называют основными элементарными функциями. При изучении других, более сложных функций, широко используют известные свойства основных элементарных функций. Ограничимся перечислением этих функций с небольшими комментариями.

1. Степенная функция имеет вид

y = xs ,

(6)

где s R любое постоянное действительное число.

Поведение степенной функции существенно зависит от показателя степени s.

Если s Z , то (6) – рациональная функция.

 

 

m

m

= n xm называется иррацио-

Если

s =

Q ( m Z , n N ) , то xs = x n

n

 

 

 

 

нальной функцией.

Область определения D(y) степенной функции также существенно зависит от s. Например, если s N, то D(y) = R. Если s Z: s < 0, то D(y) = R\{0}.

В случае s = n1 , n N имеем D(y) = R при нечётном и D(y) = {x R: x 0}

при n чётном.

Случай иррационального s будет рассмотрен ниже (см. логарифмическую функцию).

2. Показательной называют функцию вида

 

y = ax , a > 0 , a 1.

(7)

Основные свойства показательной функции:

1)D(y) = R;

2)E(y) = (0, +);

3)

функция не является ни чётной, ни нечётной, так как a–x ax и a–x –ax;

4)

функция монотонно возрастает при a > 1 и монотонно убывает при 0 < a <

1.

Показательную функцию для произвольных значений x не удаётся вычислить при помощи конечной последовательности алгебраических операций (сложения, вычитания, умножения, деления и возведения в целую степень). Поэтому данную функцию относят к неалгебраическим или трансцендентным функциям.

Графики показательной функции в зависимости от a показаны на рисунке 7.

43

Рисунок 7

3. Логарифмическую функцию обозначают

 

y = logax, a > 0, a 1,

(8)

и определяют как обратную по отношению к показательной функции.

Это означает, что из (8) следует x = ay, т.е. x > 0 !y: ay = x. Именно это число y и называют логарифмом числа x по основанию a и обозначают logax, так что

aloga x = x .

Это основное логарифмическое тождество, по сути, является определением логарифмической функции (8).

Основные свойства логарифмической функции:

1)D(y) = (0, +);

2)E(y) = R;

3)функция общего вида, свойством чётности и нечётности, очевидно, не обла-

дает, так как область D(y) не симметрична относительно x = 0.

4) монотонно возрастает при a > 1 и монотонно убывает при 0 < a < 1.

Графики функции y = logax в зависимости от a приведены на рисунке 8, они симметричны соответствующим графикам функции y = ax относительно прямой y = х.

Рисунок 8

Степенную функцию y = xs можно определить равенством: xs = ( aloga x )s = as loga x , a > 0, a 1 .

44

Так как область определения показательной и область значений логарифмической функции совпадают (это вся числовая прямая), то область определения их суперпо-

зиции совпадает с областью определения логарифмической функции, т.е. при s R D(xS) = (0, +).

4. Из тригонометрических функций рассмотрим функции

y = sinx, y = cosx, y = tgx =

sin x

,

y = ctgx =

cos x

.

cos x

 

 

 

 

sin x

Основные свойства функций y = sinx и y = cosx:

1)D(y) = R;

2)E(y) = [–1; 1];

3)функции периодичны с периодом T = 2π;

4)функция y = sinx нечётная, а y = cosx чётная (рисунок 9).

 

 

Рисунок 9

Основные свойства функций y = tgx и y = ctgx:

 

π

 

1) D( tgx ) = x R : x

2

+ kπ , k Z , D( ctgx ) ={x R : x kπ , k Z};

 

 

2)E(y) = R;

3)функции периодичны с периодом T = π и функции нечётны (рисунок 10).

Рисунок 10

45

5. К обратным тригонометрическим функциям относят arcsinx, arccosx, arctgx и arcctgx, называемые соответственно арксинусом, арккосинусом, арктангенсом и арккотангенсом.

 

Функция y = sinx

 

π

,

π

 

 

 

возрастает на

2

2

, принимает на этом отрезке все

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свои

значения от –1

до 1 (рисунок

9).

Значит, для функции y

= sinx при

π

x π

существует обратная функция y = arcsinx.

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График функции y = arcsinx может быть получен из графика функции y = sinx,

π

x π

с помощью преобразования

 

симметрии последнего

относительно

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

прямой y = x (рисунок 11).

Рисунок 11

Основные свойства функции y = arcsinx:

1)D(y) = [–1, 1];

2)E(y) = π , π ;

2 2

3)arcsin(–x) = – arcsinx;

4)монотонно возрастает.

Функция y = cosx убывает на отрезке [0, π] и принимает на нем все свои значения от –1 до 1 (рисунок 9), поэтому для y = cosx при 0 x ≤ π можно определить обратную функцию y = arccosx (рисунок 12).

46

Рисунок 12

Основные свойства функции y = arccosx:

1)D(y) = [–1; 1];

2)E(y) = [0; π ];

3)arccos(–x) = π – arccosx;

4)монотонно убывает.

Функция y = tgx возрастает на интервале

 

π

,

π

, принимает на нем все

 

2

2

 

 

 

 

 

 

свои значения (рисунок 10), значит можно определить обратную функцию y = arctgx (рисунок 13).

Рисунок 13

Основные свойства функции y = arctgx:

1)D(y) = R;

2)E(y) = π , π ;

2 2

3)arctg(–x) = – arctgx;

4)монотонно возрастает.

47

Функция y = ctgx убывает на интервале (0, π), принимает на нем все свои значения (рисунок 10), на этом интервале существует обратная функция y = arcctgx. График показан на рисунке 14.

Рисунок 14

Основные свойства функции y = arcctgx:

1)D(y) = R;

2)E(y) = (0; π);

3)arcсtg(–x) = π – arcсtgx;

4)монотонно убывает.

3.2Некоторые элементарные функции

Кэлементарным функциям относят функции, которые можно получить из основных элементарных функций с помощью конечного числа алгебраических операций и конечного числа суперпозиций.

Примеры элементарных функций:

f ( x ) = sin3 2 x +

x 1 ,

 

f ( x ) =

x2 + x + 1

и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

5 x + 5 x

 

 

Имеет место следующая классификация элементарных функций.

 

1) Функция вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = P ( x ) = a xn + a

1

xn1 + K + a

n1

x + a

n

(9)

n

0

 

 

 

 

 

называется целой рациональной функцией или алгебраическим многочленом степе-

ни n. Здесь n N , a0, a1, ... an R – коэффициенты многочлена, причем a0 0. Значения многочлена можно найти при помощи только простых операций (сложения, вычитания, умножения и возведения в целую положительную степень). Поэтому для изучения более сложных функций часто используют их представление (хотя бы приближенное) в виде многочлена.

Многочлен первой степени

P1(x) = a0x + a1 , a0 0

называется также линейной функцией. Её графиком, как известно, является прямая.

48

Многочлен второй степени

P2(x) = a0x2 + a1x + a2, a0 0

называется квадратным трёхчленом, а его графиком будет парабола.

2) Функция, представляющая собой отношение двух целых рациональных функций

 

P ( x )

 

a xm + a

1

xm1

+ K + a

m1

x + a

m

 

 

R( x ) =

m

 

=

0

 

 

 

,

(10)

Qn ( x )

b xn + b xn1

+ K + a

 

 

 

 

 

n1

x + b

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

n

 

 

где Pm(x), Qn(x) многочлены степени m и n соответственно, называется дробно– рациональной функцией или рациональной дробью. При m n рациональную дробь называют неправильной, а при m < n правильной.

Итак, рациональные элементарные функции – это результат арифметических действий со степенной функцией вида (6) при s = n N.

3) Если использовать степенную функцию вида (6) при s = mn , где mn несо-

кратимая рациональная дробь, то получим иррациональную функцию. Например, f ( x ) = x , f ( x ) = 3 x 1 + ( 3 x + 2 )2 – иррациональные функции.

Рациональные и иррациональные функции образуют класс алгебраических функций.

4) Элементарные функции, в которые входит хотя бы одна из трансцендентных функций (степенная с иррациональным показателем s, показательная, логарифмическая, тригонометрическая или обратная тригонометрическая), относят к классу трансцендентных. Это, например, функции

f(x) = x + sinx , f ( x ) =

lg x

, f ( x ) = xπ

и т.д.

x

 

 

 

Замечание. Впоследствии, овладев более сложным математическим аппаратом (ряды, интегралы) мы познакомимся и с другими функциями, также играющими важную роль в приложениях, но уже выходящими за пределы класса элементарных функций.

4.ЗАДАЧИ

4.1Задачи с решениями

1. В шар радиуса R вписан цилиндр. Выразить объём V цилиндра как функцию его высоты h.

Сделаем поясняющий чертеж. В шар можно вписать цилиндры различной высоты h = CD = 2 0M. Аргументом, по условию задачи, является высота h.

Запишем формулу объёма цилиндра V = πr2 h , где r = MC

радиус цилиндра. Выразим r через аргумент h и известные величины из условия задачи.

49

Из OMC имеем: R

2

 

2

h

2

2

 

2

 

h2

 

 

= r

 

+

 

 

r

 

= R

 

 

.

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим найденное выражение r2 в формулу объёма цилиндра:

V = π( R2 h2 ) h =V ( h ) .

4

Полученная функция определяет зависимость объёма вписанного цилиндра от

его высоты при условии h > 0 и R2

h2

> 0, т.е. при 0 < h < 2R.

 

4

 

2. Дождевая капля, начальная масса которой m, падает под действием силы тяжести, равномерно испаряясь, так что убыль массы пропорциональны времени (коэффициент пропорциональности равен k > 0). Выразить кинетическую энергию капли как функцию времени.

Выпишем формулу для кинетической энергии K = 21 mv2 , где m и v соответ-

ственно масса и скорость капли в момент времени t. По условию задачи аргументом должно быть время t.

Скорость падения капли под действием силы тяжести, если пренебречь сопротивлением воздуха, будет v = gt, где g ускорение свободного падения (известная величина).

По условию задачи m = m0 – kt. Подставляя выражения для массы и скорости капли в формулу кинетической энергии, получим искомую функцию

K = 21 ( m0 kt )g2t 2 = K( t ).

Очевидно, что данная функция определена при условиях t 0 и m0 – kt > 0, т.е.

при 0 t < mk0 .

3. Найти естественные области определения следующих функций:

а)

f ( x ) = x2 1 + 4 x2 ; б) f(x) = log2sinx;

 

1

 

в)

f ( x ) =

 

.

arccos( 2 + x )

а) Так как функция представляет собой сумму функций, то область определения функции будет состоять из всех тех значений x, которые принадлежат одно-

временно области определения функций x2 1 и 4 x2 . Таким образом,

D(f)={x R: x2 – 1 0 4 – x2 0}={x R: |x| 1 |x| 2}=[–2; –1] [1; 2].

50

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]