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第一章 函数与极限§1. 1 映射与函数教学建议：本节以讲授分段函数的复合、初等函数的分解为重点，集合部分可以不讲，或仅作简单回顾和介绍，映射部分少讲。
一、集合 1. 集合概念集合(简称集): 集合是指具有某种特定性质的事物的总体. 用A , B , M 等表示. 元素: 组成集合的事物称为集合的元素. a 是集合M 的元素表示为a ∈M . 集合的表示:列举法: 把集合的全体元素一一列举出来. 例如A ={a , b , c , d , e , f , g }.描述法: 若集合M 是由元素具有某种性质P 的元素x 的全体所组成, 则M 可表示为 A ={a 1, a 2, ⋅ ⋅ ⋅, a n }, M ={x | x 具有性质P }.例如M ={(x , y )| x , y 为实数, x 2+y 2=1}. 几个数集:N 表示所有自然数构成的集合, 称为自然数集. N ={0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n , ⋅ ⋅ ⋅}. N +={1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n , ⋅ ⋅ ⋅}. R 表示所有实数构成的集合, 称为实数集. Z 表示所有整数构成的集合, 称为整数集. Z ={⋅ ⋅ ⋅, -n , ⋅ ⋅ ⋅, -2, -1, 0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n , ⋅ ⋅ ⋅}.Q 表示所有有理数构成的集合, 称为有理数集.},|{互质与且q p q Z p q p+∈∈=N Q子集: 若x ∈A , 则必有x ∈B , 则称A 是B 的子集, 记为A ⊂B (读作A 包含于B )或B ⊃A . 如果集合A 与集合B 互为子集, A ⊂B 且B ⊂A , 则称集合A 与集合B 相等, 记作A =B . 若A ⊂B 且A ≠B , 则称A 是B 的真子集, 记作A ≠⊂B . 例如, N ≠⊂Z ≠⊂Q ≠⊂R . 不含任何元素的集合称为空集, 记作∅. 规定空集是任何集合的子集. 2. 集合的运算设A 、B 是两个集合, 由所有属于A 或者属于B 的元素组成的集合称为A 与B 的并集(简称并), 记作A ⋃B , 即A ⋃B ={x |x ∈A 或x ∈B }.设A 、B 是两个集合, 由所有既属于A 又属于B 的元素组成的集合称为A 与B 的交集(简称交), 记作A ⋂B , 即A⋂B={x|x∈A且x∈B}.设A、B是两个集合, 由所有属于A而不属于B的元素组成的集合称为A与B的差集(简称差), 记作A\B, 即A\B={x|x∈A且x∉B}.如果我们研究某个问题限定在一个大的集合I中进行, 所研究的其他集合A都是I的子集. 此时, 我们称集合I为全集或基本集. 称I\A为A的余集或补集, 记作A C.集合运算的法则:设A、B、C为任意三个集合, 则(1)交换律A⋃B=B⋃A, A⋂B=B⋂A;(2)结合律(A⋃B)⋃C=A⋃(B⋃C), (A⋂B)⋂C=A⋂(B⋂C);(3)分配律(A⋃B)⋂C=(A⋂C)⋃(B⋂C), (A⋂B)⋃C=(A⋃C)⋂(B⋃C);(4)对偶律(A⋃B)C=A C⋂B C, (A⋂B)C=A C⋃B C.(A⋃B)C=A C⋂B C的证明:x∈(A⋃B)C⇔x∉A⋃B⇔x∉A且x∉B⇔x∈A C且x∈B C⇔x∈A C⋂B C, 所以(A⋃B)C=A C ⋂B C.直积(笛卡儿乘积):设A、B是任意两个集合, 在集合A中任意取一个元素x, 在集合B中任意取一个元素y, 组成一个有序对(x, y), 把这样的有序对作为新元素, 它们全体组成的集合称为集合A与集合B的直积, 记为A⨯B, 即A⨯B={(x, y)|x∈A且y∈B}.例如, R⨯R={(x, y)| x∈R且y∈R }即为xOy面上全体点的集合, R⨯R常记作R2.3. 区间和邻域有限区间:设a<b, 称数集{x|a<x<b}为开区间, 记为(a, b), 即(a, b)={x|a<x<b}.类似地有[a, b] = {x | a ≤x≤b }称为闭区间,[a, b) = {x | a≤x<b }、(a, b] = {x | a<x≤b }称为半开区间.其中a和b称为区间(a, b)、[a, b]、[a, b)、(a, b]的端点, b-a称为区间的长度.无限区间:[a, +∞) = {x | a≤x }, (-∞, b] = {x | x < b } , (-∞, +∞)={x | | x | < +∞}.区间在数轴上的表示:邻域: 以点a为中心的任何开区间称为点a的邻域, 记作U(a).设δ是一正数, 则称开区间(a-δ, a+δ)为点a的δ邻域, 记作U(a, δ), 即U(a, δ)={x | a-δ< x < a+δ}={x | | x -a |<δ}.其中点a 称为邻域的中心, δ 称为邻域的半径. 去心邻域U (a , δ):U (a , δ)={x |0<| x -a |<δ}二、映射1. 映射的概念 定义 设X 、Y 是两个非空集合, 如果存在一个法则f , 使得对X 中每个元素x , 按法则f , 在Y 中有唯一确定的元素y 与之对应, 则称f 为从X 到Y 的映射, 记作 f : X →Y ,其中y 称为元素x (在映射f 下)的像, 并记作f (x ), 即y =f (x ),而元素x 称为元素y (在映射f 下)的一个原像; 集合X 称为映射f 的定义域, 记作D f , 即 D f =X ;X 中所有元素的像所组成的集合称为映射f 的值域, 记为R f , 或f (X ), 即 R f =f (X )={f (x )|x ∈X }. 需要注意的问题:(1)构成一个映射必须具备以下三个要素: 集合X , 即定义域D f =X ; 集合Y , 即值域的范围: R f ⊂Y ; 对应法则f , 使对每个x ∈X , 有唯一确定的y =f (x )与之对应.(2)对每个x ∈X , 元素x 的像y 是唯一的; 而对每个y ∈R f , 元素y 的原像不一定是唯一的; 映射f 的值域R f 是Y 的一个子集, 即R f ⊂Y , 不一定R f =Y . 例1设f : R →R , 对每个x ∈R , f (x )=x 2.显然, f 是一个映射, f 的定义域D f =R , 值域R f ={y |y ≥0}, 它是R 的一个真子集. 对于R f 中的元素y , 除y =0外, 它的原像不是唯一的. 如y =4的原像就有x =2和x =-2两个. 例2设X ={(x , y )|x 2+y 2=1}, Y ={(x , 0)||x |≤1}, f : X →Y , 对每个(x , y )∈X , 有唯一确定的(x , 0)∈Y 与之对应.显然f 是一个映射, f 的定义域D f =X , 值域R f =Y . 在几何上, 这个映射表示将平面上一个圆心在原点的单位圆周上的点投影到x 轴的区间[-1, 1]上. (3) f :]2 ,2[ππ-→[-1, 1], 对每个x ∈]2,2[ππ-, f (x )=sin x .f 是一个映射, 定义域D f =]2,2[ππ-, 值域R f =[-1, 1].满射、单射和双射:设f 是从集合X 到集合Y 的映射, 若R f =Y , 即Y 中任一元素y 都是X 中某元素的像, 则称f 为X 到Y 上的映射或满射; 若对X 中任意两个不同元素x 1≠x 2, 它们的像f (x 1)≠f (x 2), 则称f 为X 到Y 的单射; 若映射f 既是单射, 又是满射, 则称f 为一一映射(或双射). 上述三例各是什么映射？ 2. 逆映射与复合映射设f 是X 到Y 的单射, 则由定义, 对每个y ∈R f , 有唯一的x ∈X , 适合f (x )=y , 于是, 我们可定义一个从R f 到X 的新映射g , 即 g : R f →X ,对每个y ∈R f , 规定g (y )=x , 这x 满足f (x )=y . 这个映射g 称为f 的逆映射, 记作f -1, 其定义域1-f D =R f , 值域1-f R =X .按上述定义, 只有单射才存在逆映射. 上述三例中哪个映射存在逆映射？ 设有两个映射g : X →Y 1, f : Y 2→Z ,其中Y 1⊂Y 2. 则由映射g 和f 可以定出一个从X 到Z 的对应法则, 它将每个x ∈X 映射成f [g (x )]∈Z . 显然, 这个对应法则确定了一个从X 到Z 的映射, 这个映射称为映射g 和f 构成的复合映射, 记作f o g , 即f og : X →Z ,(f o g )(x )=f [g (x )], x ∈X . 应注意的问题:映射g 和f 构成复合映射的条件是: g 的值域R g 必须包含在f 的定义域内, R g ⊂D f . 否则, 不能构成复合映射. 由此可以知道, 映射g 和f 的复合是有顺序的, f o g 有意义并不表示g o f 也有意义. 即使f o g 与g o f 都有意义, 复映射f o g 与g o f 也未必相同. 例4 设有映射g : R →[-1, 1], 对每个x ∈R , g (x )=sin x , 映射f : [-1, 1]→[0, 1], 对每个u ∈[-1, 1], 21)(u u f -=. 则映射g 和f 构成复映射f o g : R →[0, 1], 对每个x ∈R , 有 |cos |sin 1)(sin )]([))((2x x x f x g f x g f =-=== .三、函数 1. 函数概念定义 设数集D ⊂R , 则称映射f : D →R 为定义在D 上的函数, 通常简记为 y =f (x ), x ∈D ,其中x 称为自变量, y 称为因变量, D 称为定义域, 记作D f , 即D f =D . 应注意的问题:记号f 和f (x )的含义是有区别的, 前者表示自变量x 和因变量y 之间的对应法则, 而后者表示与自变量x 对应的函数值. 但为了叙述方便, 习惯上常用记号“f (x ), x ∈D ”或“y =f (x ), x ∈D ”来表示定义在D 上的函数, 这时应理解为由它所确定的函数f .函数符号: 函数y =f (x )中表示对应关系的记号f 也可改用其它字母, 例如“F ”, “ϕ”等. 此时函数就记作y =ϕ (x ), y =F (x ). 函数的两要素:函数是从实数集到实数集的映射, 其值域总在R 内, 因此构成函数的要素是定义域D f 及对应法则f . 如果两个函数的定义域相同, 对应法则也相同, 那么这两个函数就是相同的, 否则就是不同的.函数的定义域通常按以下两种情形来确定: 一种是对有实际背景的函数, 根据实际背景中变量的实际意义确定. 例如, 在自由落体运动中, 设物体下落的时间为t , 下落的距离为s , 开始下落的时刻t =0, 落地的时刻t =T , 则s 与t 之间的函数关系是221gt s =, t ∈[0, T ].这个函数的定义域就是区间[0, T ]; 另一种是对抽象地用算式表达的函数, 通常约定这种函数的定义域是使得算式有意义的一切实数组成的集合, 这种定义域称为函数的自然定义域. 在这种约定之下, 一般的用算式表达的函数可用“y =f (x )”表达, 而不必再表出D f .例如, 函数21x y -=的定义域是闭区间[-1, 1], 函数211xy -=的定义域是开区间(-1,1).求定义域举例:求函数412--=x xy 的定义域.要使函数有意义, 必须x ≠0, 且x 2 - 4≥0. 解不等式得| x |≥2.所以函数的定义域为D ={x | | x |≥2}, 或D =(-∞, 2]⋃[2, +∞]).单值函数与多值函数: 在函数的定义中，对每个x ∈D , 对应的函数值y 总是唯一的, 这样定义的函数称为单值函数. 如果给定一个对应法则, 按这个法则, 对每个x ∈D , 总有确定的y 值与之对应, 但这个y 不总是唯一的, 我们称这种法则确定了一个多值函数. 例如, 设变量x 和y 之间的对应法则由方程x 2+y 2=r 2 给出. 显然, 对每个x ∈[-r , r ]，由方程x 2+y 2=r 2,可确定出对应的y 值, 当x =r 或x =-r 时, 对应y =0一个值; 当x 取(-r , r )内任一个值时, 对应的y 有两个值. 所以这方程确定了一个多值函数.对于多值函数, 往往只要附加一些条件, 就可以将它化为单值函数, 这样得到的单值函数称为多值函数的单值分支. 例如, 在由方程x 2+y 2=r 2给出的对应法则中, 附加“y ≥0”的条件, 即以“x 2+y 2=r 2且y ≥0”作为对应法则, 就可得到一个单值分支221)(x r x y y -==; 附加“y ≤0”的条件, 即以“x 2+y 2=r 2且y ≤0”作为对应法则, 就可得到另一个单值分支222)(x r x y y --==.表示函数的主要方法有三种: 表格法、图形法、解析法(公式法), 这在中学里大家已经熟悉. 其中, 用图形法表示函数是基于函数图形的概念, 即坐标平面上的点集 {P (x , y )|y =f (x ), x ∈D }称为函数y =f (x ), x ∈D 的图形. 图中的R f 表示函数y =f (x )的值域.例5 函数 y = 2. 其定义域为D =(-∞, ), 值域为R f ={2}图形为一条平行于x 轴的直线例6. 函数⎩⎨⎧<-≥==0 0||x x x x x y .称为绝对值函数. 其定义域为D =(-∞, +∞), 值域为R f =[0, +∞). 例7. 函数⎪⎩⎪⎨⎧<-=>==01000 1sgn x x x x y .称为符号函数. 其定义域为D =(-∞, +∞), 值域为R f ={-1, 0, 1}.例8 设x 为任上实数. 不超过x 的最大整数称为x 的整数部分, 记作[ x ]. 函数y = [ x ]称为取整函数. 其定义域为D =(-∞, +∞), 值域为R f =Z .0]75[=, 1]2[=, [π]=3, [-1]=-1, [-3. 5]=-4.分段函数:在自变量的不同变化范围中, 对应法则用不同式子来表示的函数称为分段函数.例9. 函数⎪⎩⎪⎨⎧>+≤≤=1110 2x x x x y .这是一个分段函数, 其定义域为D =[0, 1]⋃(0, +∞)= [0, +∞). 当0≤x ≤1时, x y 2=; 当x >1时, y =1+x .例如2212)21(==f ; 2 1 2)1(==f ; f (3)=1+3=4. 2. 函数的几种特性(1)函数的有界性设函数f (x )的定义域为D , 数集X ⊂D . 如果存在数K 1, 使对任一x ∈X , 有f (x )≤K 1, 则称函数f (x )在X 上有上界, 而称K 1为函数f (x )在X 上的一个上界. 图形特点是y =f (x )的图形在直线y =K 1的下方.如果存在数K 2, 使对任一x ∈X , 有f (x )≥ K 2, 则称函数f (x )在X 上有下界, 而称K 2为函数f (x )在X 上的一个下界. 图形特点是, 函数y =f (x )的图形在直线y =K 2的上方.如果存在正数M , 使对任一x ∈X , 有| f (x ) |≤M , 则称函数f (x )在X 上有界; 如果这样的M 不存在, 则称函数f (x )在X 上无界. 图形特点是, 函数y =f (x )的图形在直线y = - M 和y = M 的之间.函数f (x )无界, 就是说对任何M , 总存在x 1∈X , 使| f (x ) | > M .例如(1)f (x )=sin x 在(-∞, +∞)上是有界的: |sin x |≤1.(2)函数x x f 1)(=在开区间(0, 1)内是无上界的. 或者说它在(0, 1)内有下界, 无上界.这是因为, 对于任一M >1, 总有x 1: 1101<<<M x , 使M x x f >=111)(,所以函数无上界.函数x x f 1)(=在(1, 2)内是有界的.思考题：设21)(xxx f +=，问)(x f 在),(+∞-∞界吗？ (2)函数的单调性设函数y = f (x )的定义域为D , 区间I ⊂D . 如果对于区间I 上任意两点x 1及x 2, 当x 1<x 2时, 恒有f (x 1)< f (x 2), 则称函数f (x )在区间I 上是单调增加的.如果对于区间I 上任意两点x 1及x 2, 当x 1<x 2时, 恒有 f (x 1)> f (x 2), 则称函数f (x )在区间I 上是单调减少的.单调增加和单调减少的函数统称为单调函数. 函数单调性举例:函数y = x 2在区间(-∞, 0]上是单调增加的, 在区间[0, +∞)上是单调减少的, 在（-∞, +∞）上不是单调的. (3)函数的奇偶性设函数f (x )的定义域D 关于原点对称(即若x ∈D , 则-x ∈D ). 如果对于任一x ∈D , 有 f (-x ) = f (x ),则称f (x )为偶函数.如果对于任一x ∈D , 有 f (-x ) = -f (x ),则称f (x )为奇函数.偶函数的图形关于y 轴对称, 奇函数的图形关于原点对称, 奇偶函数举例:y =x 2, y =cos x 都是偶函数. y =x 3, y =sin x 都是奇函数, y =sin x +cos x 是非奇非偶函数. (4)函数的周期性设函数f (x )的定义域为D . 如果存在一个正数l , 使得对于任一x ∈D 有(x ±l )∈D , 且 f (x +l ) = f (x )则称f (x )为周期函数, l 称为f (x )的周期.周期函数的图形特点: 在函数的定义域内, 每个长度为l 的区间上, 函数的图形有相同的形状.3．反函数与复合函数 反函数:设函数f : D →f (D )是单射, 则它存在逆映射f -1: f (D )→D , 称此映射f -1为函数f 的反函数.按此定义, 对每个y ∈f (D ), 有唯一的x ∈D , 使得f (x )=y , 于是有 f -1(y )=x .这就是说, 反函数f -1的对应法则是完全由函数f 的对应法则所确定的. 例如, 函数y =x 3, x ∈R 是单射, 所以它的反函数存在, 其反函数为31y x =, y ∈R .由于习惯上自变量用x 表示, 因变量用因变量用表示, 于是y =x 3, x ∈R 的反函数通常写作31x y =, x ∈R .一般地, y =f (x ), x ∈D 的反函数记成y =f -1(x ), x ∈f (D ).若f 是定义在D 上的单调函数, 则f : D →f (D )是单射, 于是f 的反函数f -1必定存在, 而且容易证明f -1也是f (D )上的单调函数.相对于反函数y =f -1(x )来说, 原来的函数y =f (x )称为直接函数. 把函数y =f (x )和它的反函数y =f -1(x )的图形画在同一坐标平面上, 这两个图形关于直线y =x 是对称的. 这是因为如果P (a , b )是y =f (x )图形上的点, 则有b =f (a ). 按反函数的定义, 有a =f -1(b ), 故Q (b , a )是y =f -1(x )图形上的点; 反之, 若Q (b , a )是y =f -1(x )图形上的点, 则P (a , b )是y =f (x )图形上的点. 而P (a , b )与Q (b , a )是关于直线y =x 对称的. 复合函数:复合函数是复合映射的一种特例, 按照通常函数的记号, 复合函数的概念可如下表述.设函数y =f (u )的定义域为D 1, 函数u =g (x )在D 上有定义且g (D )⊂ D 1, 则由下式确定的函数y =f [g (x )], x ∈D称为由函数u =g (x )和函数y =f (u )构成的复合函数, 它的定义域为D , 变量u 称为中间变量. 函数g 与函数f 构成的复合函数通常记为g f , 即 (g f )=f [g (x )].与复合映射一样, g 与f 构成的复合函数g f 的条件是: 是函数g 在D 上的值域g (D )必须含在f 的定义域D f 内, 即g (D )⊂D f . 否则, 不能构成复合函数. 例如, y =f (u )=arcsin u , 的定义域为[-1, 1], 212)(x x g u -==在]1 ,23[]23 ,1[⋃--=D 上有定义, 且g (D )⊂[-1, 1], 则g 与f 可构成复合函数 212arcsin x y -=, x ∈D ;但函数y =arcsin u 和函数u =2+x 2不能构成复合函数, 这是因为对任x ∈R , u =2+x 2均不在y =arcsin u 的定义域[-1, 1]内.思考题：设⎩⎨⎧>+≤-=⎩⎨⎧≥-<=0,20,2)(,0,0,)(2x x x x x g x x x x x f ，求)).(()),((x f g x g f 4. 函数的运算设函数f (x ), g (x )的定义域依次为D 1, D 2, D =D 1⋂D 2≠∅, 则我们可以定义这两个函数的下列运算:和(差)f ±g : (f ±g )(x )=f (x )±g (x ), x ∈D ; 积f ⋅g : (f ⋅g )(x )=f (x )⋅g (x ), x ∈D ;商g f : )()())((x g x f x g f =, x ∈D \{x |g (x )=0}.例11设函数f (x )的定义域为(-l , l ), 证明必存在(-l , l )上的偶函数g (x )及奇函数h (x ), 使得f (x )=g (x )+h (x ).分析 如果f (x )=g (x )+h (x ), 则f (-x )=g (x )-h (x ), 于是 )]()([21)(x f x f x g -+=, )]()([21)(x f x f x h --=.证 作)]()([21)(x f x f x g -+=, )]()([21)(x f x f x h --=, 则 f (x )=g (x )+h (x ),且 )()]()([21)(x g x f x f x g =+-=-,)()]()([21)]()([21)(x h x f x f x f x f x h -=---=--=-.5. 初等函数 基本初等函数:幂函数: y =x μ (μ∈R 是常数); 指数函数: y =a x (a >0且a ≠1);对数函数: y =log a x (a >0且a ≠1, 特别当a =e 时, 记为y =ln x ); 三角函数: y =sin x , y =cos x , y =tan x , y =cot x , y =sec x , y =csc x ; 反三角函数: y =arcsin x , y =arccos x , y =arctan x ,y =arccot x .初等函数:由常数和基本初等函数经过有限次的四则运算和有限次的函数复合步骤所构成并可用一个式子表示的函数, 称为初等函数. 例如 21x y -=, y =sin 2x , 2cotx y =等都是初等函数. 双曲函数:双曲正弦: 2sh xx e e x --=;双曲余弦: 2ch xx e e x -+=;双曲正切: xx xx e e e e x x x --+-==ch sh th .双曲函数的性质:sh(x +y )=sh x ⋅ch y ±ch x ⋅sh y ; ch(x ±y )=ch x ⋅ch y ±sh x ⋅sh y . ch 2x -sh 2x =1; sh2x =2sh x ⋅ch x ; ch2x =ch 2x +sh 2x .下面证明 sh(x +y )=sh x ⋅ch y +ch x ⋅sh y :2222sh ch ch sh yy x x y y x x e e e e e e e e y x y x -----⋅+++⋅-=+ 44)()(y x y x x y y x y x y x x y y x e e e e e e e e +---++---+--++-+-=)(sh 2)(y x e e y x y x +=-=+-+. 反双曲函数:双曲函数y =sh x , y =ch x (x ≥0), y =th x 的反函数依次为 反双曲正弦: y =arsh x ; 反双曲余弦: y =arch x ; 反双曲正切: y =arth x . 反双曲函数的表示达式:y =arsh x 是x =sh y 的反函数, 因此, 从 2yy e e x --=中解出y 来便是arsh x . 令u =e y , 则由上式有u 2-2x u -1=0.这是关于u 的一个二次方程, 它的根为 12+±=x x u .因为u =e y >0, 故上式根号前应取正号, 于是 12++=x x u .Oxyy =th x11 由于y =ln u , 故得)1ln(arsh 2++==x x x y .函数y =arsh x 的定义域为(-∞, +∞), 它是奇函数, 在区间(-∞, +∞)内为单调增加的. 类似地可得)1ln(arch 2-+==x x x y , xx x y -+==11ln 21arth .。
