- •Министерство образования и науки украины одесский национальный университет имени и.И. Мечникова институт инновационного и последипломного образования
- •Глава 1 числовые функции одного действительного переменного
- •§1. Область определения функции
- •Ограниченные числовые множества
- •1.2. Числовые промежутки. Окрестность точки
- •1.3. Предельные точки множества
- •§ 2. Способы задания функции
- •2.1. Табличный способ задания функции
- •2.2. Графический способ задания функции
- •2.3. Аналитический способ задания функции
- •2.4. Неявное задание функции. Алгебраические и трансцендентные функции
- •2.5. Параметрическое задание функции
- •§3. Обратная функция для аналитически заданной функции
- •§4. Элементарные функции и их классификация
- •4.1. Основные (простейшие) элементарные функции
- •4.2. Элементарные функции
- •4.3. Ограниченные функции
- •Если f(p) является ограниченным (или неограниченным) множеством, то говорят, что функция f(X) ограничена (или неограничена).
- •4.4. Монотонные функции
- •4.5. Четные и нечетные функции
- •4.6. Периодические функции
- •§5. Предел числовой последовательности
- •5.1. Определение и геометрическое истолкование предела последовательности
- •Постоянная последовательность {yn} имеет пределом число и является сходящейся последовательностью.
- •5.2. Некоторые теоремы о последовательностях, имеющих предел
- •5.3. Бесконечно малые последовательности и их свойства
- •5.4. Бесконечно большие последовательности и их свойства
- •5.5. Арифметические операции над последовательностями, имеющими предел
- •5.6. Неопределенные арифметические выражения
- •5.7. Неопределенные степенно-показательные выражения
- •5.8. Монотонные последовательности
- •5.9. Принцип сходимости последовательности
- •Упражнения
- •§6. Предел числовой функции одного действительного переменного
- •6.1. Определение и геометрическое истолкование предела функции
- •6.2. Односторонние и бесконечные пределы функции
- •6.3. Распространение теории пределов
- •6.4. Примеры на нахождение пределов для некоторых неопределенных выражений
- •§7. Классификация бесконечно малых и бесконечно больших функций одного действительного переменного
- •7.1. Сравнение бесконечно малых
- •Наоборот, бесконечно малые
- •Будут, очевидно, высшего порядка, чем х.
- •7.2. Классификация бесконечно больших
- •Упражнения
- •§8. Непрерывность (и разрывы) функции одного действительного переменного
- •8.1. Определение непрерывности функции в точке
- •8.2. Односторонняя непрерывность функции в точке. Функции, непрерывные в промежутке
- •8.3. Равномерная непрерывность
- •8.4. Разрывы функции. Классификация разрывов
- •Например, рассмотрим функцию
- •8.5. Арифметические операции над непрерывными функциями
- •8.6. Непрерывность и разрывы монотонной функции
- •8.7. Непрерывность сложной функции
- •8.8. Непрерывность элементарных функций
- •8.9. Общие свойства непрерывных функций
- •Упражнения
§3. Обратная функция для аналитически заданной функции
Пусть функция у = f(x), заданная аналитическим выражением, определена в некоторой области Р и пусть Е будет множество всех значений, которые эта функция принимает, когда х изменяется в пределах области Р, т.е. Е = f(Р) (обычно как Р, так и Е будут представлять собой числовые промежутки).
Выберем какое-нибудь значение у = у0 из области Е; тогда в области Р необходимо найдется такое значение х = х0, при котором наша функция принимает именно значение у0, так, что f(х0) = у0, или, разрешив это уравнение относительно х0, то
х0 = g(у0). (1.5)
Если каждому значению у из Е ставится в соответствие только одно значение х из Р, то это означает, что аналитическим выражением (1.5) задается функция х = g(у), определенная на Е и со значениями в Р, и во-вторых, что функция у = f(x) представляет собой взаимно однозначное отображение и, следовательно, для нее существует обратная функция f –1.
Покажем, что функция g : EP является обратной для функции f : PE, т.е. g = f –1. Действительно, при подстановке x = g(y) в y = f(x) мы получаем тождество y = f[g(y)] = y, аналогично x = g[f(x)] = x. Это означает, что композиция (суперпозиция) функций g на f или f на g осуществляют тождественное отображение соответственно e : y y или e : x x, т.е. fоg = gоf = e и, следовательно, g = f –1.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда каждому значению y из E ставится в соответствие не одно, а несколько (например, k) значений x из P, т.е. если y = y0, то x = x0i , i = 1, ..., k. Для этого случая функция f : PE не представляет собой взаимно однозначное отображение, а аналитическое выражение (1.5) не может определять функцию. Для этой ситуации поступим следующим образом. Разобьем область определения P функции y = f(x) на k подмножеств Pi , i = 1,2,...,k так, чтобы каждому значению y из E ставилось в соответствие только одно значение x из Pi и при этом f(Pi) = E. Тогда, ограничив область определения функции y = f(x) подмножеством Pi , мы получим ситуацию, аналогичную рассмотренной выше. Откуда следует, что функция y = f(x), на подмножестве Pi , имеет обратную функцию и ею является функция x = g(y), определенная на E, но со значениями в Pi , т.е. f : PiE, а f –1= g : EPi .
Если функция x = g(y) является обратной для функции y = f(x), то очевидно графики обеих функций совпадают. Можно, однако, потребовать, чтобы и аргумент обратной функции обозначался буквой x, т.е. вместо функции x = g(y) рассматривать y = g(х). Если при этом по-прежнему значения х откладывать по горизонтальной оси, а значения у – по вертикальной, то графики этих функций будут различны. График обратной функции будет симметричен графику прямой функции y = f(x) относительно биссектрисы первого и третьего координатных углов у = х.
Примеры:
1.
y
= ax
(a
> 0,
a
– показательная функция. Эта функция
определена на промежутке P
= (–∞
∞,
а значения y
заполняют промежуток E
= (0,∞,
причем
каждому y
из этого промежутка отвечает в P
одно значение
x = loga y.
Таким образом, выражение x = loga y
есть функция, определенная на
E
и
эта функция является обратной для
функции y = ax,
определенной на P.
Действительно,
,
или
.
Графики этих функций представлены на
рис.2.
Рис. 2
2. y = xn – степенная функция, где nN. Такая функция определена на промежутке ∞ ∞, а значения y заполняют либо промежуток –∞∞, если n – нечетное число, либо промежуток E2 = (0,∞, если n – четное число.
В
первом случае любому y
= y0
из E1
отвечает в P
одно значение
или (
)
и, следовательно, выражение
определяет обратную функцию для
.
На рис.3 показаны графики прямой (сплошная
кривая) и обратной (пунктирная кривая)
функций.
Во
втором случае функция y
= xn,
не имеет обратной, так как одному значению
у
= у0
из Е2
= (0, ∞)
соответствуют два значения x
= x0k
,
k = 1,2
из P :
,
.
Однако, если область определения P функции y = xn разбить на два подмножества P1 = [0, ∞) и P2 = (–∞, 0) и область определения функции y = xn ограничить этими подмножествами, то на каждом из этих подмножеств функция y = xn имеет обратную функцию.
Рис. 3 Рис. 4
На
промежутке P1
обратной функцией является
,
а на P2
–
.
Графики прямой и обратной функций для
области определения P2
показаны
на рис.4 сплошной кривой, а для P1
– пунктирной. Следует обратить внимание
на то, что область определения P2
представляет собой открытый интервал,
так как для y0
= 0
соответствуют не два значения x
из
P,
как для всех остальных y
из E,
а только одно: x
= 0.
Мы же точку ноль отнесли к первому
промежутку. На графике на этот факт
указывают стрелки при приближении к
точке нуль.
3.
y = sin
x –
тригонометрическая функция. График
этой функции показан на рис.5. Как видно
из графика, эта функция определена в
промежутке P = (∞∞
причем ее значения заполняют сплошь
промежуток
.
Каждому значению y
= y0
из
E
отвечает бесконечное множество значений
x
из P.
Поэтому функция y
= sin
x,
определенная на P,
обратной функции не имеет. Однако, если
промежуток P
разбить
на бесконечное число промежутков
,
где k = 0, ,
k Z),
то
функция y = sin x,
определенная на каждом таком промежутке
Pk,
имеет обратную функцию, определенную
на промежутке (–1,1) и со значениями в
данном промежутке Pk.
Что же касается граничных точек
,
разделяющих промежутки Pk
и
Pk+1,
то эти точки будем относить к промежутку
Pk;
тогда промежуток Pk
будет замкнутым справа, а промежуток
Pk+1
открытым слева, если k
= 0,
и,
соответственно, замкнутым слева, а
открытым справа если k
= –
–.
Обычно обратную функцию для y
= sin
x рассматривают
лишь для промежутка k
= 0,
т.е.
.
Обратим внимание, что это единственный
замкнутый промежуток из всех разбиений
Pk
области
Р.
Каждому
у0
из [–1,1] в пределах
отвечает одно значение х00;
его обозначают через х00
= arcsin y0,
а
все множество значений х0к
из
Р,
которым в соответствие ставится у0
из
Е
= [–1,1]
записывают
в виде х0k
= (–1)k
arcsin
y0
+
k,
kZ.
Таким образом, обратная функция для y = sin x, определенная на замкнутом промежутке [–1,1], со значениями в замкнутом промежутке имеет вид х = arcsin y (либо у = arcsin х). График функции у = arcsin х показан на рис.6.
Подобные рассуждения для остальных тригонометрических функций приводят к следующим результатам:
а) функция y = cos x, определенная на замкнутом промежутке Р0 = [0,], имеет обратную х = arccos у (либо у = arccos х), определенную на сегменте [1,1]. Множество всех значений х = х0k из Р = ∞ ∞ соответствующих у = у0 из Е = [–1,1] записывается
х0k = arccos y0 + 2 k, где kZ;
Рис. 5 Рис. 6
б)
функция y = tg x,
определенная на интервале
имеет обратную x = arctg y
(либо у = arcctg x),
определенную
на Е = ∞ ∞.
Множество значений х0k
из
Р
соответствующих у0
из Е
записывают
х0k = arcсtg y0 + k, kZ.
Для
значений
функция
у
= tg
x
не определена;
в) функция у = ctg x; Р0 = (0,), имеет обратную х = arcctg у (у = arcctgx), Е = ∞ ∞. Для значений х = k, kZ функция у = ctg x не определена, х0k = arcсtg y0 + k.
Графики этих функций показаны на рис. 7 – 9.
Рис. 7
Рис. 8 (Переделать, асимптоты)
Рис. 9 (Переделать, асимптоты)
