函數與反函數

2021-01-14 HUSTMath陳波


在說函數之前,我們首先更加廣泛的談論映射這個概念。(這樣能將現實中的很多事情數學化)


什麼是映射?映射是兩個集合之間的對應規則。

具體的,已知集合X和Y. 集合X到Y的一個映射f,是將X中的任何一個元素,都對應Y中的一個元素。抽象的說,映射f是一些偶對的集合{ (a,b): f(a)=b }


例如

大帥,你今天更新的文章太難懂了吧。能不能來點不一樣的呀?


那要不就來個現實的例子——給寵物取名字!


我們將這張圖片數學化,就是說,這裡有這樣一個映射


{ 貓1,貓2,貓3,貓4,貓5 } --->{名字}


左邊是這樣一個集合,它裡面的元素就說圖片中的五隻萌萌的小貓。我們從左到右依次稱呼為貓1,貓2,....,貓5.

右邊是所以你能想像的名字做元素構成的集合。

這張圖片給出了這兩個集合中的對應法則:

「貓1」對應(叫)「土豆」;

「貓2」對應(叫)「雪球」;

「貓3」對應(叫)「大黃」;

「貓4」對應(叫)「糯米」;

「貓5」對應(叫)「灰毛」。


這個對應,我們稱為一個映射。

現實中很多事情,用數學的語言,就是映射。

比如老師上課點人數,比如遊戲中鍵盤的每一個按鈕對應的遊戲技能,比如身高,比如顏值,等等,幾乎處處可見。


自然的,學好映射的概念,在生活中你將變得比別人要更加犀利。小夥伴們,是不是更有興趣讀下去了?


為了更好的在生活中把妹撩漢,我們要學習反映射。(不要問我為什麼這兩者之間有聯繫,學了你就知道了。)


其實反映射非常簡單,比如剛才那個5個萌貓的圖片。我們說有從萌貓集合到名字集合的映射。實際上,我們也有從那五個名字的集合到萌貓集合的映射。

可能有人說,這不是顯然的嗎?

是的,很顯然。然而,這兩者之間是有差別的。

什麼差別?

一個是說哪只貓叫什麼名字;一個是說哪個名字對應什麼貓。

比如,在前者的意義下,有這樣的場景:

本帥問,從左到右第3隻貓,你叫什麼?

貓3回答:報告大帥,我叫大黃。

而在後者的意義下,是這樣的場景:

本帥問,花名冊上大黃來了沒有?

貓3回答:到!


好,大家應該大概明白了,在說映射的時候,一定要指明從哪到哪。


那麼,把妹撩漢技能的反映射又是什麼呢?

我們說,剛才的兩個映射,一個是另外一個的反函數。


哇!這麼簡單?!太好了!


然而,事實是殘酷的。有時候,有些映射沒有反函數。

比如,大家想像下面這個場景。


在西十二樓的一個偏僻的教室裡,坐滿了一群人,他們在學習。但是,有一個座位非常刺眼——原來是兩位男同學坐在了一起!太辣眼了!華科真的這麼基情嗎?!


咳咳咳咳,不要這麼激動,我們來學術的看待這件事。

首先,我們要整體的把握,再局部的分析。

(1)有兩個集合。集合X是教室裡所有學生構成的集合;集合Y是教室所有座位構成的集合。

(2)目前這個狀態,可以用一個映射來描述:f: X---->Y。

這是一個滿映射(坐滿人),但不是一個1-1的映射(因為有兩位同學坐到一個位置上了)。

(3)讓大家激動的正是這樣映射f不是1-1的。(好搞笑,不是1-1的,激動個啥子喲,沒見識)

(4)回到反映射上來,這個映射f,就沒有反映射。因為其中一個座位上坐了兩個人,1對多是(做為映射)不允許的。


前方高能,一波抽象陳述實在沒法形象化,娛樂惡勢力饒了我。


一個映射的反映射。

首先從概念的本意講起。什麼是反映射,就說將原來的映射f:X-->Y的對應規則,反過來用,使之成為從Y到X的映射。


比如,貓那張圖裡的命名映射規則,反過來就是唱名函數。

比如,上面那個坐座位映射規則,反過來用,會出現一個座位對應2位同學的騷動事件。反規則不能成為一個映射,從而這個坐座位映射沒有反函數。


綜上,在談論一個映射的反函數時,我們至少需要這個映射是1-1的。

(從嚴格的數學來講,還需要這個映射是滿的。但是由於我們可以修改目標集合,使得新映射總是滿的,所以廣義的講,可以拋棄滿映射這個條件。)(不明白說什麼?那就跳過這段。)


***********函數******


函數是一類特殊的映射。

通常,我們把從實數集到實數集的映射,稱為一個函數。

所以要談論一個函數f的反函數時,首先要考察f是不是1-1滿的。


一個大家中學熟知事情是,函數與它的反函數的圖像,是關於直線y=x對稱的。

這是怎麼來的呢?

舉例,畫一個單調遞增的函數,比如y=x^3,

它的反函數,在圖像上來看是什麼意思?



(如果你能看明白圖片,那麼下面這一段可以跳過了。)


原來一點x0,被映射到y0=x0^3. 根據上面反函數的本意,它的反函數,是將y0映射成x0.

從圖像上來看,y軸變成了反函數的定義域,而x軸變成了反函數的值域所在。所以如果我們按常規的自變量因變量的擺放位置的話,應該將這張圖先繞原點逆時針旋轉90度,在左右翻轉。

這樣,我們將得到的反函數的「常規」圖像,與原來的函數圖像對比,就發現它們確實是關於直線y=x對稱的。


*****反三角******


那麼反正弦函數是怎麼定義的


先畫正弦函數的圖像


顯然,在自然定義域下,正弦函數不是一個1-1的函數。所以,在這個定義域下,正弦函數沒有反函數。


但是正弦函數有很好的對稱性和周期性,弄懂其中一小段,就弄懂了整個函數。


所以,有人將正弦函數限定在[-pi/2, pi/2]上,這樣正弦函數就可以有反函數了。


既然知道了反三角函數是上面這個函數的反函數,那麼這個反函數的對應規則就知道了。

什麼意思?

首先我們給這個反函數一個名字——arcsin(x).

其次,arcsin(x)的定義域是上面這個函數的值域,[-1,1];值域是上面這個函數的定義域,[-pi/2, pi/2].

再次,arcsin(x0)就是正弦值位x0,且位於[-pi/2, pi/2]的一個弧度。例如arcsin(0.5)=pi/6.


類似的,我們討論

cos(x)在[0,pi]上的反函數arcos;


tan(x)在 (-pi/2, pi/2) 上的反函數arctan;


cot(x)在(0,pi)  上的反函數arcot.


反三角的一些恆等式,對應相應的三角函數的恆等式。

例如,arcsin(x)= arcos(\sqrt{1-x^2} ),  0<x<1

這個恆等式對應 正弦餘弦的平方和恆為1.


再例如,arcsin(x)+arccos(x)=pi/2, -1<x<1

這個恆等式對應 cos(pi/2-x) = sin(x).


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ps: 今天的推文在風格上有些大膽,做好被罵的心理準備。只是一個嘗試,看看反應。

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