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第6章 函数和数列(2)

B,则映射f:A→B既是从A到B的满射,又是从A到B的单射,从而构成了从A到B上的一一映射。

综上所述,可以得到以下关系:

{单射}{映射},{满射}{映射},{单射}∩{满射}={一一映射}。

构成互为逆映射的两个法则,恰好构成“互为逆运算”,并且具有“还原性”,即f—1[f(x)]=x。

【反函数】

如果确定函数的映射f:A→B是由A到B上的一一映射,那么它的逆映射f—1:B→A确定的函数就是函数y=f(x)的反函数,记作y=f—1(x)(其中x∈B,y∈A)。可见函数的定义域和值域,恰好分别是它的反函数的值域和定义域。

(1)不是所有的函数都有反函数,当且仅当函数y=f(x)是从定义域到值域上的一一映射时,才有反函数,并且反函数是唯一的。

(2)求一个函数的反函数的方法是由函数y=f(x),解出x(用y表示),然后将字母x换成y,y换成x即得到。

(3)函数与反函数的图象,关于直线y=x成轴对称图形。

【增函数和减函数】

对于给定区间上的函数f(x),如果对于属于这个区间的任意两个自变量的值x1,x2,当x1<x2时,都有f(x1)<f(x2),那么就说f(x)在这个区间上是增函数;如果对于属于这个区间的任意两个自变量的值x1,x2,当x1<x2时,都有f(x1)>f(x2),那么就说f(x)在这个区间上是减函数。

【单调函数】

如果函数y=f(x)在某个区间(a,b)上是增函数或减函数,就称该函数是区间(a,b)上的(严格)单调函数,或称该函数在此区间(a、b)上具有(严格的)单调性。

【函数的单调区间】

函数y=f(x)在某区间上是增(或减)函数,则称该区间为函数的单调增(或减)区间。

(1)函数的单调性是对某个区间而言,对于单独一点不存在单调性问题,我们研究的初等函数的图象在定义区间上是连续的(图象无间断点),因此只要函数在该区间的端点处有定义,那么在开区间上的单调函数,在相应的闭区间上也必是单调函数。所以单调区间包括不包括区间的端点都可以。

(2)不能把一个单调区间分成为两个单调区间,例如:函数y=x(x≤0)2x(x>0),

其单调区间为(—∞,+∞),不应分成(—∞,0)和(0,+∞)

(3)也不能把本来不是一个单调区间,合写成一个单调区间。例如函数y=12,其单调减区间只能分别是(-∞,0)及(0,+∞),而不能写成(-∞,+∞)(x=0不在定义域内),也不能写成(-∞,0)∪(0,+∞)。

【奇函数和偶函数】

如果对于函数f(x)的定义域内的任意一个x值,都有f(-x)=-f(x)。那么就称f(x)为奇函数。

如果对于函数f(x)的定义域内的任意一个x值,都有f(-x)=f(x),那么就称f(x)为偶函数。

说明:(1)由奇函数、偶函数的定义可知,只有当f(x)的定义域是关于原点成对称的若干区间时,才有可能是奇函数或偶函数,否则一定是非奇非偶函数,例如函数y=x、y=1x—1,显然不是奇函数,也不是偶函数。

(2)判断是不是奇函数或偶函数,不能轻率从事,例如判断f(x)=12x—1+12的奇偶性,推算f(—x)=12—x—1+12=2x1—2x+122x+1—2x2(1—2x)=2x+12(1—2x)=—2x+12(2x—1)=—(12x—1+12)=—f(x)

是不易的。为了便于判断有时可采取如下办法:计算f(x)+f(-x),视其结果而说明是否是奇函数。用这个方法判断此函数较为方便:

f(x)+f(—x)=12x—1+12+12—x—1+12=1+2—x—1+2x—1(2x—1)(2—x—1)

=1—2x—2—x+1+2—x—1+2x—1(2x—1)(2—x—1)=0f(x)为奇函数。

(3)判断函数的奇偶性时,还应注意是否对定义域内的任何x值,

都有f(—x)=f(x)或f(—x)=—f(x)。例如f(x)=1(x≥0)—1(x<0),

当x≠0时,显然有f(-x)=-f(x),但当x=0时,f(-x)=f(x)=1,f(x)为非奇非偶函数。

(4)奇函数的图象特征是关于坐标原点为对称的中心对称图形;偶函数的图象特征是关于y轴为对称轴的对称图形。

(5)函数的单调性与奇偶性综合应用时,尤其要注意由它们的定义进行论证。

【周期函数】

对于函数f(x)定义域内任意x值,都存在一个非零常数T,使得f(x+T)=f(x)恒成立,就称f(x)为周期函数,其非零常数T叫做该函数的周期。

说明:(1)周期函数的定义域应该是无限的(至少在正方向或负方向上是无限的),这一点由x,x+T均属于定义域可知。

(2)周期函数的周期必然有无穷多个,事实上,若T为函数f(x)的周期,则nT(n∈N)也一定是f(x)的周期。

(3)如果周期函数的周期中,存在一个最小的正数周期,则称此周期为最小正周期。不是所有的周期函数都有最小正周期。例如常函数f(x)=c(c为常数),任何正数都是它的周期,但却不存在最小正周期。

【函数的初等性质】

函数的定义域、值域、单调性、奇偶性以及周期性,统称函数的初等性质。

【函数的图象】

所有坐标为(x,f(x))的点的集合构成函数的图象:{(x,y)|y=f(x)x∈A)},其中A为函数f(x)的定义域。

描绘函数图象的一般方法为描点法;还可以利用函数的图象变换法。

【函数图象变换法】

f(x+c)的图象是由f(x)的图象沿x轴方向平移c个单位得到,当c>0,向左平移,c<0时向右平移;类似地f(x)+m的图象是将f(x)的图象沿y轴方向平移m个单位得到,m>0时向上平移,m<0时向下平移。

【指数函数】

函数y=ax(其中a>0,a≠1)叫做指数函数。

(1)指数函数是五种基本初等函数之一。

(2)指数函数的基本性质如下:

(1)定义域为实数集R。

(2)值域为正实数集R+。

(3)当a>1时,y=ax在定义域R上为单调增函数,当0<a<1时,y=ax在定义域R上为单调减函数。

(4)不论a>1还是0<a<1,函数y=ax的图象都经过点(0,1),

(1,a)和(—1,1a);此三点称为指数函数图象上的三个特殊点,在作指数函数图象时,起着重要的作用。

(5)x轴是指数函数y=ax的渐近线。

(6)指数函数y=ax(a>0,a≠1)与对数函数y=logax(a<0,a≠1)互为反函数,它们的图象关于直线y=x成对称图形。

(7)指数函数的图象,当a>1时,a越大,图象越靠近y轴;a越小,越远离y轴;当0<a<1时,a越大图象越远离y轴,a越小,越靠近y轴。点(1,0)为它的聚汇点及交叉点。

【对数函数】

函数y=logax(a>0,a≠1)叫做对数函数。

(1)对数函数是五种基本初等函数之一。

(2)对数函数的基本性质如下:

(1)定义域为正实数集R+。

(2)值域为实数集R。

(3)当a>1时,y=logax是定义域R+上的单调增函数,当0<a<1时,y=logax在定义域R+上是单调减函数。

(4)不论a>1还是0<a<1,函数y=logax的图象都经过(1,0)、

(a,1)和(1a,—1)三个点,这是对数函数图象上的三个特殊点,

在作函数图象时,起着重要作用。

(5)y轴是对数函数y=logax的渐近线。

(6)对数函数y=logax(a>0,a≠1)与指数函数y=ax(a>0,a≠0)互为反函数,它们的图象关于直线y=x成轴对称图形。

(7)对数函数的图象,当a>1时,a越大,则图象越靠近x轴;a越小,图象越远离x轴;当0<a<1时,a越大,图象越远离x轴;a越小,图象就越靠近x轴。(1,0)点为它们的聚汇和交叉点。

【有理函数】

函数式为自变量x的有理式,即(x的两个多项式的商)称为有理函数。如y=12x3—3x2—15即为有理整数函数,y=x2—x—13x—5即为有理分函数,统称有理函数。

【复合函数】

若函数u=φ(x),其定义域为M,函数的值域为N,又有函数y=f(u),它的定义域是N,这样y就通过变量u构成了x的函数,记作y=f[φ(x)],则称y为x的复合函数,u叫做中间变量或中间函数。

【基本初等函数】

幂函数、指数函数、对数函数、三角函数及反三角函数,称为五种基本初等函数,统称为“基本初等函数”。

【初等函数】

由基本初等函数经过有限次有理运算或复合,所得到的函数,统称为“初等函数”。

【数列】

按一定规律排列着一列数,叫做数列。数列中的每一个数,叫做数列的项,第一个数就是第一项,第n个数就是第n项。数列也可视为定义域为自然数集N(或它的有限真子集{1,2,……,n})上的函数f(x)。当自变量从1开始依次取自然数时,相对应的函数值:f(1),f(2),……,f(n),……,即数列是一种特殊的函数。

【数列的表示法】

列表法,即将数列各项一一列出来:a1,a2,a3,……,an,……;解析法,即写出数列的通项公式an=f(n);图象法,平面直角坐标系内,横坐标取自然数及与其对应的纵坐标所组成的点列便构成一个数列。

【数列的通项公式】

如果一个数列的第n项an与项数n之间的函数关系可以用一个公式an=f(n)来表示时,我们把这个公式叫做这个数列的通项公式。例如,自然数的平方组成的数列,其通项公式an=n2。自然数的倒数组成的数列,其通项公式为an=1n。不是任何一个数列都有通项公式,例如,2的分别精确到1,01,001,0001,……的不足(或过剩)近似值,只能用列表法把它们表示出来:1,14,141,1414,14142,……,但不存在通项公式;一个数列如果有通项公式,也未必只有一个通项公式。例如,数列1,0,1,0,1,0,……奇数项均为1,偶数项均为0,其通项公式可以是an=sinnπ2,也可以写成an=1+(—1)n—12等。

【有穷数列】

如果在某一项的后面不再有任何项,这个数列叫做有穷数列(即项数有限)。

【无穷数列】

如果在任何一项的后面都有跟随着的项,这个数列叫做无穷数列(即项数无限)。

【递增数列】

一个数列,如果从第二项起,第一项都大于它前面的一项(an+1≥an),这样的数列叫做递增数列。

【递减数列】

一个数列,如果从第二项起,每一项都小于它前面的一项(即an+1≤an),这样的数列叫做递减数列。

【单调数列】

递增数列和递减数列统称为单调数列。

【摆动数列】

一个数列,如果从第二项起,有些项大于它的前一项,有些项小于它的前一项,这样的数列叫做摆动数列。

【常数列】

一个数列,如果它的每一项都相等,这个数列叫做常数列。

【有界数列】

存在一个正数M,对于数列中任何一项an,都有an<M,则称此数列为有界数列。

【无界数列】

一个数列,对于任意一个正数M,数列中总存在一个aN,使得aN>M,则称这个数列为无界数列。

说明:(1)有穷数列和无穷数列,递增数列和递减数列,单调摆动数列和摆动数列,有界数列和无界数列等是从不同的角度对数列进行分类的方法。考察一个数列的类型,也应从几个角度分别予以考虑。例如自然数列1,2,3,……,n,……是无穷、递增、无界数列。

数列1,12,122,……,12n—1,……是无穷、递减、有界数列,数列1,—12,13,—14,……,(—1)n—1,1n,……是无穷、摆动,有界数列。

(2)公差为0的等差数列和公比为1的等比数列均为常数列;然而非零常数列既是等差数列又是等比数列,零数列是等差数列但不是等比数列。

【数列前n项的和】

指的是a1+a2+……+an,并记作Sn,即Sn=a1+a2+……+an。

【数列的前n项和与通项公式的关系】

数列前n项之和Sn=a1+a2+……+an。当n≥2时an=Sn-Sn-1,当n=1,S1=a1。

【等差数列】

一个数列,从第二项起每一项减去它前一项所得的差都等于某一个常数,这个数列叫做等差数列。这个常数叫做这个等差数列的公差。

【等差数列的通项公式】

an=a1+(n-1)d。其中a1,d分别是第一项和公差,n为项数。通项公式的得出,可以根据等差数列的定义,归纳出来,并用数学归纳法给予证明,它对任何自然数n都成立。

【等差数列的公差的求法】

(1)由等差数列的定义可知,d=an+1—an,(n∈N);(2)由通项公式可知,d=an—a1n—1,(n≠1),或d=an—amn—m(n≠m)。

【等差中项】

如果三个数x、A、y成等差数列,那么A叫做x和y的等差中项,

且A=x+y2,x和y的等差中项也称做x和y的算术平均数。

【等差数列的基本性质】

设{an}是等差数列,则(1)有穷等差数列,距首、末两项距离等远的两项之和均相等,且都等于首末两项之和,即a2+an-1=a3+an-2=a4+an-3=……=a1+an;

(2)若m+n=k+1,其中m,n,k,1均为自然数,则必有am+an=ak+a1;

(3)等差数列中,其项数成等差的项构成的一个子数列仍是等差数列;

(4)若数列{an}和{bn}均为等差数列,则对任意实数L和K,数列{L·an+K·bn}仍是等差数列。

【等差数列前n项的和】

等差数列前n项和的公式:Sn=n(a1+a2)2或Sn=na1+n(n—1)2d。

所有等差数列的前n项和,都有最大值或最小值。当公差d>0时,前n项和有最小值(当a1>0时,其最小值为S1);当d<0时,前n项和有最大值(当a1<0时,其最大值为S1)。

【等比数列】

一个数列,从第二项起,每一项与其前一项的比都等于一个常数,这个数列叫做等比数列,这个常数叫做这个等比数列的公比。

显然,等比数列的各项都不能是零。

【等比数列的通项式】

an=a1qn-1,其中a1是首项,q是公比,n为项数。

【等比数列公比的求法】

(1)由等比数列的定义可知q=an+1an,(n∈N);

(2)由通项公式可知,q=n—1ana1(n≠1)或q=n—manam(m≠n)。

【一般数列的求和方法】

(1)直接求和法,如等差数列和等比数列均可直接求和;

(2)部分求和法将一个数列分成两个可直接求和的数列,而后可求出数列的前n项的和;

(3)并项求和法将数列某些项先合并,合并后可形成直接求和的数列;

(4)裂项求和法将数列各项分裂成两项,然后求和;

(5)“q倍减”求和法。若数列{an}为等差数列,{bn}为等比数列,则求数列{anbn}的前n项的和均可以采用此方法;

(6)无穷递缩等比数列各项的和,S=a11—q,其中a1是首项,q是公比,且q<1。

【数列的递推式】

表示数列相邻几项的关系式叫递推式,一个数列可以由其通项公式来确定,也可以由数列的初始条件及递推式来确定。例如,已知a1=3,an+1=2an+1(n∈N)则这个数列就是3,7,15,31,……,2n+1—1,………,又如a1=1,a2=1,an+2=an+1+an(n∈N)则这个数列就是1,1,2,3,5,8,………即菲波那契数列。

【演绎法】

如果一般的命题是已经证明了的,或者是未经证明而作为真理用的,那么以这个一般命题推出的每一个特殊命题也就是正确的。象这样由一般到特殊的推理方法,通常称为演绎推理或者演绎法。

【归纳法】

先考察一些特殊的事例,然后分析它们共同具有的特征,作出一般的结论。象这样由特殊到一般的推理方法通常称为归纳推理,或者归纳法。

【不完全归纳法】

可能导致错误结论的归纳法,叫做不完全归纳法。

【完全归纳法】

作为结论依据的观察,如果包含了规律所涉及的一切现象,这种归纳法叫做完全归纳法。由完全归纳所得出的结论是可靠的。

【数学归纳法】

数学归纳法是完全归纳法,是一种归纳——演绎的推理方法。

数学归纳法的理论依据是“自然数归纳原理”:

设A(n)表示关于自然数n的一命题,如果满足条件:(i)A(1)正确;(ii)假设A(k)成立,推断A(k+1)也成立、那么A(n)对一切自然数n都成立。

其中第(i)是验证,它是证明的基础;第(ii)是以假设A(k)成立,通过演绎推理,推证出A(k+1)也正确。

【极限】

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