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函数(数学函数)

函数的定义:给定一个数集A,假设其中的元素为x。现对A中的元素x施加对应法则f,记作f(x),得到另一数集B。假设B中的元素为y。则y与x之间的等量关系可以用y=f(x)表示。我们把这个关系式就叫函数关系式,简称函数。函数概念含有三个要素:定义域A、值域C和对应法则f。其中核心是对应法则f,它是函数关系的本质特征。

函数(function),最早由中国清朝数学家李善兰翻译,出于其著作《代数学》。之所以这么翻译,他给出的原因是“凡此变数中函彼变数者,则此为彼之函数”,也即函数指一个量随着另一个量的变化而变化,或者说一个量中包含另一个量。函数的定义通常分为传统定义和近代定义,函数的两个定义本质是相同的,只是叙述概念的出发点不同,传统定义是从运动变化的观点出发,而近代定义是从集合、映射的观点出发。

首先要理解,函数是发生在集合之间的一种对应关系。然后,要理解发生在A、B之间的函数关系不止且不止一个。最后,要重点理解函数的三要素。

函数的对应法则通常用解析式表示,但大量的函数关系是无法用解析式表示的,可以用图像、表格及其他形式表示 [1]

在一个变化过程中,发生变化的量叫变量(数学中,常常为x,而y则随x值的变化而变化),有些数值是不随变量而改变的,我们称它们为常量。

自变量(函数):一个与它量有关联的变量,这一量中的任何一值都能在它量中找到对应的固定值。

因变量(函数):随着自变量的变化而变化,且自变量取唯一值时,因变量(函数)有且只有唯一值与其相对应。

函数值:在y是x的函数中,x确定一个值,y就随之确定一个值,当x取a时,y就随之确定为b,b就叫做a的函数值 [1]

设A和B是两个非空集合,如果按照某种对应关系

则有:定义在非空数集之间的映射称为函数。(函数的自变量是一种特殊的原象,因变量是特殊的象) [1]

函数与不等式和方程存在联系(初等函数)。令函数值等于零,从几何角度看,对应的自变量的值就是图像与X轴的交点的横坐标;从代数角度看,对应的自变量是方程的解。另外,把函数的表达式(无表达式的函数除外)中的“=”换成“<”或“>”,再把“Y”换成其它代数式,函数就变成了不等式,可以求自变量的范围 [1]

如果X到Y的二元关系

输入值的集合X被称为f的定义域;可能的输出值的集合Y被称为f值域。函数的值域是指定义域中全部元素通过映射f得到的实际输出值的集合。注意,把对应域称作值域是不正确的,函数的值域是函数的对应域的子集。

计算机科学中,参数和返回值的数据类型分别确定了子程序的定义域和对应域。因此定义域和对应域是函数一开始就确定的强制进行约束。另一方面,值域是和实际的实现有关 [1]

单射函数,将不同的变量映射到不同的值。即:对于所有

满射函数,其值域即为其对映域。即:对映射f的对映域中之任意y,都存在至少一个x满足 y=f(x)。

双射函数,既是单射的又是满射的。也叫一一对应。双射函数经常被用于表明集合X和Y是等势的,即有一样的基数。如果在两个集合之间可以建立一个一一对应,则说这两个集合等势 [1]

函数f的图象是平面上点对

如果XY都是连续的线,则函数的图象有很直观表示注意两个集合XY的二元关系有两个定义:一是三元组(X,Y,G),其中G是关系的图;二是索性以关系的图定义。用第二个定义则函数f等于其图象 [1]

中文数学书上使用的“函数”一词是转译词。是我国清代数学家李善兰在翻译《代数学》(1859年)一书时,把“function”译成“函数”的。
  中国古代“函”字与“含”字通用,都有着“包含”的意思。李善兰给出的定义是:“凡式中含天,为天之函数。”中国古代用天、地、人、物4个字来表示4个不同的未知数或变量。这个定义的含义是:“凡是公式中含有变量x,则该式子叫做x的函数。”所以“函数”是指公式里含有变量的意思。我们所说的方程的确切定义是指含有未知数的等式。但是方程一词在我国早期的数学专著《九章算术》中,意思指的是包含多个未知量的联立一次方程,即所说的线性方程组 [1]

十七世纪伽俐略在《两门新科学》一书中,几乎全部包含函数或称为变量关系的这一概念,用文字和比例的语言表达函数的关系。1637年前后笛卡尔在他的解析几何中,已注意到一个变量对另一个变量的依赖关系,但因当时尚未意识到要提炼函数概念,因此直到17世纪后期牛顿、莱布尼兹建立微积分时还没有人明确函数的一般意义,大部分函数是被当作曲线来研究的。

1673年,莱布尼兹首次使用“function”(函数)表示“幂”,后来他用该词表示曲线上点的横坐标、纵坐标、切线长等曲线上点的有关几何量。与此同时,牛顿在微积分的讨论中,使用 “流量”来表示变量间的关系 [1]

1718年约翰柏努利在莱布尼兹函数概念的基础上对函数概念进行了定义:“由任一变量和常数的任一形式所构成的量。”他的意思是凡变量x和常量构成的式子都叫做x的函数,并强调函数要用公式来表示。

1748年,欧拉在其《无穷分析引论》一书中把函数定义为:“一个变量的函数是由该变量的一些数或常量与任何一种方式构成的解析表达式。”他把约翰贝努利给出的函数定义称为解析函数,并进一步把它区分为代数函数和超越函数,还考虑了“随意函数”。不难看出,欧拉给出的函数定义比约翰贝努利的定义更普遍、更具有广泛意义。

1755年,欧拉给出了另一个定义:“如果某些变量,以某一种方式依赖于另一些变量,即当后面这些变量变化时,前面这些变量也随着变化,我们把前面的变量称为后面变量的函数。” [1]

1821年,柯西从定义变量起给出了定义:“在某些变数间存在着一定的关系,当一经给定其中某一变数的值,其他变数的值可随着而确定时,则将最初的变数叫自变量,其他各变数叫做函数。”在柯西的定义中,首先出现了自变量一词,同时指出对函数来说不一定要有解析表达式。不过他仍然认为函数关系可以用多个解析式来表示,这是一个很大的局限。

1822年傅里叶发现某些函数可以用曲线表示,也可以用一个式子表示,或用多个式子表示,从而结束了函数概念是否以唯一一个式子表示的争论,把对函数的认识又推进了一个新层次。

1837年狄利克雷突破了这一局限,认为怎样去建立

等到康托创立的集合论在数学中占有重要地位之后,奥斯瓦尔德维布伦用“集合”和“对应”的概念给出了近代函数定义,通过集合概念把函数的对应关系、定义域及值域进一步具体化了,且打破了“变量是数”的极限,变量可以是数,也可以是其它对象 [1]

1914年豪斯道夫(F.Hausdorff)在《集合论纲要》中用不明确的概念“序偶”来定义函数,其避开了意义不明确的“变量”、“对应”概念。库拉托夫斯基(Kuratowski)于1921年用集合概念来定义“序偶”使豪斯道夫的定义很严谨了。

一般的,在一个变化过程中,假设有两个变量x、y,如果对于任意一个x都有唯一确定的一个y和它对应,那么就称x是自变量,y是x的函数。x的取值范围叫做这个函数的定义域,相应y的取值范围叫做函数的值域 [1]

设A,B是非空的数集,如果按照某种确定的对应关系f,使对于集合A中的任意一个数x,在集合B中都有唯一确定的数

其中x叫作自变量,

定义域,值域,对应法则称为函数的三要素。一般书写为

函数过程中的这些语句用于完成某些有意义的工作通常是处理文本,控制输入或计算数值。通过在程序代码中引入函数名称和所需的参数,可在该程序中执行(或称调用)该函数。

类似过程,不过函数一般都有一个返回值。它们都可在自己结构里面调用自己,称为递归。

大多数编程语言构建函数的方法里都含有函数关键字(或称保留字) [1]

用含有数学关系的等式来表示两个变量之间的函数关系的方法叫做解析式法。这种方法的优点是能简明、准确、清楚地表示出函数与自变量之间的数量关系;缺点是求对应值时往往要经过较复杂的运算,而且在实际问题中有的函数关系不一定能用表达式表示出来 [1]

用列表的方法来表示两个变量之间函数关系的方法叫做列表法。这种方法的优点是通过表格中已知自变量的值,可以直接读出与之对应的函数值;缺点是只能列出部分对应值,难以反映函数的全貌。如下所示 [1]

把一个函数的自变量x与对应的因变量y的值分别作为点的横坐标和纵坐标,在直角坐标系内描出它的对应点,所有这些点组成的图形叫做该函数的图象。这种表示函数关系的方法叫做图象法。这种方法的优点是通过函数图象可以直观、形象地把函数关系表示出来;缺点是从图象观察得到的数量关系是近似的 [1]

使用语言文字来描述函数的关系 [1]

设函数f(x)在区间X上有定义,如果存在M>0,对于一切属于区间X上的x,恒有|f(x)|≤M,则称f(x)在区间X上有界,否则称f(x)在区间上无界 [2]

设函数f(x)的定义域为D,区间I包含于D。如果对于区间上任意两点x1及x2,当x1<x2时,恒有f(x1)<f(x2),则称函数f(x)在区间I上是单调递增的;如果对于区间I上任意两点x1及x2,当x1<x2时,恒有f(x1)>f(x2),则称函数f(x)在区间I上是单调递减的。单调递增和单调递减的函数统称为单调函数 [1]

几何上,一个奇函数关于原点对称,亦即其图像在绕原点做180度旋转后不会改变。

奇函数的例子有x、sin(x)、sinh(x)和erf(x)。

fx)为一实变量实值函数,若有

几何上,一个偶函数关于y轴对称,亦即其图在对y轴映射后不会改变。

偶函数的例子有|x|、x2、cos(x)和cosh(x)。

偶函数不可能是个双射映射 [1]

设函数f(x)的定义域为D。如果存在一个正数T,使得对于任一

的定义域 D 为至少一边的无界区间,若D为有界的,则该函数不具周期性。并非每个周期函数都有最小正周期,例如狄利克雷函数。

周期函数有以下性质:

(1)若T(T≠0)是f(x)的周期,则-T也是f(x)的周期。

(2)若T(T≠0)是f(x)的周期,则nT(n为任意非零整数)也是f(x)的周期。

(3)若T1与T2都是f(x)的周期,则

(4)若f(x)有最小正周期T*,那么f(x)的任何正周期T一定是T*的正整数倍。

(5)T*是f(x)的最小正周期,且T1、T2分别是f(x)的两个周期,则T1/T2∈Q(Q是有理数集)

(6)若T1、T2是f(x)的两个周期,且T1/T2是无理数,则f(x)不存在最小正周期。

(7)周期函数f(x)的定义域M必定是双方无界的集合 [1]

在数学中,连续是函数的一种属性。直观上来说,连续的函数就是当输入值的变化足够小的时候,输出的变化也会随之足够小的函数。如果输入值的某种微小的变化会产生输出值的一个突然的跳跃甚至无法定义,则这个函数被称为是不连续的函数(或者说具有不连续性)。

f是一个从实数集的子集射到 的函数:f在中的某个点c处是连续的当且仅当以下的两个条件满足:

f在点c上有定义。c是其中的一个聚点,并且无论自变量x在中以什么方式接近cfx) 的极限都存在且等于fc)。我们称函数到处连续或处处连续,或者简单的连续,如果它在其定义域中的任意点处都连续。更一般地,我们说一个函数在它定义域的子集上是连续的当它在这个子集的每一点处都连续。

不用极限的概念,也可以用下面所谓的方法来定义实值函数的连续性。

仍然考虑函数。假设cf的定义域中的元素。函数f被称为是在c点连续当且仅当以下条件成立:

对于任意的正实数,存在一个正实数δ> 0 使得对于任意定义域中的δ,只要x满足c - δ< x < c + δ,就有成立 [1]

设函数

那么称第一个不等式中的

同理如果恒有

那么称第一个不等式中的

设函数

并不是任何两个函数都可以复合成一个复合函数,若D为空集,则

一般地,设函数

习惯上只有一一对应的函数才有反函数。而若函数是定义在其定义域D上的单调增加或单调减少函数,则其反函数在其定义域W上单调增加或减少。原函数与反函数之间关于y=x对称 [2]

在自变量的不同变化范围内,对应法则用不同解析式子来表示的一个函数,称为分段函数 [2] 。分段函数的定义域是各段定义域的并集 [1]

x取定义域内任意数时,都有 y=C (C是常数),则函数y=C称为常函数,

其图象是平行于x轴的直线或直线的一部分 [1]

在某一个变化过程中,设有两个变量x和y,如果可以写成

基本性质:

1、在正比例函数时,x与y的商一定(x≠0)。在反比例函数时,x与y的积一定。

在y=kx+b(k,b为常数,k≠0)中,当x增大m时,函数值y则增大km,反之,当x减少m时,函数值y则减少km。

2、当x=0时,b为一次函数图像与y轴交点的纵坐标,该点的坐标为(0,b);当y=0时,一次函数图像与x轴相交于(b/k)

3、当b=0时,一次函数变为正比例函数。当然正比例函数为特殊的一次函数。

4、在两个一次函数表达式中:

当两个一次函数表达式中的k相同,b也相同时,则这两个一次函数的图像重合;

当两个一次函数表达式中的k相同,b不相同时,则这两个一次函数的图像平行;

当两个一次函数表达式中的k不相同,b不相同时,则这两个一次函数的图像相交;

当两个一次函数表达式中的k不相同,b相同时,则这两个一次函数图像交于y轴上的同一点(0,b);

当两个一次函数表达式中的k互为负倒数时,则这两个一次函数图像互相垂直。

5、两个一次函数(y1=k1x+b1,y2=k2x+b2)相乘时(k≠0),得到的的新函数为二次函数,

该函数的对称轴为-(k2b1+k1b2)/(2k1k2);

当k1,k2正负相同时,二次函数开口向上;

当k1,k2正负相反时,二次函数开口向下。

二次函数与y轴交点为(0,b2b1)。

6、两个一次函数(y1=ax+b,y2=cx+d)之比,得到的新函数y3=(ax+b)/(cx+d)为反比例函数,渐近线为x=-b/a,y=c/a。

7、当平面直角坐标系中两直线平行时,其函数解析式中k的值(即一次项系数)相等;当平面直角坐标系中两直线垂直时,其函数解析式中k的值互为负倒数(即两个k值的乘积为-1)。

图像:

如右图所示,一次函数y=kx+b(k≠0)图像是直线,过(0,b)和(-b/k,0)两点。特别地,当b=0时,图像过原点。

一次函数和方程的联系与区别:

1、一次函数和一元一次方程有相似的表达形式。

2、一次函数表示的是一对(x,y)之间的关系,它有无数对解;一元一次方程表示的是未知数x的值,最多只有1个值 。

3、一次函数与x轴交点的横坐标就是相应的一元一次方程的根。

一次函数和不等式:

从函数的角度看,解不等式的方法就是寻求使一次函数y=kx+b的值大于(或小于)0的自变量x的取值范围的一个过程;

从函数图像的角度看,就是确定直线y=kx+b在x轴上(或下)方部分所有的点的横坐标所构成的集合。

对应一次函数y=kx+b,它与x轴交点为(-b/k,0)。

当k>0时,不等式kx+b>0的解为:x>- b/k,不等式kx+b<0的解为:x<- b/k;

当k<0的解为:不等式kx+b>0的解为:x<- b/k,不等式kx+b<0的解为:x>- b/k [1]

一般地,自变量x和因变量y之间存在如下关系:

二次函数还有以下两种表示方式:

顶点式:

交点式(与x轴):

从右图可见二次函数图像是轴对称图形。

函数性质

1、二次函数是抛物线,但抛物线不一定是二次函数。开口向上或者向下的抛物线才是二次函数。抛物线是轴对称图形。对称轴为直线x = -b/2a。对称轴与抛物线唯一的交点为抛物线的顶点P。特别地,当b=0时,抛物线的对称轴是y轴(即直线x=0)

2、抛物线有一个顶点P,坐标为

3、二次项系数a决定抛物线的开口方向和大小。当a>0时,抛物线向上开口;当a<0时,抛物线向下开口。|a|越大,则抛物线的开口越小。当a>0时,函数在

4、一次项系数b和二次项系数a共同决定对称轴的位置。当a与b同号时(即ab>0),对称轴在y轴左;当a与b异号时(即ab<0),对称轴在y轴右。

5、令

Δ>0,抛物线与x轴有2个交点,分别为:

Δ= 0,抛物线与x轴有1个交点,为

Δ<0,抛物线与x轴没有交点,x的取值为虚数 [1]

形如

定义:形如

一般的,自变量x和因变量y存在如下关系:

基本初等函数包括幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数和常数函数。

幂函数是形如y=xa的函数,a可以是自然数、有理数,也可以是任意实数或复数 [1]

指数函数是形如y=ax(a>0 ,a≠1)的函数,定义域为

以10为底的对数称为常用对数,简记为

三角函数是数学中属于初等函数中的超越函数的一类函数。它们的本质是任意角的集合与一个比值的集合的变量之间的映射。通常的三角函数是在平面直角坐标系中定义的,其定义域为整个实数域。另一种定义是在直角三角形中,但并不完全。现代数学把它们描述成无穷数列的极限和微分方程的解,将其定义扩展到复数系。

由于三角函数的周期性,它并不具有单值函数意义上的反函数。

三角函数在复数中有较为重要的应用。在物理学中,三角函数(Trigonometric)也是常用的工具。

它有六种基本函数:正弦函数,余弦函数,正切函数,余切函数,正割函数和余割函数 [1]

反三角函数包括反正弦函数,反余弦函数,反正切函数,反余切函数,反正割函数和反余割函数 [1]

常数函数(也称常值函数)是指值不发生改变(即是常数)的函数。例如,我们有函数f(x)=4,因为f映射任意的值到4,因此f是一个常数。更一般地,对一个函数f: A→B,如果对A内所有的xy,都有f(x)=f(y),那么,f是一个常数函数 [1]

复变函数是定义域为复数集合的函数。

复数的概念起源于求方程的根,在二次、三次代数方程的求根中就出现了负数开平方的情况。在很长时间里,人们对这类数不能理解。但随着数学的发展,这类数的重要性就日益显现出来。复数的一般形式是:a+bi,其中i是虚数单位。

以复数作为自变量的函数就叫做复变函数,而与之相关的理论就是复变函数论。解析函数是复变函数中一类具有解析性质的函数,复变函数论主要就研究复数域上的解析函数,因此通常也称复变函数论为解析函数论 [3]

复变函数论产生于十八世纪。1774年,欧拉在他的一篇论文中考虑了由复变函数的积分导出的两个方程。而比他更早时,法国数学家达朗贝尔在他的关于流体力学的论文中,就已经得到了它们。因此,后来人们提到这两个方程,把它们叫做“达朗贝尔-欧拉方程”。到了十九世纪,上述两个方程在柯西和黎曼研究流体力学时,作了更详细的研究,所以这两个方程也被叫做“柯西-黎曼条件”。

复变函数论的全面发展是在十九世纪,就象微积分的直接扩展统治了十八世纪的数学那样,复变函数这个新的分支统治了十九世纪的数学。当时的数学家公认复变函数论是最丰饶的数学分支,并且称为这个世纪的数学享受,也有人称赞它是抽象科学中最和谐的理论之一。

为复变函数论的创建做了最早期工作的是欧拉、达朗贝尔,法国的拉普拉斯也随后研究过复变函数的积分,他们都是创建这门学科的先驱。

后来为这门学科的发展作了大量奠基工作的要算是柯西、黎曼和德国数学家维尔斯特拉斯。二十世纪初,复变函数论又有了很大的进展,维尔斯特拉斯的学生,瑞典数学家列夫勒、法国数学家彭加勒、阿达玛等都作了大量的研究工作,开拓了复变函数论更广阔的研究领域,为这门学科的发展做出了贡献。

复变函数论在应用方面,涉及的面很广,有很多复杂的计算都是用它来解决的。比如物理学上有很多不同的稳定平面场,所谓场就是每点对应有物理量的一个区域,对它们的计算就是通过复变函数来解决的。

比如俄国的茹柯夫斯基在设计飞机的时候,就用复变函数论解决了飞机机翼的结构问题,他在运用复变函数论解决流体力学和航空力学方面的问题上也做出了贡献。

复变函数论不但在其他学科得到了广泛的应用,而且在数学领域的许多分支也都应用了它的理论。它已经深入到微分方程、积分方程、概率论和数论等学科,对它们的发展很有影响 [3]

复变函数论主要包括单值解析函数理论、黎曼曲面理论、几何函数论、留数理论、广义解析函数等方面的内容。

如果当函数的变量取某一定值的时候,函数就有一个唯一确定的值,那么这个函数解就叫做单值解析函数,多项式就是这样的函数。

复变函数也研究多值函数,黎曼曲面理论是研究多值函数的主要工具。由许多层面安放在一起而构成的一种曲面叫做黎曼曲面。利用这种曲面,可以使多值函数的单值枝和枝点概念在几何上有非常直观的表示和说明。对于某一个多值函数,如果能作出它的黎曼曲面,那么,函数在离曼曲面上就变成单值函数。

黎曼曲面理论是复变函数域和几何间的一座桥梁,能够使我们把比较深奥的函数的解析性质和几何联系起来。关于黎曼曲面的研究还对另一门数学分支拓扑学有比较大的影响,逐渐地趋向于讨论它的拓扑性质。

复变函数论中用几何方法来说明、解决问题的内容,一般叫做几何函数论,复变函数可以通过共形映象理论为它的性质提供几何说明。导数处处不是零的解析函数所实现的映象就都是共形映象,共形映象也叫做保角变换。共形映象在流体力学、空气动力学、弹性理论、静电场理论等方面都得到了广泛的应用。

留数理论是复变函数论中一个重要的理论。留数也叫做残数,它的定义比较复杂。应用留数理论对于复变函数积分的计算比起线积分计算方便。计算实变函数定积分,可以化为复变函数沿闭回路曲线的积分后,再用留数基本定理化为被积分函数在闭合回路曲线内部孤立奇点上求留数的计算,当奇点是极点的时候,计算更加简洁。

把单值解析函数的一些条件适当地改变和补充,以满足实际研究工作的需要,这种经过改变的解析函数叫做广义解析函数。广义解析函数所代表的几何图形的变化叫做拟保角变换。解析函数的一些基本性质,只要稍加改变后,同样适用于广义解析函数。

广义解析函数的应用范围很广泛,不但应用在流体力学的研究方面,而且象薄壳理论这样的固体力学部门也在应用。因此,自2002年来这方面的理论发展十分迅速。

从柯西算起,复变函数论已有170多年的历史了。它以其完美的理论与精湛的技巧成为数学的一个重要组成部分。它曾经推动过一些学科的发展,并且常常作为一个有力的工具被应用在实际问题中,它的基础内容已成为理工科很多专业的必修课程。2002年,复变函数论中仍然有不少尚待研究的课题,所以它将继续向前发展,并将取得更多应用 [3]

实函数(Real function),指定义域和值域均为实数域的函数。实函数的特性之一是可以在坐标上画出图形。

双曲正弦:

双曲余弦:

双曲正切:

双曲余切:

若能由方程F(x,y)=0 确定y为x的函数y=f(x),即

而此处方程F(x,y )= 0 并非函数。

多元函数(n-元函数)是指输入值为n-元组的函数。或者说,若一函数的输入值域为n个集合的笛卡尔积的子集,这函数就是n-元函数。

此外经常用到的函数还有高斯函数,阶梯函数和脉冲函数。


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