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函数性质大解剖

第一部分  函数性质总论

一、函数关系新论

1          函数涉及的数学量:自变量(通常以x表示)、因变量(通常以y表示)、参数(通常以a等表示)

2          函数关系的互换性

⑴  x与y调换:

在一一对应情况下,与原函数互为反函数。关于y=x线对称

⑵  x与a调换:

在只有一个参数a,且x定义域为实数集时,可将a视为自变量,建立新函数,x作为新参数。a取值范围化作y=f(a)函数的定义域求解。此法可用来解决相当一类参数取值范围问题。

3          恒正式的概念

所谓恒正式是恒大于等于0的式子,它们的体现方式如下:

ⅰ  完全平方式  ⅱ 平方根式  ⅲ  绝对值式  ⅳ 指数式  ⅴ  题设条件。

实际解题中通过适当的配方可以得到恒正式,以上体现方式可以并存。

4   恒正多项式。由多个恒正式组成的多项式

(1)恒正多项式之和必然恒大于等于0。用于判定单调性

(2)恒正多项式之和等于0时,必然每个多项式为0。用于求零点

(3)部分使用时可用于求极值。

二、函数性质分类

1          有界性:定义域、值域、取值范围

2          判断性:单调性、奇偶性、对称

3          存在性:特殊值

4          可重复性 周期性。因为周期性比较特殊,不易纳入本体系,故本文不研究周期性。

三、函数各类别含义及关系

1   有界性:任何函数理论上都是一个平面图像,无论人们是否可以画出,它是客观存在的,而这个平面图像一定是有边界的,定义域和值域就共同构成函数函数图像的边界。这两者决定了研究目标所必须在的范围。具体体现有以下几个特点:

ⅰ  形成不可逾越的总边界,一切研究都要在边界内进行,反映在解题中,要时刻验证这一点。

ⅱ  作为各种不同内部性质之间的边界,称为子边界,子边界必在总边界之内,且子边界內恒有某种内部性质。

ⅲ  边界的形成有三个渠道:一是自然的要求,即使式子有意义,如分母不为0,此部分对应于特定表达式;二是人为的要求,如题设x>0,对应于题目表述;三是导出的形成,即前述的子边界。实际解题时一定要3方面都考虑到,才不至于遗漏。

ⅳ  边界的数学表现形式有:(1)集合(2)区间(3)不等式(4)图像

2          判断性:边界内部某个区域图像所具有的规律,它有以下特点:

ⅰ 它们是在总边界内部,即必然限定在总的边界之内。

ⅱ 它们都是点与点的函数值的关系,判断的依据都是函数值f(x),而且是特殊关系。

ⅲ 这些内部性质只适合于相应的子边界,一旦超出,则不能成立。

ⅳ 某些时候,函数整体都遵循同一规律,这时只要受总边界限制

3          存在性:在有界的平面图像内,可能存在一些比较特殊的点,类似于城市中的标志性建筑。也起到指引地标的作用。之所以称其为存在性性质,是因为首先要判断它是否存在,其次如果存在,它在哪个位置,即点坐标。在子边界中,特殊点必与内部性质发生关系,可研究各种内部性质的特殊点情况。

第二部分  各类性质分析

第一类  定义域、值域、子边界

1          说明:定义域是自变量的边界,值域是函数值的边界。

2          地位:两者共同构成边界,是内部性质研究和特殊点研究的基础和限制。

3          判定方法:依据边界的三个形成渠道

4          内部关系:通过函数对应关系相互制约,当互为反函数时,定义域、值域对换。

5          表现方式:虽然边界有多种表现形式,但此处一般用区间。

6          域宽:衡量域大小的量,是两个边界之间的距离,形式是x2-x1、y2-y1

7          规定:为叙述方便,定义域、值域指总边界,子边界用相应的区间描述。

第二类  判断性

一、单调性

1   定义:子边界满足的关于大小变化的一个内部性质。

2   含义:子边界内,函数值大小只有一种变化规律,要么增大要么减小。由于大小排序分

正序和倒序两种形式,结果可能会不同,因此一定要注意是随着自变量值增大来排序。

3   判断:分两个层面

第一个层面:是否只有一种变化,即是否具有单调性。

第二个层面:在上述基础上,确定是单调增还是单调减。

4   单调区间:单调性是局部性质,是由子边界限制,要阐述单调性,必须指明单调区间,它容许定义域内其它非单调性的存在,只要我们把它分离开即可。理论上讲,任意一个函数,总能有一些单调区间,只不过是不是我们需要的罢了。

5   实际中的单调性判定

ⅰ 定义法:作差法。适用于一些较易配方尤其是二次函数

ⅱ 图像法:曲线只有一种发展趋势,左低右高为单调增,反之为单调减。适合于已经有图像的或易画出图像的。

ⅲ  利用基本初等函数,通过一些结论,得出单调性。

6  一些单调性的结论(以基本函数举例,以f(x)表示原基本函数

①  分式:在分式有意义的情况下,单调性反向。

②  根式:在根式有意义的情况下,单调性不变。

③  关于式子意义的问题,其实不用记,只要定义域考虑了三种渠道,就不会错误。

④  反函数:单调性不变

⑤  f(x)+c(常数):相当于图像平移,单调性不变。

⑥  kf(x):  k>0,单调性不变,k<0,相当于正数和负数对换,单调性反向。

⑦  复合函数:复合的多个层级的函数若都具有单调性,则复合函数具有单调性。至于方向书上说同增异减。实际上,将增、减分别类比为正负,其规则与乘法的符号法则完全相同。

⑧  相加:必须是同性函数,即都为增,或都为减,结果不变。

⑨  相乘:必须是同性函数,两者都恒大于0,单调性不变;两者都恒小于0,单调性反向

⑩  常用的单调增函数:一次函数、指数函数、幂函数、对数函数

二、对称

1  实质:以第三方作为中介,反映两个函数的平衡关系。这个中介可以是对称点(点)也可以是对称轴(线)

对称形式

ⅰ  轴对称  函数图像沿一直线对折,图像能够完全重叠。这条直线称为对称轴。

ⅱ  中心对称  函数图像沿一个点旋转180度,图像能完全重叠。这个点称为中心点

对称轴可以是任意一条直线,以方程形式体现,中心点一般为坐标原点。

4  利用对称性质可以推出另一半图像

常用函数对称

⑴  常数函数:既是轴对称又是中心对称,其中直线上的所有点均为它的对称中心,与该直线相垂直的直线均为它的对称轴。

⑵  一次函数:既是轴对称又是中心对称,其中直线上的所有点均为它的对称中心,与该直线相垂直的直线均为它的对称轴。

⑶  二次函数:是轴对称,不是中心对称,其对称轴方程为x=-b/(2a)。

⑷  反比例函数:既是轴对称又是中心对称,其中原点为它的对称中心,y=x与y=-x均为它的对称轴。

⑸  指数函数:既不是轴对称,也不是中心对称

⑹  对数函数:既不是轴对称,也不是中心对称

⑺  幂函数:显然幂函数中的奇函数是中心对称对称中心是原点;幂函数中的偶函数是轴对称对称轴是y轴;而其他的幂函数不具备对称性。

⑻  正弦函数:既是轴对称又是中心对称,其中(kπ,0)是它的对称中心,x=kπ+π/2是它的对称轴。

⑼  正弦型函数:正弦型函数y=Asin(ωx+φ)既是轴对称又是中心对称,只需从ωx+φ=kπ中解出x,就是它的对称中心的横坐标,纵坐标当然为零;只需从ωx+φ=kπ+π/2中解出x,就是它的对称轴;需要注意的是如果图像向上向下平移,对称轴不会改变,但对称中心的纵坐标会跟着变化。

⑽  余弦函数:既是轴对称又是中心对称,其中x=kπ是它的对称轴,(kπ+π/2,0)是它的对称中心。

⑾  正切函数:不是轴对称,但是是中心对称,其中(kπ/2,0)是它的对称中心,容易犯错误的是可能有的同学会误以为对称中心只是(kπ,0)。

⑿  对号函数:对号函数y=x+a/x(其中a>0)因为是奇函数所以是中心对称,原点是它的对称中心。但容易犯错误的是同学们可能误以为最值处是它的对称轴,例如在处理函数y=x+1/x时误以为会有f0.5)=f(1.5),我在教学时总是问学生:你可看见过老师将“√”两边画得一样齐?学生们立刻明白并记忆深刻。

⒀  三次函数:显然三次函数中的奇函数是中心对称对称中心是原点,而其他的三次函数是否具备对称性得因题而异。

⒁  绝对值函数:这里主要说的是y=f(│x│)和y=│f(x)│两类。前者显然是偶函数,它会关于y轴对称;后者是把x轴下方的图像对称到x轴的上方,是否仍然具备对称性,这也没有一定的结论,例如y=│lnx│就没有对称性,而y=│sinx│却仍然是轴对称

三、奇偶性

1   实质:反映函数正负转换,为单调性变向提供依据。

2   定义:奇函数:-f(x)= f(-x) 或f(x)=-f(-x) 后者只需变动一项,建议记后者。

         偶函数:f(x)=f(-x)

    由上可以看出,奇点和偶点的位置关于x轴对称,但除非在原点,否则不同时出现。

3   表现形式:ⅰ奇函数,ⅱ 偶函数 ⅲ 非奇非偶 ⅳ 既奇既偶。

4   判定方法:奇函数:f(x)+f(-x)=0  图像中关于原点对称

函数f(x)-f(-x)=0,图像中关于y轴对称

5  几个结论

ⅰ  奇函数必过圆点f(0)=0

ⅱ f(x)与k f(x) 奇偶性相同

ⅲ  f(x)与1/ f(x) 奇偶性相同

ⅳ  f(x)=0既奇既偶,但似乎没有什么使用价值,知道一下就行了。

ⅴ  复合函数奇偶性:书上的不好记,其实只要有一个是偶函数,另一个不是非奇非偶,结果就一定是偶函数。否则就都为奇函数,结果也为奇函数

四、三个性质之间的关系

1   奇偶性与对称性的关系

ⅰ  奇函数是一种关于原点的中心对称。偶函数是关于y轴的轴对称。它们具有互证关系。

ⅱ  奇偶性虽然与对称性实质相同,但研究角度不同。对称性是两个函数分别与对称轴或中心点的关系,使用了中间媒介,而奇偶性是两个函数直接的联系。当然是由于中间媒介的特殊性导出的。

ⅲ  对称性是特殊到一般,图像从点、线到面,即点与点之间的对称、线与线之间的对称,面与面之间的对称,几种形式都存在,组成图像的所有点线面都对称,则整个函数具有了对称性。单独的点与点之间的对称称为局部对称对称性允许局部对称

奇偶性是从一般到特殊,它首先要求函数必须全部满足对称,根据其对称规则或称配

对原则,建立每两点之间的关系。不允许局部对称

局部对称属于对称性,虽不满足奇偶性,但如果是与原点或y轴相关,完全可以参照

函数值关系,注意只适合这两个点。

2   奇偶性与单调性的关系   

ⅰ  奇函数有相同的单调性。

ⅱ  偶函数有相反的单调性。

3   对称性与单调性的关系

无直接联系。

第三类  特殊值

一、定点

1   含义:在一个函数关系中,无论参数在取值范围内如何变化,都必须经过同一个点。

2   求法:首先根据基本函数性质和题设确定定点的存在性。然后因为要求恒成立,只要把参数设成特殊值,就可以求出定点坐标。

3   作用:定点是参数变化中的函数之间的唯一联系,是函数变化围绕的中心点,利用定点可以确定参数取值范围。

4   所有指数函数过定点(0,1),所有对数函数过定点(1,0)

二、零点

1   含义:y=0的点、图像中是x轴上的点。延伸含义:方程的解

2   求法:根据图像法判断有无零点以及个数,即存在性判断。其次再用解方程求出坐标值。尤其要使用恒正多项式。

3   作用:求不等式解集、判断方程解的有无与个数。

三、最大值、最小值

1   含义  函数值在某个区间内的最大值、最小值

2   求法  ⅰ  利用单调性  ⅱ 利用导数

3   作用  解决各类最值问题

四、交点

1   含义  指两个以上函数,它们某点x、y均相等,这个点在图像中是个交汇点。

2   求法  根据图像法判断有无交点及交点个数,解联立方程组。

3   作用  解决同时满足两个条件的问题。

五、四个点的关系

1 定点与交点。

定点相当于参数变化的函数共同的交点,如果给出两个位置状态,同样可以使用交点解

方程的方法求定点坐标。

2  零点与交点

   零点是函数与x轴的交点,即函数与y=0函数的交点。

3  零点与定点

   有时候定点就是零点,如对数函数的定点。

4  以上三点对最值的影响

   往往是最值的转折点。

第三部分 各部分之间性质关系

一、定义域、值域对判断型性质的影响。

1   总边界的影响:

所有判断型性质必须在函数总的定义域和值域划定的范围中。一般前期是定义域,后期

用值域检验。

2  子边界的影响——区间

(1)奇偶性

前面说过,奇偶性是从一般到特殊,它必须建立在所有点都具备此性质的基础上,因此它具有全域性,即在定义域范围来判定。各子边界必然遵循全域的性质。此性质在函数中具有统一性,不存在奇偶区间的说法。但有时为了研究的需要,人为划出一个区间,以与研究目标匹配,相当于选取一段具体的图像,由于两者有关系,选取时要平衡选取。类比按比例放大图像,如果只延长一条边,形状肯定发生变化。根据前面所说,奇点和偶点关于x对称,对应的x值都为-x,要使新区间每个点都满足,则要求定义域对称,即(-a,a)。此结论不能用来判定奇偶性,但可以检验区间划分的合理性。

(2) 对称

理论上讲,如果没有任何限制,任何图像都可以找到轴对称和中心对称关系,只是当我们用边界加以限制时,这种对称关系是否落在范围之内就是问题。对称性因为允许局部对称,并支持分段研究,区间划分非常灵活,一般某一段图像是对称的,就把它截取出来,这段曲线对应的x、y值取值范围应该称为对称区间。对称区间虽然客观上是存在的,但区间值实际意义并不大,只起限定研究范围的作用。一般无需讨论对称区间。

(3) 单调性

单调性与对称性相似,都属于局部性质。即都有自己的区间。但单调区间值非常重要,它要参与求最值。应该说单调性就是为求最值而生的,它通过函数的顶点和单调区间得出最值。因此一般描述单调性的同时要注明单调区间。

二、定义域、值域对特殊点的影响

1   定点:如果有定点,其x值必在定义域、值域内。

2   零点、交点:需要判断在定义域内是否存在。

3   最值:有影响的主要是值域,最值不能超过值域。

三、最值的解法

1   函数顶点(对于全域函数

    图像自然的顶点、单调性改变的点(图示法);解函数式得到的最值(配方法)、

2   单调区间(对于局域函数

对二次函数,建议采用配方法,对非二次函数,推荐使用导数法

注:最值点必须是能取到的点,开区间没有最值。

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