Найти уравнение взаимно обратной функции

Видео:Обратная функция. 10 класс.Скачать

Понятие обратной функции

Допустим, что у нас есть некая функция y = f ( x ) , которая является строго монотонной (убывающей или возрастающей) и непрерывной на области определения x ∈ a ; b ; область ее значений y ∈ c ; d , а на интервале c ; d при этом у нас будет определена функция x = g ( y ) с областью значений a ; b . Вторая функция также будет непрерывной и строго монотонной. По отношению к y = f ( x ) она будет обратной функцией. То есть мы можем говорить об обратной функции x = g ( y ) тогда, когда y = f ( x ) на заданном интервале будет либо убывать, либо возрастать.

Две этих функции, f и g , будут взаимно обратными.

Для чего вообще нам нужно понятие обратных функций?

Это нужно нам для решения уравнений y = f ( x ) , которые записываются как раз с помощью этих выражений.

Видео:10 класс, 10 урок, Обратная функцияСкачать

Нахождение взаимно обратных функций

Допустим, нам нужно найти решение уравнения cos ( x ) = 1 3 . Его решениями будут все точки: x = ± a rс c o s 1 3 + 2 π · k , k ∈ Z

Обратными по отношению друг к другу будут, например, функции арккосинуса и косинуса.

Разберем несколько задач на нахождение функций, обратных заданным.

Условие: какая функция будет обратной для y = 3 x + 2 ?

Решение

Область определений и область значений функции, заданной в условии, – это множество всех действительных чисел. Попробуем решить данное уравнение через x , то есть выразив x через y .

Мы получим x = 1 3 y — 2 3 . Это и есть нужная нам обратная функция, но y здесь будет аргументом, а x — функцией. Переставим их, чтобы получить более привычную форму записи:

Ответ: функция y = 1 3 x — 2 3 будет обратной для y = 3 x + 2 .

Обе взаимно обратные функции можно отобразить на графике следующим образом:

Мы видим симметричность обоих графиков относительно y = x . Эта прямая является биссектрисой первого и третьего квадрантов. Получилось доказательство одного из свойств взаимно обратных функций, о котором мы поговорим далее.

Возьмем пример, в котором нужно найти логарифмическую функцию, обратную заданной показательной.

Условие: определите, какая функция будет обратной для y = 2 x .

Решение

Для заданной функции областью определения являются все действительные числа. Область значений лежит в интервале 0 ; + ∞ . Теперь нам нужно выразить x через y , то есть решить указанное уравнение через x . Мы получаем x = log 2 y . Переставим переменные и получим y = log 2 x .

В итоге у нас вышли показательная и логарифмическая функции, которые будут взаимно обратными друг другу на всей области определения.

Ответ: y = log 2 x .

На графике обе функции будут выглядеть так:

Видео:Обратная функция. Практическая часть. 10 класс.Скачать

Основные свойства взаимно обратных функций

В этом пункте мы перечислим основные свойства функций y = f ( x ) и x = g ( y ) , являющихся взаимно обратными.

1. Первое свойство мы уже вывели ранее: y = f ( g ( y ) ) и x = g ( f ( x ) ) .
2. Второе свойство вытекает из первого: область определения y = f ( x ) будет совпадать с областью значений обратной функции x = g ( y ) , и наоборот.
3. Графики функций, являющихся обратными, будут симметричными относительно y = x .
4. Если y = f ( x ) является возрастающей, то и x = g ( y ) будет возрастать, а если y = f ( x ) убывает, то убывает и x = g ( y ) .

Советуем внимательно отнестись к понятиям области определения и области значения функций и никогда их не путать. Допустим, что у нас есть две взаимно обратные функции y = f ( x ) = a x и x = g ( y ) = log a y . Согласно первому свойству, y = f ( g ( y ) ) = a log a y . Данное равенство будет верным только в случае положительных значений y , а для отрицательных логарифм не определен, поэтому не спешите записывать, что a log a y = y . Обязательно проверьте и добавьте, что это верно только при положительном y .

А вот равенство x = f ( g ( x ) ) = log a a x = x будет верным при любых действительных значениях x .

Не забывайте про этот момент, особенно если приходится работать с тригонометрическими и обратными тригонометрическими функциями. Так, a r c sin sin 7 π 3 ≠ 7 π 3 , потому что область значений арксинуса — π 2 ; π 2 и 7 π 3 в нее не входит. Верной будет запись

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

А вот sin a r c sin 1 3 = 1 3 – верное равенство, т.е. sin ( a r c sin x ) = x при x ∈ — 1 ; 1 и a r c sin ( sin x ) = x при x ∈ — π 2 ; π 2 . Всегда будьте внимательны с областью значений и областью определений обратных функций!

Видео:Обратная функция, свойства, график. Как найти функции обратные данным и построить график. 8-11 классСкачать

Графики взаимно обратных функций

• Основные взаимно обратные функции: степенные

Если у нас есть степенная функция y = x a , то при x > 0 степенная функция x = y 1 a также будет обратной ей. Заменим буквы и получим соответственно y = x a и x = y 1 a .

На графике они будут выглядеть следующим образом (случаи с положительным и отрицательным коэффициентом a):

• Основные взаимно обратные функции: показательные и логарифмические

Возьмем a,которое будет положительным числом, не равным 1 .

Графики для функций с a > 1 и a 1 будут выглядеть так:

• Основные взаимно обратные функции: тригонометрические и обратные тригонометрические

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:

Если же вам требуется построить обратные ветви, отличные от главных, то обратную тригонометрическую функцию при этом мы сдвигаем вдоль оси O y на нужное число периодов. Так, если требуется обратная функция для ветви тангенса на π 2 ; 3 π 2 , то мы можем сдвинуть ее на величину π вдоль оси абсцисс. График будет представлять собой ветвь арктангенса, которая сдвинута на π вдоль оси ординат.

Это все свойства обратных функций, о которых мы хотели бы вам рассказать.

Видео:Взаимно обратные функции. Теория. Видеоурок 6. Алгебра 10 классСкачать

Взаимно обратные функции с примерами и образцами решения

Показательная и логарифмическая функции являются взаимно обратными функциями. Подробное ознакомление с этим понятием начнем с простых примеров.

Напишем формулу для вычисления площади круга по его радиусу: S = . Эта формула задает площадь круга S как функцию его радиуса R, т. е. для каждого (положительного) числа R по этой формуле вычисляется площадь круга S. Представим себе, что надо решить обратную задачу: по данной площади круга S

вычислить его радиус. Для этого выразим R через S так:

Новая формула задает радиус круга R как функцию его площади S. Полученные две функции S=S(R) и R =R(S) являются примерами взаимно обратных функций.

Приведем еще примеры взаимно обратных функций:

В каждом из указанных примеров соответствие между переменными величинами, задаваемое взаимно обратными функциями, одно и то же. В самом деле, зависимость между радиусом и площадью круга остается одной и той же: записывается ли она в виде S = или же в виде Точно так же функции

выражают одну и ту же зависимость между переменными х и у.

Определение. Две функции fug называются взаимно обратными, если формулы y=f (х) и x=g(y) выражают одну и ту же зависимость между переменными х и у, т. е. если равенство y=f (х) верно тогда и только тогда, когда верно равенство x = g (y).

Если две функции f и g взаимно обратны, то g называют обратной функцией для f и, наоборот, f — обратной для g.

Как ответить на вопрос, что такое обратная функция для функции f? Это можно сделать следующим образом: обратная функция для функции f — это такая функция g, что f и g образуют пару взаимно обратных функций.

Как мы уже отметили, зависимость y = 2x+ 5 и

между переменными x и у одна и та же. Эту же зависимость можно записать и так: 2х —y + 5 = 0. Из последней формулы можно выразить у как функцию от х, а можно и, наоборот, выразить х как функцию от у. Эти две функции будут взаимно обратны.

Таким образом, исходным понятием является понятие зависимости. Если есть некоторая зависимость между переменными хну, которая позволяет выразить у как функцию от х и х как функцию от у, то эти две функции и являются взаимно обратными.

Видео:✓ Обратная функция | матан #024 | Борис ТрушинСкачать

Графики взаимно обратных функций

При построении графиков взаимно обратных функций необходимо внимательно следить за обозначениями переменных. Рассмотрим функцию f. Аргумент этой функции и ее значения можно обозначить произвольными буквами. Так, в формулах у=, s = , N = переменные обозначены различными буквами, однако каждая из этих формул определяет одну и ту же показательную функцию, экспоненту.

Определение взаимно обратных функций сформулировано на языке зависимостей. Чтобы определить, являются ли эти две функции f и g (заметьте, здесь пока нет обозначений для переменных) взаимно обратными, надо взять две переменные, например х и у, составить две формулы y = f<x) и x = g(y) и затем определить, задают эти две формулы одну и ту же зависимость между переменными хну или нет.

Различия в обозначениях переменных сказываются при построении графиков функций. Пусть у нас есть две переменные х и у, значения которых откладываются на выбранных координатных осях, которые мы обозначаем этими же буквами х и у. Рассмотрим зависимости между х и у.

Ясно, что это разные записи одной и той же зависимости между переменными х и у.

Поэтому график каждой из этих зависимостей один и тот же — он состоит из всех точек Р (х; у), координаты которых связаны соотношением у = 2х+5, справедливым тогда и только тогда, когда или 2ч —у + 5 = 0 (рис. 113). Точно так же график зависимостей у = и х = ln у в системе координат (х; у) один и тот же (и зависимость между х и у на самом деле одна и та же; рис. 113).

Посмотрим на зависимость . Она выражает х как некоторую функцию от у. Аргумент этой функции обозначен буквой у, а значения — буквой х. Поменяем местами х и у, т. е. рассмотрим зависимость . Функция осталась одной и той же, но теперь ее аргумент обозначен, как обычно, буквой х, а значения — буквой у. Построим график функции (например, по двум точкам на рисунке 113). Мы видим, что этот график отличен от графика зависимости .

Как связаны между собой графики функций у = 2х+5 и ?

Возьмем какую-либо точку на графике первой функции, например Р(0; 5). Поменяем местами координаты, т. е. рассмотрим точку Q (5; 0). Эта точка лежит на графике второй функции ,

Точки Р (0; 5) и Q (5; 0) симметричны друг другу относительно биссектрисы угла хОу, т. е. прямой у — х. Из рисунка 114 видно, что при любых а и b точки Р (а; b) и Q (b а) симметричны друг другу относительно прямой у=х.

Теорема:

Пусть f и g — взаимно обратные функции. Графики функций y — f(x) и y = g(x) симметричны друг другу относительно биссектрисы угла хОу.

Доказательство

По определению взаимно обратных функций формулы y = f(x) и х = g(y) выражают одну и ту же зависимость между переменными х и у, а значит, эта зависимость изображается одним и тем же графиком — некоторой кривой С (схема XII). Кривая С является графиком функции y = f(x). Возьмем произвольную точку Р (а; b) ∈ С. Это означает, что b = f(a) и одновременно a = g(b). Построим точку Q, симметричную точке Р относительно биссектрисы угла хОу. Как мы заметили раньше, точка Q будет иметь координаты (b; а). Так как a = g (b), то точка Q принадлежит графику функции y = g(x): действительно, при х = b значение у = а равно g (х). Таким образом, все точки, симметричные точкам кривой С относительно указанной прямой, лежат на графике функции у = g (х). Они исчерпывают этот график целиком, так как аналогично показывается, что всякая точка функции y — g(x) при указанной симметрии попадает на график функции y = f(x). Теорема доказана.

На рисунке 115 изображены графики пар взаимно обратных функций:

Видео:Нахождение обратной функции. 10 класс.Скачать

Условие существования обратной функции

Дана функция y = f(x). Поставим следующий вопрос: при каком условии существует функция, обратная к функции f? По определению обратная функция к функции f строится так: из соотношения y=f(x) надо х выразить как функцию от у.

Таким образом, самым простым ответом на поставленный вопрос будет такой: функция f имеет обратную, если из соотношения y = f(x) переменную x можно однозначно выразить через у. Мы уже знакомы с примерами функций, для которых это можно сделать. Приведем примеры таких функций, для которых нельзя однозначно выразить аргумент через заданное значение функции.

1. у=х. Для данного положительного числа у найдутся два значения аргумента х, такие, что |х|=у. Например, если у = 2, то х = 2 или х= — 2. Значит, выразить однозначно х через у нельзя.
2. у = . Ситуация здесь такая же, как в предыдущем примере: Х = или х=—.
3. y = sinx. При заданном значении у (где |y| ≤ l) найдется не по два, как в предыдущих примерах, а даже бесконечно много таких значений х, что y = sin х. Здесь также х нельзя однозначно выразить через у.

Сравним графически эти примеры с примерами, приведенными ранее. Возьмем число у0 из области значений функции f и проведем прямую у = уо, параллельную оси абсцисс. В ранее рассмотренных случаях эта прямая пересекает график в одной точке, т. е. можно по заданному значению у однозначно найти значение х. В последних трех примерах при некоторых у прямая пересекает график более чем в одной точке: для этих значений у мы не можем однозначно найти х, значит, эти функции не имеют обратных.

Дадим геометрическую трактовку условия того, что функция имеет обратную.

Это же условие можно сформулировать иначе: уравнение f(x)=yo при каждом уо имеет не более одного решения.

Условие того, что функция имеет обратную, заведомо выполняется, если функция строго возрастает или строго убывает. Действительно, если f, например, строго возрастает, то при двух различных значениях аргумента она принимает различные значения, так как большему значению аргумента соответствует большее значение функции. Следовательно, уравнение f(x) = y для строго монотонной функции имеет не более одного решения.

Показательная функция у = строго монотонна, поэтому она имеет обратную — логарифмическую функцию y = loga x. Строго говоря, определение логарифма числа у требовало возможности однозначно определить показатель х, такой, что =у, т. е. чтобы из соотношения =у можно было однозначно выразить х через у.

Мы знаем, что многие функции не имеют обратных. Если при некотором b уравнение f(x) = b имеет более одного решения, то функция y =f(x) обратной не имеет. На графике это означает, что прямая у = b пересекает график функции более чем в одной точке.

Многие изучавшиеся ранее функции не имеют обратных, например у = , y = sin x, y = tg x и т. п. С неоднозначностью решения уравнения f(x)=b можно справиться следующим образом: уменьшить область определения функции f так, чтобы ее область значений не изменилась, но чтобы каждое свое значение она принимала ровно один раз.

Примеры:

В каждом из приведенных примеров функция сохранила область значений: для у = это промежуток [0; + ∞]. Для синуса и косинуса это отрезок [—1; 1], для тангенса это вся числовая ось. В то же время, уменьшив область определения, мы добились монотонности функции, а значит, и единственности решения уравнения f(x)=b.

Каждая из выписанных выше функций имеет обратную. Для обратных операций из примеров 1, 3, 5, 6 нами раньше введены специальные обозначения:

С помощью этих обозначений можно ввести функции, обратные к тем, которые были перечислены выше:

Функции в пропущенных примерах 2 и 4 можно выразить через уже введенные:

2. у=—является обратной функцией для функции у = , х ≤ О.

4. у = π — arcsin x является обратной функцией для функции у=sin,

Проверим последнее утверждение:

а) Вычислим sin у:

б) Проверим, что π —arcsin х имеет областью значений отрезок

Видео:ВЗАИМНО ОБРАТНЫЕ ФУНКЦИИСкачать

Свойства взаимно обратных функций

1) Тождества. Пусть f и g — взаимно обратные функции. Это означает, что равенства y = f(х) и x=g(y) равносильны. Подставим одно из этих равенств в другое. Получим два тождества:

Примеры:

1. Пусть f — показательная, g — логарифмическая функция. Получаем знакомые тождества:

2. Функции у = , х ≥ 0 и у = взаимно обратны. Имеем два тождества:

2) Область определения. Пусть f и g — взаимно обратные функции. Область определения функции f совпадает с областью значений функции g, и, наоборот, область значений функции f совпадает с областью определения функции g. Действительно, обратная функция к функции y = f(x) определена для всякого числа у, которое является значением функции f для некоторого числа х: мы берем равенство y = f(x) и из него выражаем л: как функцию от у. Это свойство наглядно проявляется на графике: график функции y = f(x) совпадает с графиком обратной функции x = g(y), только аргумент функции g откладывается по оси у. Ясно, что аргументы функции g — это значения функции f и наоборот.

Пример. Область определения показательной функции — вся числовая ось R, а ее область значений — множество всех положительных чисел. У логарифмической функции наоборот: область определения — множество всех положительных чисел, а область значений — все множество R.

Теорема:

Если одна из взаимно обратных функций строго возрастает, то и другая строго возрастает.

Действительно, пусть f и g— взаимно обратные функции, причем f строго возрастает. Докажем, что тогда и g строго возрастает. Пусть x₁ и x₂ — два числа, лежащие в области определения функции g, причем x₁

Переходя к производным и учитывая, что угловой коэффициент касательной является значением производной в точке касания, делаем вывод:

Значения производных взаимно обратных функций в соответствующих точках взаимно обратны, т. е.

Напомним еще, что b = f<a) и a = g<b).

Замечание:

В приведенных выше рассуждениях предполагалось, что k1 ≠ 0 т. е. касательные к кривым не параллельны осям координат.

Приведем примеры нахождения производной обратной функции.

Обратной функцией будет функция y = g(x) = Найдем производную функции g:

Обратной функцией будет y = g (x) = arcsin x. Найдем производную арксинуса:

Аналогично вычисляется производная арктангенса:

Видео:Как находить обратную функциюСкачать

Дополнение к обратным функциям

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Видео:Понятие обратной функцииСкачать

Взаимно обратные функции

Функция, обратная данной

По определению (см. §34 справочника для 7 класса)

Функция – это соответствие, при котором каждому значению независимой переменной соответствует единственное значение зависимой переменной.

Пусть некоторое соответствие задано таблицей:

Множество значений X = отображается в множество значений Y = : $X xrightarrow Y$. При этом каждому значению x соответствует единственное значение y, т.е., данное соответствие f является функцией.

С другой стороны, мы можем рассмотреть обратное отображение $Y xrightarrow X$, заданное той же таблицей. При этом каждому значению y соответствует единственное значение x, т.е., обратное соответствие $g = f^$ также является функцией.

Функцию $f: X xrightarrow Y$ с областью определения X и областью значений Y называют обратимой , если обратное ей соответствие $g: Y xrightarrow g X$ также является фунцией.

Если функция f обратима, то обратное ей соответствие $g = f^$ называют обратной функцией к f.

Например: аналитическое выражение для функции $X xrightarrow Y$, заданной таблицей $y = f(x) = frac$. Обратное соответствие $Y xrightarrow X$ также является функцией x = g(y) = 2y.

Функция g — обратная функция к f.

В общем случае формулы функций записывают в виде y(x). При такой записи, функции $y = frac$ и y=2x являются взаимно обратными.

Алгоритм вывода формулы функции, обратной данной

На входе: множества X и Y, для которых оба соответствия $X xrightarrow Y$ и $Y xrightarrow X$ являются функциями.

Шаг 1. В формуле для исходной функции заменить обозначения аргумента и значения: $x rightarrow y$, $y rightarrow x$.

Шаг 2. Из полученной формулы выразить y(x). Искомое выражение для обратной функции найдено.

Шаг 3. Учесть ограничения для области определения и области значений исходной и/или обратной функций.

1) Пусть исходная функция $y = frac$

Шаг 1. Меняем аргумент и значение: $x = frac$

Шаг 2. Находим y из полученной формулы: y = 2x — искомая обратная функция

Шаг 3. Ограничений на x и y нет

2) Пусть исходная функция y = -2x+3

Шаг 1. Меняем аргумент и значение: x = -2y+3

Шаг 2. Находим y из полученной формулы: $y = frac$ — искомая обратная функция

Шаг 3. Ограничений на x и y нет

3) Пусть исходная функция $y = sqrt$

Шаг 1. Меняем аргумент и значение: $x = sqrt$

Шаг 2. Находим y из полученной формулы: $y = x^2-1$ — искомая обратная функция

Шаг 3. На исходную функцию накладываются ограничения

на $x:x+1 ge 0 Rightarrow x ge -1$, на $y:y ge 0$

Тогда исходная функция определяется на множествах $y ge -1$, $x ge 0$

4) Пусть исходная функция $y = 2x^2+1$

Шаг 1. Меняем аргумент и значение: $x = 2y^2+1$

Шаг 2. Находим y из полученной формулы: $y = sqrt<frac>$ — искомая обратная функция

Шаг 3. На обратную функцию накладываются ограничения

на $x:x-1 ge 0 Rightarrow x ge 1$, на $y:y ge 0$

Тогда исходная функция определяется на множествах $y ge 1$, $x ge 0$

Исходная функция — парабола получает ограничения из-за обратной функции; только в этом случаи функции будут взаимно обратными.

Свойства взаимно обратных функций

Пусть f и g — взаимно обратные функции. Тогда:

1. Область определения функции f является областью значений функции g, а область значений функции f является областью определения функции g.

2. Функции f и g либо одновременно возрастающие, либо одновременно убывающие.

3. Если f — нечётная, то и g — нечётная.

4. Графики f и g симметричны относительно биссектрисы 1-й четверти y = x.

5. Справедливы тождества f(g(x) ) = x и g(f(x) ) = x.

Графики пар взаимно обратных функций, найденных выше:

Примеры

Пример 1. Задайте формулой функцию, обратную данной.

Меняем аргумент и значение: x = 5y-4

Получаем: $y = frac$ — искомая обратная функция

Меняем аргумент и значение: x = -3y+2

Получаем: $y = frac$ — искомая обратная функция

в) y = 4x+1, где $-1 le x le 5$

Меняем аргумент и значение: x = 4y+1

Требуем, чтобы: $-1 le y le 5 Rightarrow -1 le frac le 5 Rightarrow -4 le x-1 le 20 Rightarrow -3 le x le 21$

Итак, искомая обратная функция: $y = frac$, где -3 $le x le 21$

г) $y=- frac x+7$, где $2 le x le 9$

Меняем аргумент и значение: $x=-frac y+7$

Получаем: y = 2(-x+7) = -2x+14

Требуем, чтобы: $2 le y le 9 Rightarrow 2 le -2x+14 le 9 Rightarrow -12 le -2x le -5 Rightarrow$

$6 ge x ge 2,5 Rightarrow 2,5 le x le 6$

$y = -2x+14,где 2,5 le x le 6$ — искомая обратная функция

Пример 2. Найдите функцию, обратную данной.

Постройте график исходной и обратной функции в одной системе координат.

$x = y^2 Rightarrow y = pm sqrt$

При этом $y le 0$

$y = — sqrt$ – искомая обратная функция

б) y = x-3, $-1 le x le 4$

$x = y-3 Rightarrow y = x+3$

При этом $-1 le y le 4 Rightarrow -1 le x+3 le 4$

$Rightarrow -4 le x le 1$

y = x+3, $-4 le x le 1$ — искомая обратная

$x = frac Rightarrow y = frac -1$

Область определения: $x ge 3$

Область значений: $y ge 1$

$x = 1+ sqrt Rightarrow y = (x-1)^2+3$

🎥 Видео

Взаимно обратные функции. Практика. Видеоурок 6. Алгебра 10 классСкачать

§7 Взаимно обратные функцииСкачать

Найти взаимно обратную функциюСкачать

✓ Производная обратной функции | матан #034 | Борис ТрушинСкачать

Математика это не ИсламСкачать

Найдите функции обратные данным! Вспомни пройденное или узнай что то новое!Скачать

10 класс алгебра обратная функцияСкачать

Обратные тригонометрические функции, y=arcsinx и y=arccosx, их свойства и графики. 10 класс.Скачать

Взаимно обратные функции. 10 классСкачать

Функция. Область определения функции. Практическая часть. 10 класс.Скачать