在本节, 将介绍函数的基本概念、性质与常见的函数.
定义2-1 函数 给定实数集合 X X X, 若存在唯一的对应法则 f f f, 是的对于 X X X中的任意一个实数 x x x, 存在唯一的实数 y ∈ R y \in \mathbb{R} y∈R与之对应, 则称 f f f是定义在 X X X上的函数, 记为
f : X ↦ R or f : x → y f: X \mapsto \mathbb{R} \ \ \text{or} \ \ f: x \rightarrow y f:X↦R or f:x→y也可以记为 y = f ( x ) , x ∈ X y = f(x), x\in X y=f(x),x∈X.
定义2-2 奇偶性 对于定义在关于原点对称的集合 X X X上的函数 f f f, 若对 ∀ x ∈ X \forall x \in X ∀x∈X, 有 f ( x ) = f ( − x ) f(x) = f(-x) f(x)=f(−x), 则称 f f f为偶函数; 若对 ∀ x ∈ X \forall x \in X ∀x∈X, 有 f ( x ) = − f ( − x ) f(x) = -f(-x) f(x)=−f(−x), 则称 f f f为奇函数.
定义2-3 单调性 对于定义在集合 X X X上的函数 f ( x ) f(x) f(x), 对 ∀ x 1 , x 2 ∈ X , x 1 < x 2 \forall x_1,x_2 \in X, x_1 < x_2 ∀x1,x2∈X,x1<x2, 有 f ( x 1 ) ≤ f ( x 2 ) f(x_1) \leq f(x_2) f(x1)≤f(x2), 则称 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上是单调上升或单调递增的, 若满足 f ( x 1 ) < f ( x 2 ) f(x_1) < f(x_2) f(x1)<f(x2), 则称 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上是严格单调上升或严格单调递增的; 对 ∀ x 1 , x 2 ∈ X , x 1 < x 2 \forall x_1,x_2 \in X, x_1 < x_2 ∀x1,x2∈X,x1<x2, 有 f ( x 1 ) ≥ f ( x 2 ) f(x_1) \geq f(x_2) f(x1)≥f(x2), 则称 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上是单调下降或单调递减的, 若满足 f ( x 1 ) > f ( x 2 ) f(x_1) > f(x_2) f(x1)>f(x2), 则称 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上是严格单调下降或严格单调递减的.
定义2-4 周期性 设函数 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上有定义, 若存在正数 T > 0 T>0 T>0, 对 ∀ x ∈ X \forall x \in X ∀x∈X, 有 x + T ∈ X x+T \in X x+T∈X, 且 f ( x + T ) = f ( x ) f(x+T) = f(x) f(x+T)=f(x), 则称 f ( x ) f(x) f(x)是周期函数, T T T称为 f ( x ) f(x) f(x)的周期.
定义2-5 有界性 设函数 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上有定义, 若 ∃ M > 0 \exists M>0 ∃M>0, 对 ∀ x ∈ X \forall x \in X ∀x∈X, 有
∣ f ( x ) ∣ ≤ M \left| f(x) \right| \leq M ∣f(x)∣≤M则称 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上有界.
定义2-6 复合函数 设函数 y = f ( u ) y=f(u) y=f(u)定义域为 U U U, u = g ( x ) u=g(x) u=g(x)定义域为 X X X, 且 g ( X ) ⊂ U g(X)\subset U g(X)⊂U, 则 y = f ( g ( x ) ) y=f(g(x)) y=f(g(x))是定义在 X X X上的函数, 称为 f f f与 g g g的复合函数, 有时也记为 f ∘ g f \circ g f∘g, u u u称为中间变量.
定义2-7 反函数 设函数 f ( x ) f(x) f(x)是定义在 X X X上的函数, 如果对值域的每一个 y y y, 都有唯一的 x ∈ X x \in X x∈X, 使得 f ( x ) = y f(x) = y f(x)=y, 则这样定义的 x x x作为 y y y的函数, 称为 f f f的反函数, 记为 f − 1 f^{-1} f−1, 即
f − 1 : y → x , i f y = f ( x ) f^{-1}:y \rightarrow x, \ \ \ if \ y=f(x) f−1:y→x, if y=f(x)
基本初等函数有为以下六种函数:
定义2-8 初等函数 由基本初等函数经四则运算和复合所得到的函数.
定理2-1 f ( x ) f(x) f(x)在 X X X上有界的充要条件是: ∃ A , B \exists A, B ∃A,B, 使得 A ≤ f ( x ) ≤ B A\leq f(x) \leq B A≤f(x)≤B.
定理2-2 严格单调函数必有反函数, 其反函数也是严格单调的.
符号函数
y = s i g n ( x ) = { 1 , x > 0 0 , x = 0 − 1 , x < 0 y=sign \left( x \right) =\left\{ \begin{array}{l} 1,&x>0\\ 0,&x=0\\ -1,&x<0\\ \end{array} \right. y=sign(x)=⎩⎨⎧1,0,−1,x>0x=0x<0
狄利克雷函数 D ( x ) D(x) D(x) y = D ( x ) = { 1 , x 是有理数 0 , x 是无理数 y=D(x) =\left\{ \begin{array}{l} 1,\ x\text{是有理数}\\ 0,\ x\text{是无理数}\\ \end{array} \right. y=D(x)={1, x是有理数0, x是无理数
黎曼函数 R ( x ) R(x) R(x) y = { 1 , x = 1 0 , x = 0 1 / q , x = p / q 0 , x ∉ Q , x ∈ [ 0 , 1 ] y=\left\{ \begin{array}{l} 1,&x=1\\ 0,&x=0\\ 1/q,&x = p/q \\ 0,&x \notin \mathbb{Q}\\ \end{array} \right. ,\ x\in \left[ 0,1 \right] y=⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧1,0,1/q,0,x=1x=0x=p/qx∈/Q, x∈[0,1]