分類方法
高等數學將基本初等函式歸為五類: 冪函式、指數函式、對數函式、三角函式、反三角函式 。
數學分析將基本初等函式歸為六類: 冪函式、指數函式、對數函式、三角函式、反三角函式、常數函式 。
下面一一介紹這些函式。
冪函式
定義
一般地,形如y=x (α為有理數)的函式,即以底數為自變數,冪為因變數,指數為常數的函式稱為 冪函式。例如函式y=x 、y=x 、y=x 、y=x (註:y=x =1/x y=x 時x≠0)等都是 冪函式。一般形式如下 :
( α為常數,且可以是自然數、有理數,也可以是任意實數或複數。)
性質
冪函式的圖象一定會出現在第一象限內,一定不會出現在第四象限,至於是否出現在第二、三象限內,要看函式的奇偶性;冪函式的圖象最多只能同時出現在兩個象限內;如果冪函式圖象與坐標軸相交,則交點一定是原點。
冪函式取正值
當α>0時,冪函式y=x 有下列性質:
a、圖像都經過點(1,1)(0,0);
b、函式的圖像在區間[0,+∞)上是增函式;
c、在第一象限內,α>1時,導數值逐漸增大;α=1時,導數為常數;0<α<1時,導數值逐漸減小,趨近於0;
冪函式取負值
當α<0時,冪函式y=x 有下列性質:
a、圖像都通過點(1,1);
b、圖像在區間(0,+∞)上是減函式;(內容補充:若為X 易得到其為偶函式。利用對稱性,對稱軸是y軸,可得其圖像在區間(-∞,0)上單調遞增。其餘偶函式亦是如此)
c、在第一象限內,有兩條漸近線(即坐標軸),自變數趨近0,函式值趨近+∞,自變數趨近+∞,函式值趨近0。
冪函式取零
當α=0時,冪函式y=x 有下列性質:
y=x 的圖像是直線y=1去掉一點(0,1)。它的圖像不是直線 。
指數函式
定義
指數函式是數學中重要的函式。套用到值 e上的這個函式寫為exp( x)。還可以等價的寫為 e,這裡的 e是數學常數,就是自然對數的底數,近似等於 2.718281828,還稱為歐拉數。一般形式如下 :
(a>0, a≠1)
性質
當a>1時,指數函式對於 x的負數值非常平坦,對於 x的正數值迅速攀升,在 x等於0的時候,y等於1。當0<a<1時,指數函式對於 x的負數值迅速攀升,對於 x的正數值非常平坦,在 x等於0的時候,y等於1。在x處的切線的斜率等於此處y的值乘上lna。即由導數知識得:
作為實數變數 x的函式, 的圖像總是正的(在 x軸之上)並遞增(從左向右看)。它永不觸及 x軸,儘管它可以無限程度地靠近x軸(所以, x軸是這個圖像的水平漸近線。它的反函式是自然對數ln( x),它定義在所有正數 x上。
有時,尤其是在科學中,術語 指數函式更一般性的用於形如 (k屬於R) 的函式,這裡的 a 叫做“底數”,是不等於 1 的任何正實數。本文最初集中於帶有底數為歐拉數e 的指數函式。
指數函式的一般形式為 (a>0且≠1) (x∈R),從上面我們關於冪函式的討論就可以知道,要想使得x能夠取整個實數集合為定義域,則只有使得a>0且a≠1。
如圖所示為a的不同大小影響函式圖形的情況。
在函式中可以看到 :
(1) 指數函式的定義域為R,這裡的前提是a大於0且不等於1。對於a不大於0的情況,則必然使得函式的定義域不連續,因此我們不予考慮,同時a等於0函式無意義一般也不考慮。
(2) 指數函式的值域為 。
(3) 函式圖形都是上凹的。
(4) a>1時,則指數函式單調遞增;若0<a<1,則為單調遞減的。
(5) 可以看到一個顯然的規律,就是當a從0趨向於無窮大的過程中(不等於0)函式的曲線從分別接近於Y軸與X軸的正半軸的單調遞減函式的位置,趨向分別接近於Y軸的正半軸與X軸的負半軸的單調遞增函式的位置。其中水平直線y=1是從遞減到遞增的一個過渡位置。
(6) 函式總是在某一個方向上無限趨向於X軸,並且永不相交。
(7) 函式總是通過(0,1)這點,(若 ,則函式定過點(0,1+b))
(8) 指數函式無界。
(9)指數函式是非奇非偶函式
(10)指數函式具有反函式,其反函式是對數函式,它是一個多值函式 。
對數函式
定義
一般地,函式y=logx(a>0,且a≠1)叫做對數函式,也就是說以冪(真數)為自變數,指數為因變數,底數為常量的函式,叫對數函式。
其中x是自變數,函式的定義域是(0,+∞),即x>0。它實際上就是指數函式的反函式,可表示為x=a 。因此指數函 數里對於a的規定,同樣適用於對數函式。一般形式如下 :
(a>0, a≠1, x>0,特別當α=e時,記為y=ln x)
性質
定義域 求解:對數函式y=logx 的定義域是{x 丨x>0},但如果遇到對數型複合函式的定義域的求解,除了要注意大於0以外,還應注意底數大於0且不等於1,如求函式y=log(2x-1)的定義域,需同時滿足x>0且x≠1和2x-1>0 ,得到x>1/2且x≠1,即其定義域為 {x 丨x>1/2且x≠1}。
值域 :實數集R,顯然對數函式無界;
定點 :對數函式的函式圖像恆過定點(1,0);
單調性 :a>1時,在定義域上為單調增函式;0<a<1時,在定義域上為單調減函式;
奇偶性 :非奇非偶函式
周期性 :不是周期函式
零點:x=1
注意: 負數和0沒有對數。
兩句經典話: 底真同對數正,底真異對數負。解釋如下:
也就是說:若y=logb (其中a>0,a≠1,b>0)
當0<a<1, 0<b<1時,y=logb>0;
當a>1, b>1時,y=logb>0;
當0<a<1, b>1時,y=logb<0;
當a>1, 0<b<1時,y=logb<0 。
三角函式
三角函式是數學中常見的一類關於角度的函式。也就是說以角度為自變數,角度對應任意兩邊的比值為因變數的函式叫三角函式,三角函式將直角三角形的內角和它的兩個邊長度的比值相關聯,也可以等價地用與單位圓有關的各種線段的長度來定義。三角函式在研究三角形和圓等幾何形狀的性質時有重要作用,也是研究周期性現象的基礎數學工具。在數學分析中,三角函式也被定義為無窮級限或特定微分方程的解,允許它們的取值擴展到任意實數值,甚至是複數值。
常見的三角函式包括正弦函式、餘弦函式和正切函式。在航海學、測繪學、工程學等其他學科中,還會用到如餘切函式、正割函式、餘割函式、正矢函式、半正矢函式等其他的三角函式。不同的三角函式之間的關係可以通過幾何直觀或者計算得出,稱為三角恆等式。
三角函式一般用於計算三角形中未知長度的邊和未知的角度,在導航、工程學以及物理學方面都有廣泛的用途。另外,以三角函式為模版,可以定義一類相似的函式,叫做雙曲函式。常見的雙曲函式也被稱為雙曲正弦函式、雙曲餘弦函式等等。三角函式(也叫做圓函式)是角的函式;它們在研究三角形和建模周期現象和許多其他套用中是很重要的。三角函式通常定義為包含這個角的直角三角形的兩個邊的比率,也可以等價的定義為單位圓上的各種線段的長度。更現代的定義把它們表達為無窮級數或特定微分方程的解,允許它們擴展到任意正數和負數值,甚至是複數值。
常見三角函式主要有以下 6 種:
正弦函式 :y =sinx
餘弦函式 :y =cos x
正切函式 :y =tan x
餘切函式 :y =cot x
正割函式 :y =sec x
餘割函式 :y =csc x
此外,還有正矢、余矢等罕用的三角函式 。
反三角函式
反三角函式是一種基本初等函式。它是反正弦arcsin x,反餘弦arccos x,反正切arctan x,反餘切arccot x,反正割arcsec x,反餘割arccsc x這些函式的統稱,各自表示其反正弦、反餘弦、反正切、反餘切 ,反正割,反餘割為x的角。
它並不能狹義的理解為三角函式的反函式,是個多值函式。三角函式的反函式不是單值函式,因為它並不滿足一個自變數對應一個函式值的要求,其圖像與其原函式關於函式y=x對稱。歐拉提出反三角函式的概念,並且首先使用了“arc+函式名”的形式表示反三角函式。
主要有以下 6 個 :
反正弦函式:y = arcsin x
反餘弦函式:y = arccos x
反正切函式:y = arctan x
反餘切函式:y = arccot x
反正割函式:y = arcsec x
反餘割函式:y = arccsc x
常數函式
定義
在數學中, 常數函式(也稱常值函式)是指值不發生改變(即是常數)的函式。例如,我們有函式 f(x)=4,因為 f映射任意的值到4,因此 f是一個常數。更一般地,對一個函式 f: A→B,如果對 A內所有的 x和 y,都有 f(x)=f(y),那么, f是一個常數函式。
請注意,每一個空函式(定義域為空集的函式)無意義地滿足上述定義,因為 A中沒有 x和 y使 f(x)和 f(y)不同。然而有些人認為,如果包括空函式的話,那么常數函式將更容易定義。
對於多項式函式,一個非零常數函式稱為一個零次多項式。下列為一般形式 :
y=C (C是常數)
性質
常數函式可以通過與複合函式的關係,從兩個途徑進行描述。
下面這些是等價的:
f: A→B是一個常數函式。 對所有函式 g, h: C→A, fog=foh(“o”表示複合函式)。 f與其他任何函式的複合仍是一個常數函式。 上面所給的常數函式的第一個描述,是範疇論中常數態射更多一般概念的激發和定義的性質。
根據定義,一個函式的導函式度量自變數的變化與函式變化的關係。那么我們可以得到,由於常數函式的值是不變的,它的導函式是零。例如:
如果 f是一個定義在某一區間、變數為實數的實數函式,那么若且唯若 f的導函式恆為零時, f是常數。 對預序集合間的函式,常數函式是保序和倒序的;相反的,如果 f既是保序的也是倒序的,如 f的定義域是一個格,那么 f一定是一個常數函式。
常數函式的其他性質包括:
任一定義域和陪域相同的常數函式是等冪的。 任一拓撲空間上的常數是連續的。 在一個連通集合中,若且唯若 f是常數時,它是局部常數 。