函数公式网 反三角函数 基本数学概念:映射、函数

基本数学概念:映射、函数

制图

地图其实是一个很直观的概念,比如:人在太阳下地面的投影,摄影,三角形的外接圆,y = x², y’ = (d/dx)y 等等。

在数学上,映射由三部分组成:原始图像空间(集合)X、图像空间(集合)Y、规则f。 表示为:

f:X→Y

其含义是X中的任意一个元素x(或原始图像)按照规则f在Y中只有一个元素y(或图像)与之对应。 这里有两个重点,1)“Any element x in X”,意思是X中的任意元素都适用于规则f,即X是规则f的定义域(记为Df,显然Df = X ); 2)“Y中有一个唯一元素按照规则f与之对应”,意思是原像x对应的图像是唯一的,即所谓的唯一性。

虽然规则f的定义域是原始图像空间X,但通过规则f映射到图像空间Y中所有元素的集合(称为 值域,表示为 Rf) 本身,通常是 Y 的子集(即 Rf⊆Y)。 另外,不同的原像x也可以通过规则f映射到同一图像y,即按照规则f对应图像y的原像不要求唯一性。

如果图像y对应的原像x是唯一的(即如果原像x1和x2的图像具有相同的y,则x1 = x2),这种映射称为单射的。 如果映射的范围 Rf 等于图像空间 Y(即 Rf = Y),那么这种映射称为满射。 如果两者都为真(即单射和满射),则映射称为双射(或一一对应)。

对于单射性,由于值域 Rf (Rf⊆Y) 中的每个图像 y 在原像空间 X 中都有一个唯一的原像 x 与之对应,显然可以构造一个映射,表示为 :

f⁻¹:Rf→X

这个映射称为映射 f:X→Y 的逆映射。 显然,这个逆映射的定义域是Rf,取值范围是X(即满射)。 另外,从原图图像的唯一性可以看出,逆映射一定是单射的,所以f⁻¹:Rf→X是双射。

注入是逆映射存在的充要条件。

若有两个映射

f:X→Y

g:Y→Z

且满足Rf⊆Y(或 Rf⊆Dg),则可以构造一个映射g•f,表示为

g•f:X→Z

其含义是X中的任意元素x首先跟随 规则 f 映射到 Y 中的元素 y,然后根据规则 g 将 y 映射到 Z 中的元素 z(通过 Rf⊆Dg 确保 y ∈ Dg)。 映射 g•f:X→Z 称为映射 f:X→Y 和 g:Y→Z 的复合映射。

函数

y = f(x) = sin(x)

z = g(y) = √y

显然 ,这是一个复合函数 (√sin(x))。 由于Dg = {y|y≥0},必然有Rf = Dg ∩ {y|-1≤y≤1} = {y|0≤y≤1}。 可见,复合函数z = g•f(x) = √sin(x)的定义域为Dgf ={x|2kπ≤x≤(2k 1)π,k∈N} = X。可 表示为

g•f:X→R

其中R为实数域,g•f的取值范围为Rgf = {z|0≤z ≤1}⊂R。

三、函数

y = f(x) = x² (x≥0)

这个函数可以表示为

f :X→R

其中 X = Df = {x|x≥0},且 Rf = {y|y≥0}⊂R。 一般来说,有x = ±√y,但由于x≥0的域限制,显然这个映射是单射的,所以有逆映射

f⁻¹:Rf→ X

也就是有一个反函数

x = √y

其实从映射的角度来说,函数并不是一个新的东西 ,它只是实数域上的映射。 可以表示为

f:X→R

其中X⊂R。

由于函数是实数域上的映射,实数域的特殊性质会在对应的映射中体现出来,如实数的线性阶数、连续性、四次算术运算等。 函数映射的特殊性质是:

1)函数有界性

由于实数域具有线性序,函数值可以比较。 如果函数的值小于常数 M 或大于常数 m,则称函数具有上限 M 或下限 m。

2) 函数的单调性

如果对于任意x1>存在f(x1)≥f(x2)(或f(x1)≤f(x2))关系 x2,则称函数f(x)单调递增(或单调递减)。 如果等号不为真,则它严格单调递增(或严格单调递减)。

3)函数的奇偶性

如果存在f(x) = f(-x)的关系,那么这个函数是偶对称的; 如果存在关系 f(x) = -f(-x),则函数是奇对称的。

4) 函数的周期性

如果存在实常数T使得f(x) = f(x T),则函数f(x)称为a 周期函数

既然严格单调函数一定是单射的(存在逆映射),那么严格单调函数必然存在对应的逆函数。 请注意,严格单调性是反函数存在的充分条件,但不是必需的。

复合函数类似于函数中复合映射的概念。 复合映射中的所有属性都存在于复合函数中。

下面给出三个基本的初等函数,从中可以通过反函数、复合函数和有限四次算术运算得到所有的初等函数。

1) 幂函数

y = x^μ

其中μ为实常数。 当μ=0时,y=1,为常数函数。

2) 指数函数

y = e^x

由于指数函数是严格单调的,它有一个反函数,表是

y = ln(x)

因此,一般的指数函数可以表示为

y = a^x = e^(ln(a)x)

其中a是大于零的实数。

3) 三角函数

y = sin(x)

这里只需要给出正弦函数,其他三角函数可以将正弦函数传有限次 合成和四次运算得到。 由于三角函数是周期函数,显然不是单射的,所以不存在一般意义上的反函数。 如果将三角函数的定义域Df(即X)限定在一个特定的周期内,就可以得到相应的严格单调函数,从而可以定义特定周期内的三角函数的反函数,而这个特定 周期称为对应的反三角函数的主值范围。

对于初等函数,虽然其自变量的取值范围X(以及定义域Df)没有像映射那样特别给出,但是每个初等函数都有自己要求的自变量取值范围,以保证 函数在实数域是有意义的,这个范围称为初等函数的自然域。

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