当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(first part) > Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像) > Functions and Graphs (函数与图像)
同学们 你们好
欢迎来到MOOC在线课程微积分
现在 我们要开启第三章的学习了
第三章 我们将学习 函数论
第二章中 我们已经掌握了
什么是数列的极限
那么什么是函数的极限呢
这就是我们第三章的
重点内容之一
另外 我们还要重点学习
函数的连续性及其相关的理论
总的来说 第三章的内容
比第二章更多 更复杂
因此 希望同学们在学习过程中
要一边听讲 一边思考
课后要认真复习 多做练习
好了 下面我们从函数
最基础的内容讲起
Chapter Three
Functions Limits and Continuity
函数 极限 与连续性
Unit One Functions and Graphs
函数与图像
Section One
Definition of Functions
函数的定义
我们首先要明确一下函数的定义
也就是告诉我们 什么是函数
并且 要掌握几类重要的函数
及其性质
这样才能为后面我们研究
函数的极限 连续性等
这些重要内容打下基础
首先看一下 函数的定义
function 什么是 function 呢
a function f is a rule that assigns
to each element x in a set D in R
exactly one number called f of x in R
请看这句话 是什么意思
我们再看一遍
一个函数 它是一个法则
它把每一个给定的元素x
在某个集合D中
指定一个唯一的值
叫做f of x 在实数中
也就是说f它是把x变成f of x
这样的一个法则
我们这里 说到了D
它是一个R中的集合
这个D叫做f的定义域
domain of the function
另外 我们这个符号 f(x)
它表示f在x处的取值
这做the value of f at x
还有 我们说 这里面提到的x
它是一个符号
我们通常把它叫做自变量
independent variable
这个independent variable 自变量
它通常表示定义域D中
任何一个元素 可以任意取
另外 还有一个概念 非常重要
叫做range or image
它的汉语翻译叫做像集
它表示什么呢 它表示
the set of all possible values of f(x)
as x varies through D
D就是 the domain of f
也就是说 当自变量x
在定义域D中跑遍的时候
所有f(x) 这样的数 构成的集合
叫做f的像集
这是一个非常重要的概念
也就是 the set of
all outputs of the function
f的全部可能的输出
好 另外 我们再提一个词
叫做 dependent variable 因变量
这呢就特指这个f (x )
它通常可以用一个特定的符号
比如说y来表示
y equals f(x)就表示
y是依赖于x的因变量
所以 y presents a number
in the image of f
我们看一个例子吧
在这个例子中 我们取这样的函数
the absolute value function
谁呢 就是这样的f
f(x) equals the absolute value of x
x的绝对值
这是一个典型的函数
它的定义域是整个R 全体实数
也就是说
the domain of f is the entire R
那么 它的image是什么呢
也就是它的像集是哪里呢
我们可以看出f取值
一定是正数或者是0
因此呢 它的像集是从0都正无穷
这样一个区间
我们通常把它记作R plus
好 我们再看一个例子
example 1.3
consider the function f defined on
all positive rational numbers
D equals Q intersects with zero to
positive infinity
什么意思呢
就是全体的正的有理数的集合
构成f的定义域D
那么f怎么定义的呢
f of p over q equals p plus q
什么意思呢
就是 f在某一个有理数p除q上
它的值定义成分子和分母的和
p plus q
当然这里的p q是正整数
而且要求 they are relatively prime
也就是它们是互素的
同学们可以思考一下
这个函数它的值域在哪里
它的像集在哪里
我们可以看出
它的像集实际上是全体
大于或等于2的自然数集合
好 再看一个例子
这个例子 也就是函数
叫做Dirichlet function
狄利克雷函数
狄利克雷函数
它的定义是非常奇怪的
我们看一下
D of x equals 什么呢
分两种情况
如果x in Q 也就是说x在有理数中
那么D of x 定义成1
如果x in Qc Qc表示什么意思呢
同学们回忆一下 也就是
除去有理数以外的那些实数
那自然就是无理数了
如果x是一个无理数
那么D of x equals zero
这个函数就叫做狄利克雷函数
这个狄利克雷函数
它可以看成这样一个映射
它把全体的实数变成0或者1
也就是说它是一个识别
一个数是否为有理数的
这样一个判定函数
它把有理数判定为1
把无理数判定为0
这就是狄利克雷函数的定义
Section Two Graphs of Functions
函数的图像
在中学阶段
同学们可能画过很多函数的图像
提到函数的图像
我想同学们在中学阶段已经
接触过很多函数图像了
它们能帮助我们更形象更直观地
理解函数和它各种各样的性质
好的 我们看一下
什么叫做函数图像的定义graph
the graph of a function f is the set
of ordered pairs x f of x
where x is in D
这什么意思呢 就是说
函数的图像它实际上是一个集合
它是这样的
R2平面中的一些点的集合
它的第一个坐标是x
第二个坐标是f(x)
当然x要跑遍D
也就是f的定义域
好 我们看几个例子
f one of x equals cos x
第二个例子
f two of x equals sin of x
第三个例子 f three of x
is defined by the following rules
if x is less than or equals to one
f three of x is defined to be
one minus x
if x is greater than one
it is defined to be x square
注意第三个函数
它定义是分段定义的
下面我们看一下
这三个函数的图像
这是第一个函数的图像
这是第二个函数的图像
这是第三个函数的图像
这三个图像 我想同学们
是不难自己把它画出来的
graph is the most common method
for visualizing a function
for example the above figures
figure one a figure one b
and figure one c are the graphs
of one two and three
以上图中a b c三个图像
分别代表了前面的
1 2 3 三个函数
注意以上这三个图像中
包含了哪几种特殊情况呢
even functions 偶函数
就是第一个函数给出来的
另外呢还有奇函数 odd function
就是第二个函数图像给出来的
另外 第三个图像
我们把它叫做
piecewise defined function
分段函数
分段函数我们后面还要再提一遍
Section Three Power Functions
幂函数
上面我们复习了
函数定义和函数的图像表示
下面我们学一些重要的常用函数
我们就从最基本的
幂函数开始讲起
好 power function 也就是幂函数
它怎么定义的呢
是这样的函数 a function of the form
f(x) equals x to the p-th power
这里的p是一个常数
p is a constant
x is the independent variable
这就是所谓的 power function
幂函数
我们再强调一下
这里的x p次方读作
x to the p-th power
也可以读作什么呢
x to the p 简称
特别的 x平方在英语中
可以读作x squared
x的三次方可以读作x cubed
我们还有一个要特别注意的事情
就是下面的这样一个注记
we should be cautious about the
domain of different power functions
我们要特别注意不同的幂函数
它的定义域可以是不一样的
比如 f of x equals square root of x
那么它的定义域是全体
大于等于0的这样的x
也就是所谓的R plus
再比如
f(x) equals x to the minus one
这什么意思呢 也就是
x的倒数 这样的函数
那么它的定义域 显然就是
x只要不等于0就可以了
再比如f(x) equals x squared
它的定义域是全体实数
你看 这三个例子中
每一个定义域D都不一样
好 我们看一下
刚才这几个例子中给出的函数图像
第一个就是
y equals square root of x
第二个是y equals one over x
也就是x的负1次方
第三个是y equals x squared
这些例子我想
同学们都是比较熟悉的
我们看到在图像中
它们就有不同的定义域
当然他们的值域也不一样
Section Four Polynomial
多项式
如前所述 如果一个函数是
x等于p次方的样子
我们把它叫做幂函数
有的时候一个函数是多个
次数不同的幂函数
而且每一个次数都是整数
这时候
我们把它叫做一个多项式函数
好 我们明确一下它的定义
polynomial 多项式
a function P is called a polynomia
多项式 if P is of this form
P(x) equals a n times x to the n-th power
plus a n minus one times
x to the n minus one plus dots
plus a two x to the second power
plus a one x plus a zero
什么意思呢
就是这样一个函数
它是很多个幂函数的叠加
每一个幂函数的幂都是正整数
最高项是x的n次方的一个倍数
当然这里我们要求最高项
n是一个nonnegative integer
也就是最高项n它不能是0
它一定是一个非负整数
另外我们看到这里有一些数
到a0 a1 到 an它们都是常数
这就是所谓的系数
the coefficients of the polynomial P
我们注意到 刚才这个定义中
我们提到了一个特殊的最高项
最高项的幂也就是n
我们把它叫做degree 次数
If the leading coefficient a n is
not zero
我们就把这个n
叫做P of x的次数the degree of P
通常有一个记号叫做
deg 它就是degree的简写
deg of P equals n
表示P的次数为n
如果它的最高项的系数
a n不等于0的话
在特殊的情况下
我们有一些特殊的词
来描述这些多项式函数
在n等于0 1 2 3 的时候
我们有不同的说法
如果n等于0
这时候 这个函数如果是一个
nonzero constant function
它是一个非零常数函数的话
也就是P of x equals c
但是c不等于0
这时候 我们把这个非零常数函数
也是一个特殊的多项式函数
它的次数定义为0
如果n等于1 这时候
P(x) 它的样子是这样的
P(x) equals mx plus b
这就是所谓的线性函数
linear function
注意这里的m和b都是常数
m叫做斜率
b叫做截距
the y intercept y轴的截距
如果n等于2
这时候函数的样子是这样的
P of x equals a x squared plus bx plus c
这就是所谓的二次函数
quadratic function
还有 n等于3的时候
我们把这个函数叫做三次函数
这时候P的样子是这样的
P of x equals a times x cubed plus
P x squared plus cx plus d
好 下面我们看一下
刚才提到这几种函数的图像
比如说线性函数 它就是一条直线
quadratic function 二次函数
它的图像是一个抛物线
cubic function 三次函数
它的图像 我们给了一个特例
下面 我们讲一个非常重要的约定
就是下面的 remark four point three
for a nonzero constant c
对于一个非零常数c而言
我们把它看作一个
特殊的多项式函数
并且定义了它的次数为0
degree of c equals zero
那同学们自然就要问了
如果这个特殊的多项式函数
P恒等于0那么
它的次数该怎么约定呢
实际上 the convention of degree
of the zero function is minus infinity
我们通常把恒为零的这样一个
多项式函数的次数约定为负无穷
这样约定是有它的道理的
this makes the following formula
hold for any polynomials f and g
就是 degree of f times g equals
degree of f plus degree of g
同学们要仔细思考一下
为什么要这样约定才能使
这样一个公式成立
另外一个注记
remark four point four
就是 for a polynomial P(x) equals
a n times x to the n-th power plus
dots pus a one x plus a zero
对这样一个多项式函数
如果其中的 a zero a one to a n
they are in R
如果所有的系数都在实数中
这时候 我们把这样一个函数P
把它记作P in R 注意是方括号x
这个符号就表示P是一个
以实数为系数的多项式函数
类似的 如果所有的系数
a nut a one to a n they are in Z
所有的系数都是整数的情况下
we write P in Z bracket x
这表示所有的整系数多项式
类似的 还有有理系数多项式
和复系数多项式
Section Five Rational Function
有理函数
上一小节我们定义了
什么是多项式
如果我们把两个多项式
再做一下除法
这时候得到的新的函数
就叫做有理函数
好我们看定义
rational function
a rational function f is a ratio of
two polynomials
一个有理函数
是两个多项式函数的比
注意比在英语中叫做ratio
也就是 f(x) equals P of x over Q of x
当然这里我们要求
P和Q都是polynomials
P是numerator 分子
Q是denominator 分母
它们都是多项式 而且Q is not zero
好 我们看一个例子
比如说 f one of x equals
x over one plus x square
再比如 f two of x equals
x square over x times one plus x square
请同学们注意
这两个函数
貌似化简一下就一样
但是实际上 我们通常
把它认为是不同的函数
为什么呢
因为 the domain of f one is R
f1的定义域是全体实数R
而在f two中因为出现了分母
x times one plus x square
就要求x不能等于0了
因此 f one and f two
they are not the same function
because their domain is different
希望同学们比较熟悉
这些简单的函数的形式
并且掌握找到它们定义域的方法
另外 我还要建议同学们
使用一些软件工具
比如matlab之类的
来画函数的图像
帮助我们了解函数的性质
同学们 我们刚才学习了
什么是函数的定义
以及两种基本的函数类型
就是多项式函数和有理函数
但是整个微积分
我们所要接触的函数类型
远远不止这两种
因此下一堂课我们还要
接着介绍几种常见的函数
请同学们提前预习好
好的 同学们
下堂课再见
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--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
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-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
--Exercise-5-5
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--Exercise-5-6
-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)
--Exercise-5-7
-章节测验5
--章节测试5
-课程讲义
