Обратная функция
Что такое обратная функция? Как найти функцию, обратную данной?
Пусть функция y=f(x) определена на множестве D, а E — множество её значений. Обратная функция по отношению к функции y=f(x) — это функция x=g(y), которая определена на множестве E и каждому y∈E ставит в соответствие такое значение x∈D, что f(x)=y.
Таким образом, область определения функции y=f(x) является областью значений обратной к ней функции, а область значений y=f(x) — областью определения обратной функции.
Чтобы найти функцию, обратную данной функции y=f(x), надо :
1) В формулу функции вместо y подставить x, вместо x — y:
2) Из полученного равенства выразить y через x:
Найти функцию, обратную функции y=2x-6.
Функции y=2x-6 и y=0,5x+3 являются взаимно обратными.
Графики прямой и обратной функций симметричны относительно прямой y=x (биссектрисы I и III координатных четвертей).
y=2x-6 и y=0,5x+3 — линейные функции. Графиком линейной функции является прямая. Для построения прямой берём две точки.
Однозначно выразить y через x можно в том случае, когда уравнение x=f(y) имеет единственное решение. Это можно сделать в том случае, если каждое своё значение функция y=f(x) принимает в единственной точке её области определения (такая функция называется обратимой).
Теорема (необходимое и достаточное условие обратимости функции)
Если функция y=f(x) определена и непрерывна на числовом промежутке, то для обратимости функции необходимо и достаточно, чтобы f(x) была строго монотонна.
Причем, если y=f(x) возрастает на промежутке, то и обратная к ней функция также возрастает на этом промежутке; если y=f(x) убывает, то и обратная функция убывает.
Если условие обратимости не выполнено на всей области определения, можно выделить промежуток, где функция только возрастает либо только убывает, и на этом промежутке найти функцию, обратную данной.
Классический пример — функция y=x². На промежутке [0;∞) функция возрастает. Условие обратимости выполнено, следовательно, можем искать обратную функцию.
Так как область определения функции y=x² — промежуток [0;∞), область значений на этом промежутке — также [0;∞), то область определения и область значений обратной функции — также [0;∞).
то есть на промежутке [0;∞) y=√x — функция, обратная к функции y=x². Их графики симметричны относительно биссектрисы I и III координатных четвертей:
В алгебре наиболее известными примерами взаимно обратных функций являются показательная и логарифмическая функция, а также тригонометрические и обратные тригонометрические функции.
1 комментарий
Для физических задач говорить об обратной функции, думаю, можно лишь для безразмерных у и х. При различии их размерностей, значит, и осей их графиков, надо для обратной функции поворачивать и оси.
Тогда лучше говорить о выражении аргумента х в явном виде, не упоминая об обратной функции. Значит, надо функцию у=ах/С+в, где х и С имеют, например, одинаковую размерность (например, кг), представить в виде уравнения ах/С+в-у=0. Из него можно выразить в явном виде у или х. Тогда либо у, либо х надо будет считать функцией с собственной координатной осью с собственной размерностью. При этом ось функции обычно является вертикальной.
Вопрос: можно ли считать выраженные в явном виде функции у и х обратными?
Обратная функция
Что такое обратная функция
Обратной называется такая функция, для которой каждое ее значение (переменная y) определяется одним значением независимой переменной x из некоторого заданного множества X.
Отметим, что не всякая функция является обратимой. Например, к квадратичной зависимости типа y = x 2 невозможно найти обратную функцию, так как два значения независимой переменной x задают одно значение переменной y.
Сформулируем необходимое условие обратимости функции.
К функции f(x) можно найти обратную тогда и только тогда, когда соблюдено каждое из представленных условий:
Как получить функцию, обратную данной
Укажем необходимые для нахождения обратной функции операции:
Свойства обратной функции
Приведем основные свойства обратной функции, используемые при решении задач и построении графиков:
Теоремы об обратной функции
Как было отмечено, функция обратима, если она монотонна на заданном интервале.
Докажем теорему об обратной функции.
Доказательство теоремы: пусть на области X выбраны такие значения, что x1≠x2 и x1 f(x2). Каждое возможное значение переменной x задает одно значение переменной y, и f(x) непрерывно убывает на заданном интервале. Соблюдены все условия обратимости, а значит, функция y=f(x) обратима на множестве X, что и требовалось доказать.
Примеры задач
Функция f(x) — парабола, область определения которой D (f(x))=R. В случае квадратичных функций одному значению функции соответствует пара значений переменной x из множества D(f(x)). Поскольку не выполняется необходимое условие обратимости, функция y = f ( x ) = x 2 + 4 не имеет обратной.
Доказать, что функция y = f ( x ) = x обратима на множестве [0; +∞). Указать обратную к исходной функцию.
На заданной области исходная функция непрерывно возрастает. Любое из значений x ∈ [ 0 ; + ∞ ) определяет одно значение функции, то есть функция обратима.
Как найти обратную функцию
Многие приложения в алгебре и исчислении зависят от знания того, как найти обратную функцию, и это тема данного руководства.
Прежде всего, вам нужно понять, что перед тем, как найти инверсию функции, вы должны убедиться, что такая инверсия существует.
Преимущество метода поиска обратного, который мы будем использовать, заключается в том, что мы найдем обратное и выясним, существует ли оно одновременно.
Готовый?? Тогда пристегнитесь.
Как узнать, есть ли у функции инверсия?
Технически функция имеет инверсию, когда она взаимно однозначна (инъективна) и сюръективна.
Однако решающим условием является то, что она должна быть взаимно однозначной, потому что функцию можно сделать сюръективной, ограничив ее диапазон своим собственным изображением.
Как узнать, что функция взаимно однозначна?
Алгебраический путь
Для алгебраического подхода, чтобы функция \(f\) была взаимно однозначной, нам нужно доказать, что каждый раз, когда это \(f(x) = f(y)\), нам нужно иметь это \(x = y\).
Другими словами, нам нужно доказать, что
\[f(x) = f(y) \,\,\Rightarrow \,\, x = y\]
Графический способ
Для графического способа нам нужно использовать проверка горизонтальной линии : Для любой горизонтальной линии, которую мы рисуем, график функции не более одного раза пересекает эту горизонтальную линию.
Проходит тест горизонтальной линии
Не проходит тест горизонтальной линии
В поисках обратного
Чтобы найти обратную функцию для заданной функции \(f(x)\), необходимо решить уравнение.
Действительно, у вас есть уравнение \(f(x) = y\), вы берете \(y\) как заданное число, и вам нужно решить его для \(x\), и вам нужно убедиться, что решение УНИКАЛЬНО.
Теперь о практических шагах:
Шаг 1: Для заданного \(y\) задайте уравнение:
и решите его для \(x\).
Шаг 2: Обязательно обратите внимание на то, для какого \(y\) существует действительно уникальное решение.
Шаг 3: Как только вы решите \(x\) в терминах \(y\), это выражение, которое зависит от \(y\), будет вашим \(f^<-1>(y)\).
Шаг 4: Измените имя переменной с \(y\) на \(x\), и у вас будет обратная функция \(f^<-1>(x)\).
ПРИМЕР 1
Найдите обратную функцию \(f(x) = \sqrt x\)
ОТВЕЧАТЬ:
Итак, мы берем \(y\) как данное, и нам нужно решить \(f(x) = y\), что в данном случае соответствует решению
Обратите внимание, что квадратный корень всегда неотрицателен, поэтому для решения нам понадобится \(y\ge 0\).
Применяя квадрат к обеим сторонам, получаем, что
\[\Rightarrow \,\, (\sqrt x)^2 = y^2\] \[\Rightarrow \,\, x = y^2\]
Итак, \(f^<-1>(y) = y^2\), переключая имя переменной, мы получаем обратную функцию:
ПРИМЕР 2
ОТВЕЧАТЬ:
Опять же, мы берем \(y\) как дано, и теперь нам нужно решить для \(x\) уравнение \(f(x) = y\). Итак, у нас есть
Итак, \(f^<-1>(y) = \displaystyle \frac
Подробнее о поиске обратной функции
Одним из важнейших свойств обратной функции \(f^<-1>(x)\) является то, что \(f(f^<-1>(x)) = x\).
Подумайте, о чем это говорит. Что-то вроде: «Функция, вычисленная в обратном порядке, дает вам идентичность».
Или, другими словами, вычисление инверсии через функцию похоже на бездействие с аргументом.
Или, как некоторые любят говорить: функция может каким-то образом отменить обратное.
Вы выбираете свою версию.
Как найти обратную квадратичную функцию? Ты можешь?
Не пройдя тест горизонтальной линии, мы можем увидеть, что для данного \(y\) существует более одного значения \(x\), так что \(f(x) = y\), поэтому мы не можем «решить» для \(x\), поскольку существует более одного \(x\).
НО, если вы ограничите домен и рассмотрите, скажем, только положительные числа, мы получим следующее:
который проходит проверку горизонтальной линии, и, следовательно, квадратичная функция обратима.
Как быстро построить график обратных функций
Всегда существует требование оценки, является ли функция \(f(x)\) обратимой или нет (проверяя, является ли она взаимно однозначной). Но если предположить, что вы знаете, что это обратимо, есть простой способ найти график обратимости.
Сначала изобразите график данной функции \(f(x)\).
Затем нарисуйте линию под углом 45 градусов \(y = x\).
Чтобы построить график \(f^<-1>(x)\), все, что вам нужно сделать, это отразить график \(f(x)\) через линию \(y = x\) под углом 45 градусов, как зеркало.
См. Пример ниже с функциями \(f(x) = \sin x\) и \(f^<-1>(x) = \arcsin x\).
Есть ли способ сделать функцию обратной?
Да, это действительно возможно, но это происходит только для функции идентификации, то есть с \(f(x) = x\).
Взаимно обратные функции, основные определения, свойства, графики
Понятие обратной функции
Для чего вообще нам нужно понятие обратных функций?
Нахождение взаимно обратных функций
Обратными по отношению друг к другу будут, например, функции арккосинуса и косинуса.
Разберем несколько задач на нахождение функций, обратных заданным.
Решение
Обе взаимно обратные функции можно отобразить на графике следующим образом:
Возьмем пример, в котором нужно найти логарифмическую функцию, обратную заданной показательной.
Решение
В итоге у нас вышли показательная и логарифмическая функции, которые будут взаимно обратными друг другу на всей области определения.
На графике обе функции будут выглядеть так:
Основные свойства взаимно обратных функций
a r c sin sin 7 π 3 = a r c sin sin 2 π + π 3 = = п о ф о р м у л е п р и в и д е н и я = a r c sin sin π 3 = π 3
Графики взаимно обратных функций
На графике они будут выглядеть следующим образом (случаи с положительным и отрицательным коэффициентом a):
Графики для функций с a > 1 и a 1 будут выглядеть так:
Если нам нужно построить график главной ветви синуса и арксинуса, он будет выглядеть следующим образом (показан выделенной светлой областью):
График главной ветви косинуса и арккосинуса выглядит так:
График главной ветви арктангенса и тангенса:
График главной ветви арккотангенса и котангенса будет таким:
Это все свойства обратных функций, о которых мы хотели бы вам рассказать.
Алгебра
А Вы уже инвестируете?
Слышали про акцию в подарок?
Зарегистрируйся по этой ссылке
и получи акцию до 100.000 руб
План урока:
Взаимно обратные функции
Напомним, что любая функция у = у(х) представляет собой некоторое правило, которое устанавливает соответствие между значениями х и значениями у. В частности, функция у = х 2 ставит в соответствие каждому действительному числу его квадрат. Приведем таблицу, содержащую значения этой функции для целых аргументов от – 2 до 2:
Но если есть соответствие между х и у, то должно существовать и обратное соответствие между у и х. Действительно, строки таблички можно «перевернуть» и она примет следующий вид:
Мы получили два взаимно обратных соответствия. Однако второе из них функцией не является, ведь функция должна ставить в соответствие своему аргументу только одно значение функции. Однако, судя по второй таблице, числу у = 1 соответствует сразу два х: х = – 1 и х = 1. В таком случае математики говорят, что исходная функция у = х 2 является необратимой.
Теперь «перевернем таблицу» и получим следующее:
Мы видим, что как каждому значению х соответствует единственное значение у, так и наоборот, каждому у соответствует единственное значение х. В математике для подобных соответствий используют понятие взаимно-однозначное соответствие.
Для лучшего понимания этого определения отвлечемся от чисел. Пусть в футбольном чемпионате играет несколько команд. Они образуют множество Х команд-участниц соревнования. За множество У примем отдельных футболистов, выступающих на турнире. Каждому игроку соответствует единственная команда, за которую он выступает, но обратное неверно – каждой команде соответствует несколько игроков. Значит, это пример соответствия, не являющегося взаимно-однозначным.
Пусть тренеры команд образуют множество Z. Каждый тренер тренирует лишь одну команду, и наоборот, каждую команду тренирует единственный тренер. Значит, между множествами X и Z есть взаимно-однозначное соответствие.
Вернемся к функциям. Если соответствие, которое задает функция у = у(х), является взаимно-однозначным, то каждому значению у будет соответствовать единственное значение х. Значит, существует некоторая функция х = х(у). Пары функций у = у(х) и х = х(у) называются взаимно обратными функциями.
Ещё раз скажем, что не для любой функции существует обратная функция, ведь не все они определяют взаимно-однозначное соответствие. Если всё же для у = у(х) есть обратная функция х = х(у), то у = у(х) называют обратимой функцией.
Покажем, какие функции являются обратными, на примере пары у = 4х + 12 и у = 0,25х – 3. Возьмем, например, значение х = 5 и подставим его в у = 4х + 12:
у = 4х + 12 = 4•5 + 12 = 32
Получили 32. Подставим это число в обратную функцию:
у = 0,25х – 3 = 0,25•32 – 3 = 8 – 3 = 5
Получили именно то число, которое первоначально подставили в первую функцию! Возьмем другое произвольное число, например, 10, и подставим его в у = 4х + 12:
у = 4•10 + 12 = 40 + 12 = 52
Полученный результат подставляем в у = 0,25х – 3:
у = 0,25•52 – 3 = 13 – 3 = 10
Снова получили исходное число! Выберете сами ещё несколько произвольных чисел и убедитесь, что и с ними будет происходить то же самое.
Посмотрим, как получить обратную функцию. Пусть дана зависимость
Это, по сути, выражение для вычисления у. Выразим из него х:
Получили зависимость х от у. Чтобы мы получили из нее обратную функцию, необходимо просто поменять местами буквы х и у:
Убедитесь самостоятельно на нескольких примерах, что полученная функция обратна функции у = 5х + 20.
Пример. Найдите функцию, обратную зависимости у = 1/(х + 7).
Решение. Умножим обе части равенства у = 1/(х + 7) на (х + 7):
Далее поделим обе части нау:
Перенесем семерку вправо и получим формулу для вычисления х:
Для получения обратной функции просто меняем х и у местами:
Предположим, у нас есть у= у(х), чей график нам известен, и необходимо построить график взаимно обратной функции. Как это сделать? Если одна точка на координатной прямой имеет координаты (a; b) и принадлежит функции у = у(х), то, обратной функции должна принадлежать точка (b; a):
Эти точки симметричны относительно прямой у = х:
Поэтому для построения графика обратной функции достаточно симметрично отобразить его относительно прямой у = х.
С помощью этого правила построим график функции, обратной у = х 3 :
Практика показывает, что не все школьники (да и взрослые тоже) понимают, что означает симметричность относительно прямой у = х, ведь эта прямая наклонена. Здесь требуется довольно высокий уровень пространственного мышления. Куда проще понять симметрию относительно вертикальной или горизонтальной линии. Поэтому мы покажем ещё один способ построения обратных функций, который состоит из двух этапов.
Он заключается в том, что сначала график отображают симметрично относительно вертикальной оси Оу:
На втором этапе полученное отображение поворачивают по часовой стрелке относительно начала координат:
Заметим важное правило. При построении обратной функции области определения и области значений меняются местами. Действительно, если какое-то число входит в область значения функции, то это значит, что его можно подставить в обратную функцию. Но это в свою очередь означает, что она входит в область определения обратной функции. Проиллюстрируем это правило картинкой:
До сих пор мы рассматривали способы построения обратных функций, но ведь в самом начале урока говорилось о том, что обратная функция существует не всегда. Действительно, попытаемся построить обратную функцию для у = х 2 :
Получилась та же парабола, но «лежащая на боку». Является ли она графиком функции? Нет. На рисунке проведена вертикальная линия, которая пересевает график в двух точках. Это значит, что одному значению х (в данном случае х = 5) соответствует сразу два значения у. Но подобное соответствие не является функцией. Это значит, что у = х 2 – необратимая функция.
Есть ли какой-то признак, позволяющий быстро сказать, является ли функция обратимой? Оказывается, есть. Если функция строго монотонна (то есть либо только возрастает, либо только убывает), то это гарантирует, что она ещё и обратима. Покажем это с помощью рисунков. Известно, что каждому значению строго монотонной функции соответствует лишь один аргумент. С точки зрения геометрии это означает, что любая горизонтальная линия пересекает монотонную функцию не более чем в одной точке:
К слову, это свойство мы использовали для решения некоторых уравнений. Теперь отобразим график симметрично прямой у = х, причем также отобразим и горизонтальные линии:
Горизонтальные линии превратились в вертикальные, при этом они всё также пересекают график не более чем в одной точке. Но это как раз и означает, что график задает функцию, а не какое-то другое соответствие. Отсюда делаем вывод – любая строго монотонная функция обратима.
Можно сделать вывод – обратимость функции зависит не только от самого вида функции, но и от того, на какой области определения ее рассматривают.
Кубический корень
Ранее мы изучили понятие квадратного корня. Напомним, что извлечение квадратного корня – это операция, обратная возведению в квадрат. Другими словами, функция
Можно дать и другое определение, не использующее понятие функции:
Например, мы знаем, что число 5 в кубе равно 125:
Это значит, что кубический корень из 125 равен 5.
Для обозначения кубического корня используют тот же знак радикала, что и для квадратного корня. Чтобы их отличать друг от друга, в случае с кубическим корнем перед знаком радикала ставят тройку:
Заметим важное отличие кубического и квадратного корня. Мы привыкли, что под знаком радикала не должно стоять отрицательное число. Но кубический корень из отрицательного числа извлечь можно. Например, мы знаем, что (– 6) 3 = – 216. Отсюда следует, что
График кубического корня можно получить, просто построив функцию, обратную у = х 3 :
Корни n-ой степени
Аналогично кубическому корню можно ввести понятие и корня произвольной n-ой степени.
Для обозначения корня n-ой степени используется знак радикала, перед которым стоит число n. Приведем пример. Мы знаем, что 2 5 = 32. Это значит, что корень 5-ой степени из 32 равен 2:
Если же показателем n является нечетное число, то график у = х n будет схож с графиком у = х 3 :
Если n нечетно, то корень можно извлечь и из отрицательного числа. Так, известно, что (– 3) 7 = – 2187. Это значит, что корень седьмой степени из (– 2187) равен (– 3):
Очевидно, что корень получится отрицательным, если под ним стоит отрицательное число. Если же подкоренное выражение положительно, то и сам корень положителен. Более того, можно заметить, что корень из отрицательного числа равен корню из противоположенного ему положительного числа, взятого со знаком минус:
В общем случае графики всех корней нечетных степеней будут похожи на график кубического корня:
При четном значении n корень n-ой степени нельзя извлечь из отрицательного числа. Действительно, попробуем возвести в четную степень положительное число:
Получили другое положительное число. Теперь попробуем возвести в четную степень отрицательное число:
(– 5) 4 = (– 5)•(– 5)•(– 5)•(– 5) = 625
Результат снова положительный! Минусы у отрицательных чисел «сократились» друг с другом, и получилось положительное произведение. Но раз при возведении в четную степень всегда получается неотрицательное число, значит, и под четным корнем должно также стоять неотрицательное число. Поэтому подкоренное выражение не может быть отрицательным.
Арифметические корни n-ой степени
Мы видим, что складывается не очень удобная для математиков ситуация: корни n-ой степени из отрицательного числа можно извлечь, если n – нечетное число, но при четном n такая операция уже недопустима. Это порождает много проблем при работе с корнями. Для устранения этих проблем вводится понятие арифметического корня степени n. Его особенность в том, что он всегда извлекается из неотрицательного числа и сам принимает значения, не меньшие нуля.
Заметим, что корень нечетной степени из отрицательного числа всегда можно выразить с помощью арифметического корня, просто вынеся знак минус из-под корня:
Поэтому арифметических корней вполне хватает для работы в любых ситуациях.
Определение корня можно записать в более формализованном виде:
Проиллюстрируем использование этой формулы:
Свойства корня n-ой степени
Далее рассмотрим некоторые свойства корней степени n, помогающие вычислять их значения. Сразу скажем, что они во многом идентичны свойствам квадратного корня.
Для доказательства этого свойства правую часть в n-ую степень:
Приведем примеры использования этого свойства:
Отсюда следует, что множители можно вносить и выносить из-под знака корня:
Следующее свойство помогает извлекать корни из дробей.
Доказывается это свойство так же, как и первое. Возведем в n-ую степень правую часть формулы:
Продемонстрируем применение доказанного тождества:
Заметим, что если под корнем находится степень какого-то числа, то ее вынести из-под радикала:
Доказать это можно, разложив число a m в произведение:
Всего справа стоит m множителей. Теперь извлечем корень степени n:
Справа всё те же m множителей, а потому
Таким образом, получаем, что
Покажем несколько примеров использования этого правила:
Далее посмотрим, как извлекать корень из другого корня.
Для доказательства возведем корень в левой части формулы в степень mn:
По определению корня получаем, что
Проиллюстрируем использование данного правила:
Последнее свойство, которое нам осталось изучить, называют основным свойством корня.
Доказательство записывается всего в одну строчку:
Степени в корне и под ним можно «сокращать»:
Сравнение корней
Естественно, что большинство корней – это не целые, а иррациональные числа, которые довольно сложно вычислять. Тем не менее есть несколько правил, которые помогают оценивать их значение. Из графиков корней видно, что все они являются возрастающими функциями. Поэтому, если необходимо сравнить два корня одной степени, достаточно сравнить их подкоренные выражения. Тот корень, у которого под корнем стоит большее число, и будет больше
В частности, справедливы неравенства:
В случае, если у корней различаются степени, следует постараться преобразовать их так, чтобы степени всё же совпали.
Пример. Сравните числа
Решение. Преобразуем первое число, чтобы у нас получился корень шестой степени:
Так как 121 > 119, то и
Пример. Сравните числа
Решение. Сначала избавимся от вложенных корней:
Получили два кубических корня. Меньше тот из них, у которого под радикалом меньшее число:
Пример. Сравните корни
Решение. Имеем корни 7-ой и 4-ой степени. К какой одинаковой степени можно привести оба корня? Это число 28, ведь оно представляет собой произведение 7•4: