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Functions and Graphs (函数与图像)在线视频

Functions and Graphs (函数与图像)

下一节: Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)

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Functions and Graphs (函数与图像)课程教案、知识点、字幕

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

微积分-1课程列表:

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (first part)

-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)

--Review of Real Numbers (回顾实数)

--Exercise1-1

-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exercise 1-2

-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Exercise-1-3

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (second part)

-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Exercises-1-4

-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Exercise-1-5

-章节测验1

--章节测试1

Chapter 2 Sequence 数列 (first part)

-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)

--Limit of a Sequence (数列的极限)

--Exercises-2-1

-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Exercises-2-2

-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Exercises-2-3

Chapter 2 Sequence 数列 (second part)

-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Exercises-2-4

-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Exercises-2-5

-章节测验2

--章节测试2

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)

--Exercises-3-1

-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三

-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)

--Exercises-3-2

-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)

--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)

--Exercises-3-3

-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Exercises-3-4

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(second part)

-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)

--Limits of Functions(函数的极限)

--Exercises-3-5

-Unit 6 Infinity (无穷)

--Infinity (无穷)

--Exercises-3-6

-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Exercises-3-7

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性 (last part)

-Unit 8 Continuities (连续性)

--Continuity (连续性)

--Exercises-3-8

-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Exercises-3-9

-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Exercises-3-10

-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Exercises-3-11

-章节测验3

--章节测试 3

Chapter 4 Derivatives 导数 (first part)

-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)

--Basics of Derivatives (导数的基本定义)

--Exercise-4-1

-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与

--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)

--Exercise-4-2

-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Exercise-4-3

Chapter 4 Derivatives 导数 (second part)

-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Exercise-4-4

-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Exercise-4-5

-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)

-- L'Hospital's Rules (洛必达法则)

--Exercise-4-6

Chapter 4 Derivatives 导数 (last part)

-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)

--The Taylor Formula (泰勒公式)

--Exercise-4-8

-章节测验 4

--章节测试4

Chapter 5 Integrals 积分(first part)

-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

- Exercise 5-1

-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Exercise-5-2

-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Exercise-5-3

-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Exercise-5-4

Chapter 5 Integrals 积分(second part)

-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

-- 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

-Unit 6 Arc Length(弧长)

--Arc Length(弧长)

--Exercise-5-6

-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)

--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

-课程讲义

Functions and Graphs (函数与图像)笔记与讨论

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