反函數(shù) - 數(shù)學(xué)函數(shù)
一般來說,設(shè)函數(shù)y=f - x - x∈A的值域是C,若找得到一個函數(shù)g - y在每一處g - y都等于x,這樣的函數(shù)x=g - y - y∈C叫做函數(shù)y=f - x - x∈A的反函數(shù),記作x=f-1 - y。反函數(shù)x=f-1 - y的定義域、值域分別是函數(shù)y=f - x的值域、定義域。最具有代表性的反函數(shù)就是對數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù)。
一般地,如果x與y關(guān)于某種對應(yīng)關(guān)系f - x相對應(yīng),y=f - x,則y=f - x的反函數(shù)為x=f-1 - y。存在反函數(shù)(默認為單值函數(shù))的條件是原函數(shù)必須是一一對應(yīng)的(不一定是整個數(shù)域內(nèi)的)。注意:上標"?1"指的是函數(shù)冪,但不是指數(shù)冪。

定義
設(shè)函數(shù)y=f - x的定義域是D,值域是f - D。如果對于值域f - D中的每一個y,在D中有且只有一個x使得g - y=x,則按此對應(yīng)法則得到了一個定義在f - D上的函數(shù),并把該函數(shù)稱為函數(shù)y=f - x的反函數(shù),記為
由該定義可以很快得出函數(shù)f的定義域D和值域f - D恰好就是反函數(shù)f-1的值域和定義域,并且f-1的反函數(shù)就是f,也就是說,函數(shù)f和f-1互為反函數(shù),即:
反函數(shù)與原函數(shù)的復(fù)合函數(shù)等于x,即:
習(xí)慣上我們用x來表示自變量,用y來表示因變量,于是函數(shù)y=f - x的反函數(shù)通常寫成。
例如,函數(shù)的反函數(shù)是。
相對于反函數(shù)y=f-1 - x來說,原來的函數(shù)y=f - x稱為直接函數(shù)。反函數(shù)和直接函數(shù)的圖象關(guān)于直線y=x對稱。這是因為,如果設(shè) - a,b是y=f - x的圖象上任意一點,即b=f - a。根據(jù)反函數(shù)的定義,有a=f-1 - b,即點 - b,a在反函數(shù)y=f-1 - x的圖象上。而點 - a,b和 - b,a關(guān)于直線y=x對稱,由 - a,b的任意性可知f和f-1關(guān)于y=x對稱。
于是我們可以知道,如果兩個函數(shù)的圖象關(guān)于y=x對稱,那么這兩個函數(shù)互為反函數(shù)。這也可以看做是反函數(shù)的一個幾何定義。
在微積分里,f - n - x是用來指f的n次微分的。
若一函數(shù)有反函數(shù),此函數(shù)便稱為可逆的(invertible)。
存在性
概述
一函數(shù)f若要是一明確的反函數(shù),它必須是一雙射函數(shù),即:
1.(單射)陪域上的每一元素都必須只被f映射到一次:不然其反函數(shù)必將元素映射到超過一個的值上去。
2.(滿射)陪域上的每一元素都必須被f映射到:不然將沒有辦法對某些元素定義f的反函數(shù)。
若f為一實變函數(shù),則若f有一明確反函數(shù),它必通過水平線測試,即一放在f圖上的水平線必對所有實數(shù)k,通過且只通過一次。
反函數(shù)存在定理
定理:嚴格單調(diào)函數(shù)必定有嚴格單調(diào)的反函數(shù),并且二者單調(diào)性相同。
在證明這個定理之前先介紹函數(shù)的嚴格單調(diào)性。
設(shè)y=f - x的定義域為D,值域為f - D。如果對D中任意兩點x1和x2,當(dāng)x1<x2時,有y1<y2,則稱y=f - x在D上嚴格單調(diào)遞增;當(dāng)x1<x2時,有y1>y2,則稱y=f - x在D上嚴格單調(diào)遞減。
證明:設(shè)f在D上嚴格單增,對任一y∈f - D,有x∈D使f - x=y。
而由于f的嚴格單增性,對D中任一x'<x,都有y'<y;任一x''>x,都有y''>y??傊苁筬 - x=y的x只有一個,根據(jù)反函數(shù)的定義,f存在反函數(shù)f-1。
任取f - D中的兩點y1和y2,設(shè)y1<y2。因為f存在反函數(shù)f-1,所以有x1=f-1 - y1,x2=f-1 - y2,且x1、x2∈D。
若此時x1≥x2,根據(jù)f的嚴格單增性,有y1≥y2,這和我們假設(shè)的y1<y2矛盾。
因此x1<x2,即當(dāng)y1<y2時,有f-1 - y1<f-1 - y2。這就證明了反函數(shù)f-1也是嚴格單增的。
如果f在D上嚴格單減,證明類似。
性質(zhì)
(1)函數(shù)存在反函數(shù)的充要條件是,函數(shù)的定義域與值域是一一映射;
(2)一個函數(shù)與它的反函數(shù)在相應(yīng)區(qū)間上單調(diào)性一致;
(3)大部分偶函數(shù)不存在反函數(shù)(當(dāng)函數(shù)y=f - x,定義域是{0}且f - x=C(其中C是常數(shù)),則函數(shù)f - x是偶函數(shù)且有反函數(shù),其反函數(shù)的定義域是{C},值域為{0})。奇函數(shù)不一定存在反函數(shù),被與y軸垂直的直線截時能過2個及以上點即沒有反函數(shù)。若一個奇函數(shù)存在反函數(shù),則它的反函數(shù)也是奇函數(shù)。
(4)一段連續(xù)的函數(shù)的單調(diào)性在對應(yīng)區(qū)間內(nèi)具有一致性;
(5)嚴增(減)的函數(shù)一定有嚴格增(減)的反函數(shù);
(6)反函數(shù)是相互的且具有唯一性;
(7)定義域、值域相反對應(yīng)法則互逆(三反);
(8)反函數(shù)的導(dǎo)數(shù)關(guān)系:如果x=f - y在開區(qū)間I上嚴格單調(diào),可導(dǎo),且f' - y≠0,那么它的反函數(shù)y=f-1 - x在區(qū)間S={x|x=f - y,y∈I}內(nèi)也可導(dǎo),且:
(9)y=x的反函數(shù)是它本身。
反函數(shù)的符號
反函數(shù)的符號記為f-1 - x,在中國的教材里,反三角函數(shù)記為arcsin、arccos等等,但是在歐美一些國家,sinx的反函數(shù)記為sin-1 - x。
x-1表示1/x,那么f-1 - x與這是否有些關(guān)系呢?下面舉幾個例子來說明這點。當(dāng)然,f-1 - x肯定和1/f - x不等,但是確實有與之很相近的性質(zhì)。
反函數(shù)的反函數(shù)
為了好看以及對比,我有時會把f - x寫成f對比,我把我想各位應(yīng)該很好理解,反函數(shù)的反函數(shù)當(dāng)然就是原函數(shù),寫成數(shù)學(xué)語言就是 - f-1-1=f。看看,這是不是有點像指數(shù)的運算法則:1/x-1=x呢?
反函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)
如果函數(shù)x=f - y在區(qū)間Iy內(nèi)單調(diào)、可導(dǎo)且f' - y不等于零,則它的反函數(shù)y=f-1 - x在區(qū)間內(nèi)也可導(dǎo),且或。
用自然語言來說就是,反函數(shù)的導(dǎo)數(shù),等于直接函數(shù)導(dǎo)數(shù)的倒數(shù)。這話有點繞,不過應(yīng)該能讀懂,這個似乎就進一步揭示了反函數(shù)符號的意義。
在這里要說明的是,y=f - x的反函數(shù)應(yīng)該是x=f-1 - y。只不過在通常的情況下,我們將x寫作y,y寫作x,以符合習(xí)慣。所以,雖然反函數(shù)和直接函數(shù)不互為倒數(shù),但是各自導(dǎo)函數(shù)求出后,二者卻是互為倒數(shù)。
反函數(shù)的復(fù)合函數(shù)
這個內(nèi)容屬于高等數(shù)學(xué)的內(nèi)容了。大伙想想函數(shù)里面最簡單最基本的函數(shù)是什么函數(shù)?不用說,肯定就是我們的恒等函數(shù)y=x,這就和我們數(shù)字里面的1一般地位,所以,我們記恒等函數(shù)為“1x”。
數(shù)字的基本運算就是加減乘除,而函數(shù)也有運算,雖然也有加減乘除,但是屬于函數(shù)自己的,就是復(fù)合與反函數(shù)。我們知道在實數(shù)里,x與1/x的乘積等于1,在函數(shù)的復(fù)合運算里,也有類似的性質(zhì),函數(shù)f和g的復(fù)合記為f○g,那么下面的性質(zhì)成立:f-1○f=1x;1x○f=f○1x=f。
這第一個式子已經(jīng)說明很多問題。實際上,這些都是屬于高等代數(shù)的內(nèi)容,在每一個封閉的系統(tǒng)里,都有一個“單位1”,都有自己的運算法則,函數(shù)里的就是1x,實數(shù)里的就是數(shù)字1等等。要深刻理解這些,也只有大家接觸群論以后才會深入理解。這里也只是做點皮毛而已。我將在后面另起一文,介紹函數(shù)的“冪”的概念,就如同數(shù)的冪一樣。
說明
(1)在函數(shù)x=f-1 - y中,y是自變量,x是因變量,但習(xí)慣上,我們一般用x表示自變量,用y表示因變量,為此我們常常對調(diào)函數(shù)x=f-1 - y中的字母x、y,把它改寫成y=f-1 - x,今后凡無特別說明,函數(shù)y=f - x的反函數(shù)都采用這種經(jīng)過改寫的形式。
⑵反函數(shù)也是函數(shù),因為它符合函數(shù)的定義.從反函數(shù)的定義可知,對于任意一個函數(shù)y=f - x來說,不一定有反函數(shù),若函數(shù)y=f - x有反函數(shù)y=f-1 - x,那么函數(shù)y=f-1 - x的反函數(shù)就是y=f - x,這就是說,函數(shù)y=f - x與y=f-1 - x互為反函數(shù)。
⑶互為反函數(shù)的兩個函數(shù)在各自定義域內(nèi)有相同的單調(diào)性。單調(diào)函數(shù)一定有反函數(shù),如二次函數(shù)在R內(nèi)不是反函數(shù),但在其單調(diào)增(減)的定義域內(nèi),可以求反函數(shù);另外,反比例函數(shù)等函數(shù)不單調(diào),也可求反函數(shù)。
⑷從映射的定義可知,函數(shù)y=f - x是定義域A到值域C的映射,而它的反函數(shù)y=f-1 - x是集合C到集合A的映射,因此,函數(shù)y=f - x的定義域正好是它的反函數(shù)y=f-1 - x的值域;函數(shù)y=f - x的值域正好是它的反函數(shù)y=f-1 - x的定義域(如下表):
函數(shù):y=f - x;
反函數(shù):y=f-1 - x;
定義域:A,C;
值域:C,A;
- 5上述定義用“逆”映射概念可敘述為:
若確定函數(shù)y=f - x的映射f是函數(shù)的定義域到值域上的“一一映射”,那么由f的“逆”映射f-1所確定的函數(shù)y=f-1 - x就叫做函數(shù)y=f - x的反函數(shù).反函數(shù)y=f-1 - x的定義域、值域分別對應(yīng)原函數(shù)y=f - x的值域、定義域.。開始的兩個例子:s=vt記為f - t=vt,則它的反函數(shù)就可以寫為f-1 - s=s/v,同樣y=2x+6記為f - x=2x+6,則它的反函數(shù)為:f-1 - x=x/2-3.
有時是反函數(shù)需要進行分類討論,如:f - x=x+1/x,需將x進行分類討論:在x大于0時的情況,x小于0的情況,多是要注意的。
一般分數(shù)函數(shù)y= - ax+b/ - cx+d(其中ad≠bc)的反函數(shù)可以表示為y= - b-dx/ - cx-a,這可以通過簡單的四則運算來證明。
