《数学分析》5第一章§3函数概念

《数学分析》教案授课章节：第一章§３函数概念教学目的：使学生深刻理解函数概念。教学要求：（１）深刻理解函数的定义以及复合函数、反函数和初等函数的定义，熟悉函数的各种表示方法；（２）牢记基本初等函数的定义、性质及其图象。会求初等函数的存在域，会分析初等函数的复合关系。教学重点：函数的概念。教学难点：初等函数复合关系的分析。教学方法：课堂讲授，辅以提问、练习、部分内容可自学。教学程序：引言：关于函数概念，在中学数学中已有了初步的了解。为便于今后的学习，本节将对此作进一步讨论。一函数的定义１．定义１设,DMR，如果存在对应法则f，使对xD，存在唯一的一个数yM与之对应，则称f是定义在数集Ｄ上的函数，记作:fDM(|xy).函数f在点x的函数值，记为()fx，全体函数值的集合称为函数f的值域，记作()fD。即()|(),fDyyfxxD。２．几点说明（1）函数定义的记号中“:fDM”表示按法则f建立Ｄ到Ｍ的函数关系，|xy表示这两个数集中元素之间的对应关系，也记作|()xfx。习惯上称x自变量，y为因变量。（2）函数有三个要素，即定义域、对应法则和值域。当对应法则和定义域确定后，值域便自然确定下来。因此，函数的基本要素为两个：定义域和对应法则。所以函数也常表示为：(),yfxxD.由此，我们说两个函数相同，是指它们有相同的定义域和对应法则。例如：1）()1,,fxxR()1,\0.gxxR（不相同，对应法则相同，定义域不同）2）()||,,xxxR2(),.xxxR（相同，对应法则的表达形式不同）。（3）函数用公式法（解析法）表示时，函数的定义域常取使该运算式子有意义的自变量的全体，通常称为存在域（自然定义域）。此时，函数的记号中的定义域Ｄ可省略不写，而只用对应法则f来表示一个函数。即“函数()yfx”或“函数f”。（4）“映射”的观点来看，函数f本质上是映射，对于aD，()fa称为映射f下a的象。a称为()fa的原象。（5）函数定义中，xD，只能有唯一的一个y值与它对应，这样定义的函数称为“单值函数”，若对同一个x值，可以对应多于一个y值，则称这种函数为多值函数。本书中只讨论单值函数（简称函数）。（６）定义１中的定义是Cauchy于1834年给出。不是完美的、现代意义上的函数定义。事实上，函数《数学分析》教案定义的产生也经历了一个从无到有，从具体到抽象。从特殊到一般，从不完美到逐步完美的过程。这个进程中充满了斗争。历史上，原始的“函数观念”伴随着数学的出现而产生，经过近两个世纪，明确提出“函数”一词，并将其作为数学概念研究，则在１７世纪以后，现代函数定义是在１９２１年，则库拉托夫斯基给出。定义如下：设f是一个序偶集合，若当(,)xyf时，yz，则f称为一个函数。—（朱家麟《浅谈函数概念的历史演讲》，《河北师范大学学报》，1990年第４期）二函数的表示方法1主要方法：解析法（分式法）、列表法和图象法。2可用“特殊方法”来表示的函数。（１）分段函数：在定义域的不同部分用不同的公式来表示。例如1,0sgn0,01,0xxxx，（符号函数）（借助于Sgnx可表示()||,fxx即()||sgnfxxxx）。（２）用语言叙述的函数。（注意；以下函数不是分段函数）例１）[]yx（取整函数）２）1,()0,xDxx当为有理数,当为无理数,（Ｄirichlet）３）1,(,,()0,0,1(0,1)ppxpqNqqqRxx当为假分数),当和内的无理数.（Riemman函数）三函数的四则运算给定两个函数12,,,fxDgxD，记12DDD，并设D，定义f与g在Ｄ上的和、差、积运算如下：()()(),FxfxgxxD；()()(),GxfxgxxD；()()(),HxfxgxxD.若在Ｄ中除去使()0gx的值，即令2\()0,DDxgxxD，可在D上定义f与g的商运算如下；()(),()fxLxxDgx.注：１）若12DDD，则f与g不能进行四则运算。２）为叙述方便，函数f与g的和、差、积、商常分别写为：,,,ffgfgfgg.四复合运算《数学分析》教案１．引言在有些实际问题中函数的自变量与因变量通过另外一些变量才建立起它们之间的对应关系。例：质量为m的物体自由下落，速度为v，则功率Ｅ为2221122EmvEmgtvgt.抽去该问题的实际意义，我们得到两个函数21(),2fvmvvgt，把()vt代入f，即得221(())2fvtmgt.这样得到函数的过程称为“函数复合”，所得到的函数称为“复合函数”。[问题]任给两个函数都可以复合吗？考虑下例；2()arcsin,[1,1],()2,yfuuuDugxxxER.就不能复合，结合上例可见，复合的前提条件是“内函数”的值域与“外函数”的定义域的交集不空（从而引出下面定义）。2．定义（复合函数）设有两个函数(),,(),yfuuDugxxE，记()ExfxDE，若E，则对每一个xE，通过g对应Ｄ内唯一一个值u，而u又通过f对应唯一一个值y，这就确定了一个定义在E上的函数，它以x为自变量，y因变量，记作(()),yfgxxE或()(),yfgxxE。简记为fg。称为函数f和g的复合函数，并称f为外函数，g为内函数，u为中间变量。3.例子例讨论函数(),[0,)yfuuu与函数2()1,ugxxxR能否进行复合，求复合函数。4说明１）复合函数可由多个函数相继复合而成。每次复合，都要验证能否进行？在哪个数集上进行？复合函数的最终定义域是什么？例如：2sin,,1yuuvvx，复合成：2sin1,[1,1]yxx.２）不仅要会复合，更要会分解。把一个函数分解成若干个简单函数，在分解时也要注意定义域的变化。①22log1,(0,1)log,,1.aayxxyuuzzx②22arcsin1arcsin,1.yxyuux③2sin222,,sin.xuyyuvvx五、反函数１引言在函数()yfx中把x叫做自变量，y叫做因变量。但需要指出的是，自变量与因变量的地位并不是绝对的，而是相对的，例如：2(),1,fuuut那么u对于f来讲是自变量，但对t来讲，u《数学分析》教案是因变量。习惯上说函数()yfx中x是自变量，y是因变量，是基于y随x的变化现时变化。但有时我们不公要研究y随x的变化状况，也要研究x随y的变化的状况。对此，我们引入反函数的概念。２反函数概念设函数(),yfxxD。满足：对于值域()fD中的每一个值y，Ｄ中有且只有一个值x，使得()fxy，则按此对应法则得到一个定义在()fD上的函数，称这个函数为f的反函数，记作1:(),(|)ffDDyx或1(),()xfyyfD.３注释a)并不是任何函数都有反函数，从映射的观点看，函数f有反函数，意味着f是Ｄ与()fD之间的一个一一映射，称1f为映射f的逆映射，它把()fDD；b)函数f与1f互为反函数，并有:1(()),,ffxxxD1(()),().ffxyyfDc)在反函数的表示1(),()xfyyfD中，是以y为自变量，x为因变量。若按习惯做法用x做为自变量的记号，y作为因变量的记号，则函数f的反函数1f可以改写为1(),()yfxxfD.应该注意，尽管这样做了，但它们的表示同一个函数，因为其定义域和对应法则相同，仅是所用变量的记号不同而已。但它们的图形在同一坐标系中画出时有所差别。六初等函数1.．基本初等函数（６类）常量函数yC（Ｃ为常数）；幂函数()yxR；指数函数(0,1)xyaaa；对数函数log(0,1)ayxaa；三角函数sin,cos,,cyxyxytgxytgx；反三角函数arcsin,arccos,,yxyxyarctgxyarcctgx。注：幂函数()yxR和指数函数(0,1)xyaaa都涉及乘幂，而在中学数学课程中只给了有理指数乘幂的定义。下面我们借助于确界来定义无理指数幂，便它与有理指数幂一起构成实指数乘幂，并保持有理批数幂的基本性质。定义２．给定实数0,1aa，设x为无理数，我们规定：《数学分析》教案sup|,1|,01rxrxraraaararx为有理数当时,inf为有理数当时.[问题]：这样的定义有意义否？更明确一点相应的“确界是否存在呢？”２．初等函数定义３．由基本初等函数经过在有限次四则运算与复合运算所得到的函数，统称为初等函数如：sin22112sincos,sin(),lg,||.xaeyxxyyoxyxxx不是初等函数的函数，称为非初等函数。如Dirichlet函数、Riemann函数、取整函数等都是非初等函数。注：初等函数是本课程研究的主要对象。为此，除对基本初等函数的图象与性质应熟练掌握外，还应常握确定初等函数的定义域。确定定义域时应注意两点。例２．求下列函数的定义域。（１）1xyx；（２）ln|sin|.yx［作业］P15３；４:（２）、（３）；５:（２）；７:（３）；１１