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[高中數(shù)學] 函數(shù)單調(diào)性與值域 (Ⅰ)

2021-11-30 17:24 作者:momonaの男友  | 我要投稿

我們知道函數(shù)最重要的幾個性質(zhì)有:定義域、值域、單調(diào)性。這三者是不可分割的!

今天我們就簡單來談談這三者。


首先,對于一個函數(shù),我們最能直觀得到的是:

①自變量? ②作用法則? ③因變量? ④定義域

這里我們就能知道函數(shù)定義域(注,一般若無特殊說明,函數(shù)定義域默認為最大情況,如函數(shù)y=%5Csqrt%7Bx%7D%20,定義域則為[0,+∞)),而我們就只需要從這4個量里面得到單調(diào)性與值域。

那么在此基礎上,我們要如何得到值域呢?

值域,是什么?對于函數(shù):f%3Ax%5Crightarrow%20y,也便是對于所有的x,通過作用法則f,得到全部的對應的y。但是事實上,我們接觸到的絕大多數(shù)函數(shù),一般的函數(shù)都會是連續(xù)的,或者極大部分連續(xù),那么求值域問題就變成了單純的求最大值和最小值問題了。

那我們要如何到的最大值和最小值呢?那么自然就需要知道函數(shù)的單調(diào)性了。

從而我們的主要目標就變成了 求函數(shù)的單調(diào)性。

但是對于函數(shù)而言,是多變的,我們不可能簡單直觀的輕松得到單調(diào)性。

這就需要我們?nèi)ゴ罅繉W習記憶了。

這里記憶是指記憶什么呢?在我看來,是記住一些規(guī)則,以及一些函數(shù)的具體走勢

下面簡單介紹常見的函數(shù)。

首先從初中時候的講起:

  • (1)y = kx + b,即 線性函數(shù)、一次函數(shù)

y=2x+3的函數(shù)圖像

對于一次函數(shù),我們需要注意:

對于一次函數(shù) y=kx+b 而言,

當k>0時,函數(shù)為增函數(shù);當k=0時,函數(shù)為常值函數(shù);當k<0時,函數(shù)為減函數(shù)。

這么看來,似乎與b無關?答案確實是如此,當以后扯到平移伸縮變換的時候再細講。

值得一提的是,什么是常值函數(shù)?他的意思是,不會隨著自變量x的改變而改變。這什么意思?當我們把 k=0 帶入時,得到 y=b,這個表達式與x沒有任何關系,但他仍然是x的函數(shù)。

也便蛻變成這樣的函數(shù),

y=3的函數(shù)圖像

當k<0時也是同理。

  • (2)y?= k / x,反比例函數(shù)

y = 4/x 的函數(shù)圖像

對于反比例函數(shù) y=k / x?而言,

首先,反比例函數(shù),我們值得注意的是,x在位于分母的位置,我們知道,無論如何,分母都是不能為0的。于是默認的定義域也就變成了 x≠0 。

當k>0時,圖像走勢便如上圖所示,注意他是分段遞減!他?y%20%3D%20ax%5E2%20%2Bbx%2Bc%20%20%20(a%E2%89%A00)上單調(diào)遞減,這里我是用的是 “ 和 ”,而不是? “?%5Ccup%20 ”,這是不同的概念?!?和 ”表明了 分段 的意思,但 “?%5Ccup%20?” 則暗示整體。

當k=0時,則退化為 y=0,與上面的y=b相同。(因為也就是b=0的情況嘛 : D )

當k<0時,則與k>0的情況相反,分段遞增。這里則不再贅述。

另外,比較重要的一點是,從圖像中我們注意到反比例函數(shù)一個特殊性質(zhì)。

我們可以看到,x從某一個正數(shù),不如假設為4,逐漸減小,直到趨近為0,函數(shù)會有什么表現(xiàn)呢?不妨假定這個函數(shù)為:y=1/x,我們依次取幾個特殊的定值,便得到:

函數(shù)圖表

我們可以看到,隨著x越來越逼近0,y的值也隨之越來越大。

我們能夠預見到,反比例函數(shù),當x趨近與0時,y將逼近無窮大!

這一點是十分重要的!

叮叮叮 ~ 小考核時間? ? :D

已知 f(x) 是反比例函數(shù),且系數(shù)k>0,又知道 f(x1)> f(x2),那么...! 請問 x1、x2與0的關系可能有哪些呢?

耐心思考吧 ~?

Tips:結(jié)合圖像看,更快得出答案哦 ~





Answer:

① 0<x1<x2 ; ②x1<x2<0 ;? ③ x2<0<x1

前兩個是很容易通過單調(diào)性得到的,但是第三個則是 通過分段這一特殊性得到!



  • (3)y%20%3D%20ax%5E2%20%2B%20bx%2Bc%EF%BC%88a%E2%89%A00%EF%BC%89%20,二次函數(shù)

y=x2-2x+3的函數(shù)圖像

對于二次函數(shù)而言,是十分特殊的存在,因為他多了一個特殊的性質(zhì),對稱性。

就像圖形所示的一般,紅色部分(二次函數(shù))關于藍色線對稱,那么這個藍色的便被稱為對稱軸。

為什么對稱性就特殊了?因為有了對稱性,這就意味著,你在一段地方是遞增的,則必定在對稱的地方會遞減。這便意味著,我們又可以偷懶了!好誒!

那么這么好的東西,我們?nèi)绾潍@得呢?

這就需要我們把他變成原型,快給我變!?。?/p>

y%3Dk%EF%BC%88x-m%EF%BC%89%C2%B2%2Bn,同樣的道理,k≠0 ?。?!

那么我們又知道最簡單的二次函數(shù),y=x2,他的對稱軸是誰?當然是0啦!000000000~

那么上面的呢?也就是括號內(nèi)的值也要是變成0嘛,所以 x=m 就是對稱軸咯。

我們再稍微展開,上式也就變成了 y=kx2-2kmx+km2+n,我們再聯(lián)系前面所寫的,

y=ax2+bx+c,便有了

①a = k;②b=-2km,那么很自然的得到 m = -b/2a,

我們前面又說,x=m是對稱軸,從而對稱軸就是 x = -b / 2a,

其他部分對著函數(shù)圖像就可以得到啦!大家試試舉一反三吧!



單調(diào)性:

當a>0時,函數(shù)在(-∞,-b/2a)時遞減,在(-b/2a,+∞)時遞增。那么當x=-b/2a時,取到什么值?什么值?想清楚!函數(shù)先減下來,然后再增上去。

老師!是最小值???

?

很棒!確實是最小值!

同理。

當a<0時,函數(shù)在(-∞,-b/2a)時遞,在(-b/2a,+∞)時遞。不再贅述。

那么老師,為什么a不能等于0呢?

我們不妨把a=0帶入,從而y=bx+c,啊這,這不就是我們討論的第一個函數(shù)嗎?

帥啊!

廢話!老師當然帥了!



于是,時光匆匆,來到了高中......

  • (4)y%3Da%5Ex%20(0<a<1或a>1),指數(shù)函數(shù)

注意與冪函數(shù)?y%20%3D%20x%5Ea進行區(qū)分!??!

y = e^x 的函數(shù)圖像
y = (0.5)^x的函數(shù)圖像

正如圖像所示,一些性質(zhì)躍然眼前。

首先,單調(diào)性!

當a>1時,明顯函數(shù)是在y%20%3D%20%5Clog_a%20x%20上單調(diào)遞增的,而當a在(0,1)范圍呢?就像圖像所示的,恰恰相反,單調(diào)遞減。

那么老師,當a=1呢?

咱們小學二年級的時候就學過,

無論幾個1相乘都是1呀!

所以這不就是常值函數(shù) y = 1 嗎?

哦!那么 a = 0 也是這樣吧!那a < 0呢?

不妨我們?nèi) = -1,

當x=1,便得到-1,

當x = 2,便得到1,

當x = 3,便得到-1,

現(xiàn)在,你喜歡這種反復橫跳的東西嗎?!

確實?。?!

另外我們又注意到,函數(shù)值始終是大于0的,那么實際上,值域就是[0,+∞)

另外一個重要的點就是,函數(shù)無論a是多少,都經(jīng)過(0,1)這個定點。這是為什么呢?

我們把x帶入,我們知道,任何數(shù)的零次方都是1(除了0,因為無意義)!

  • (5)y%20%3D%20%5Clog_a%20x%20?(0<a<1或a>1),對數(shù)函數(shù)

學了高一數(shù)學,我們就知道對數(shù)和指數(shù)是孿生的。但這里我們便不做贅述。

但圖像我們還是要記憶的!

y=lnx的函數(shù)圖像
y=log0.5(x)的函數(shù)圖像

他的單調(diào)性是與指數(shù)函數(shù)相同的。

當a>1時,在(0,+∞)遞增,當0<a<1時,在(0,+∞)遞減!

另外我們知道,函數(shù)的值域是R,而且經(jīng)過定點(1,0),不然我們咋說孿生函數(shù)啊~

(關于反函數(shù)的知識,我們以后再講?。?/p>

那么至此,差不多都講完了





........?

現(xiàn)在將高中最后一個,也是最重要、最常見的函數(shù)!

  • (6)y = x + a/x(a>0),對勾函數(shù),耐克函數(shù)

y = x + 2/x的函數(shù)圖像

注意:必須要求a是>0的?。?!不然,不會出現(xiàn)這樣的圖像?。。。ǖ疤崾牵瑇前面沒系數(shù),后面會提到)

此函數(shù)可以看做是 一次函數(shù)與反比例函數(shù)的組合函數(shù),具有一些特殊性質(zhì)

首先,毫無疑問,這里,函數(shù)圖像在(0,+∞)這部分出現(xiàn)了最小值。

通過作差法,我們很容易得到極小值是出現(xiàn)在x%3D%5Csqrt%7Ba%7D%20處,

%E4%BB%A40%EF%BC%9Cx1%EF%BC%9Cx2%EF%BC%8C%E5%88%99%E6%9C%89%0Af(x2)-f(x1)

%3Dx2%2Ba%2Fx2-x1-a%2Fx1

%3D(x2-x1)-a(x2-x1)%2Fx1x2

%3D(x2-x1)*(x1x2-a)%2F(x1*x2)

我們有知道,x2>x1>0,從而只需要查看(x1x2-a)與0的大小關系,

很顯然,我們有當x2%3C%5Csqrt%7Ba%7D%20時,有x1x2-a<x22-a=(%5Csqrt%7Ba%7D%20%5E2 - a)=0,

也就是原式<0,從而,

當0<x1<x2<%5Csqrt%7Ba%7D%20,f(x2)<f(x1),也就是說,函數(shù)f在(0,%5Csqrt%7Ba%7D%20)遞減。

那么同理,當x>%5Csqrt%7Ba%7D%20時,函數(shù)遞增!

那么今天就說到這里吧!


隨堂小練習? *-*

%EF%BC%881%EF%BC%89%E8%8B%A5%E5%87%BD%E6%95%B0f(x)%3Dax%2B1%2Cx%5Cin%20%5B1%2C3%5D%E7%9A%84%E5%80%BC%E5%9F%9F%E4%B8%BA%5B-1%2C3%5D%2C%E5%88%99a%E4%B8%BA%EF%BC%9F

%EF%BC%882%EF%BC%89%E8%8B%A5%E5%87%BD%E6%95%B0f(x)%3D2x%5E2-ax%2Bb%2Cx%5Cin%20%5B-1%2C3%5D%E4%B8%94%E6%BB%A1%E8%B6%B3f(1)%3Df(3)%2C%E8%8B%A5%E5%87%BD%E6%95%B0%E7%9A%84%E6%9C%80%E5%B0%8F%E5%80%BC%E4%B8%BA-3%EF%BC%8C%E6%B1%82%E5%87%BD%E6%95%B0%E7%9A%84%E5%80%BC%E5%9F%9F

%EF%BC%883%EF%BC%89%E5%87%BD%E6%95%B0f(x)%3D2%5Ex%EF%BC%8Cx%5Cin%20%20%5B2%2C4)%2C%E6%B1%82%E5%80%BC%E5%9F%9F

%EF%BC%884%EF%BC%89%E5%87%BD%E6%95%B0f(x)%3Dx%2B2%2Fx%2Cx%5Cin%20%5B-2%2C0)%5Ccup%20(0%2C1%5D%EF%BC%8C%E6%B1%82%E5%80%BC%E5%9F%9F

%EF%BC%885%EF%BC%89%E5%87%BD%E6%95%B0f(x)%3D-2x-8%2Fx%2C%E5%88%86%E6%9E%90%E5%87%BD%E6%95%B0%E7%9A%84%E8%B5%B0%E5%8A%BF





分析:

(1)函數(shù)必定是單調(diào)的,故有

f(1)=-1,f(3)=3? ? 對應a>0

或者f(1)=3, f(3)=-1? ? 對應a<0

(2)由f(1)=f(3)得出對稱軸 x = 2,隨后結(jié)合圖像做。

憑什么說x=2是對稱軸?因為在對稱軸兩側(cè)是嚴格單調(diào)的,對于一個特定的y值,必定是嚴格關于對稱軸對稱的兩個x點,不可能有其他的第三個x點

(5)函數(shù)f(x)=-2(x+4/x),進行這樣處理后,便變成了我們熟悉的對勾函數(shù)



  • (7)y = x-a/x,(a>0)雙刀函數(shù)

這實際上是對應著y=x+a/x,其中a<0的情況,a=0時退化為y=x。

y=x-2/x的函數(shù)圖像

實際上這個是與y=-1/x相似,兩邊分段遞增的。我們以后繼續(xù)講單調(diào)性的時候再談。



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