background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

42 

22 

Relacje 

 

Niech X i Y oznaczaj  dowolne niepuste zbiory. Zbiór

 

{

}

Y

X

Y

X

=

×

y

x

y

x

:

)

,

(

 nazywamy 

produktem 

kartezja skim  zbiorów 

X  i Y. Je li Y  = X,  to produkt 

X

X

×   oznaczamy  symbolem 

2

X

  i  nazywamy  drug   pot g  

kartezja sk  zbioru X

 

Dowolny podzbiór 

ℜ produktu 

Y

X

×  nazywamy 

relacj  dwuczłonow

 zachodz c  mi dzy elementami zbio-

ru X i elementami zbioru Y. Je li 

ℜ⊂

X

X

× , to mówimy,  e relacja ℜ zachodzi mi dzy elementami zbioru X

 

 

 

Niech 

Y

X

×

. Rzut relacji na o  odci tych (poziom ) nazywamy 

dziedzin

 tej 

relacji

, rzut relacji na o  

rz dnych (pionow ) nazywamy jej 

zbiorem warto ci

.  

 

 

 

1. Przykład  

}

4

:

)

,

{(

2

2

2

x

y

x

R

y

x

+

=

}

4

)

2

(

:

)

,

{(

2

2

2

+

=

y

x

R

y

x

 

 

R

D

=

R

V

=

 

 

2. Przykład

  

}

|

|

:

)

,

{(

2

x

x

y

R

y

x

=

=

<

=

>

=

=

,

0

1

,

0

1

x

x

x

x

x

x

dla

dla

 

 

}

0

{

\

R

D

=

}

1

,

1

{

=

V

 

 

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

43 

Relacja

 

ℜ⊂X×Y jest 

prawostronnie jednoznaczna

, je li spełnia warunek 

[

]

2

1

2

1

,

)

,

(

)

,

(

2

1

y

y

y

x

y

x

y

y

x

=

Y

X

 

(proste pionowe (równoległe do osi rz dnych) przecinaj  

ℜ w co najwy ej jednym punkcie).  

 
 

 

23

 

Funkcje (odwzorowania) 

 

 

Niech X

 i Y b d  dowolnymi niepustymi zbiorami. Relacj  

Y

×

f

nazywamy funkcj  

Y

X

f

:

, gdy ma 

ona nast puj ce własno ci: 

1)

  jej dziedzin  jest zbiór X, tzn. 

f

y

x

Y

y

X

x

)

,

(

2)

  jest ona prawostronnie jednoznaczna, tzn.  

[

]

2

1

2

1

,

)

,

(

)

,

(

2

1

y

y

f

y

x

f

y

x

y

y

x

=

Y

X

  

Poniewa   dla  danego 

X

x

∈   istnieje  dokładnie  jedno  y  takie,  e 

f

y

x

)

,

(

,  przeto  to  jedyne  y  oznaczamy 

przez 

)

(x

f

 i nazywamy warto ci  funkcji w punkcie x.  

Je li 

Y

X

f

:

, to czytamy: f

 

jest funkcj  ze zbioru

 

X

 

w zbiór

 

Y. Zbiór X nazywamy przy tym 

dziedzin

 

(zbiorem argumentów) odwzorowania f, zbiór 

{

}

X

V

=

x

x

f

f

:

)

(

nazywamy 

zbiorem warto ci

 funkcji f

 

Funkcje

 

)

(x

f

x

)

(x

g

x

 s  

równe

 wtedy i tylko wtedy, gdy:  

1

° s  okre lone na tej samej dziedzinie D

2

° 

)

(

)

(

x

g

x

f

x

=

D

 

3. Przykład

  

Zbadaj równo  funkcji:

1

1

)

(

,

:

;

1

1

)

(

,

:

2

=

+

=

x

x

x

g

D

g

x

x

f

D

f

g

f

R

R

R

R

Poniewa  

},

1

{

\

R

f

D

},

1

,

1

{

\

R

g

D

wi c nie jest spełniony pierwszy warunek definicji. 

 

4. Przykład

  

Zbadaj równo  funkcji: 

2

)

(

,

:

;

)

(

,

:

x

x

g

g

x

x

f

f

=

=

R

R

R

R

W tym przypadku 

g

f

D

D

=

R

, lecz 

1

)

1

(

=

f

1

)

1

(

=

g

. Funkcje nie s  równe. 

 
 

24

 

Funkcje monotoniczne 

 

 

 

Funkcja rosn ca 

)]

(

)

(

[

2

1

2

1

,

2

1

x

f

x

f

x

x

f

x

x

<

<

D

 

Funkcja nierosn ca 

)]

(

)

(

[

2

1

2

1

,

2

1

x

f

x

f

x

x

f

x

x

<

D

 

Funkcja malej ca 

)]

(

)

(

[

2

1

2

1

,

2

1

x

f

x

f

x

x

f

x

x

>

<

D

 

Funkcja niemalej ca 

)]

(

)

(

[

2

1

2

1

,

2

1

x

f

x

f

x

x

f

x

x

<

D

 

Funkcja stała 

)]

(

)

(

[

2

1

,

2

1

x

f

x

f

f

x

x

=

D

 

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

44 

Funkcj  nazywamy

 

przedziałami monotoniczn

, je li jej dziedzin  mo na przedstawi  w postaci sumy prze-

działów takich,  e na ka dym z tych przedziałów funkcja jest monotoniczna. 
 

5. Przykład

  

Funkcja 

R

R

x

x

f

=

:

)

4

2

(

 jest rosn ca. Jest to przykład funkcji liniowej. Funkcja liniowa okre lona jest wzo-

rem 

R

R

b

ax

x

f

+

=

:

)

(

, gdzie ab s  ustalonymi liczbami rzeczywistymi. Funkcja ta jest rosn ca wtedy i tylko 

wtedy, gdy 

0

>

a

; jest malej ca wtedy i tylko wtedy, gdy 

0

<

a

; dla 

0

=

a

funkcja liniowa jest stała. 

 

6. Przykład

  

Funkcja 

x

x

f

f

1

)

(

,

:

=

→ R

{0}

\

 jest przedziałami monotoniczna: jest malej ca w przedziale 

)

0

,

(

−∞

 oraz malej ca w 

przedziale 

)

,

0

(

∞ . 

 

 

7. Przykład

  

Funkcja 

2

)

(

,

:

x

x

f

f

=

→ R

R

  jest  przedziałami  monotoniczna:  jest  malej ca  w  przedziale 

]

0

,

(

−∞

  oraz  rosn ca  w 

przedziale 

)

,

0

[

∞ . 

 

 

 

 

25

 

 

Funkcja odwrotna 

 

 
 

Je li w funkcji zdaniowej definiuj cej relacj  

ℜ zamienimy miejscami zmienne x i y, to otrzymujemy funkcj  

zdaniow  definiuj c  

relacj  odwrotn

 

1

ℜ . Wykres relacji 

1

ℜ  mo na otrzyma  z wykresu relacji ℜ w tym samym 

układzie współrz dnych Oxy przez symetryczne odbicie wzgl dem prostej o równaniu 

x

y

= . 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

45 

8. Przykład

  

}

4

:

)

,

{(

2

2

>

=

x

y

y

x

                                                                                                

}

4

:

)

,

{(

2

1

2

>

=

y

x

y

x

 

            

              

 

 

Funkcja  jako  relacja  jest  odwracalna,  lecz  relacja  do  niej  odwrotna  nie  musi  by   te   funkcj ,  np. 

}

4

:

)

,

{(

2

=

=

x

y

y

x

 jest funkcj , 

}

4

:

)

,

{(

2

1

=

=

y

x

y

x

 nie jest funkcj .  

 

 

 

 

W sytuacji, gdy obie relacje 

ℜ i 

1

ℜ  s  funkcjami mówimy,  e relacja ℜ jest 

funkcj  odwracaln

.  

 

Funkcja f jest funkcj  odwracaln , je li jest relacj  lewostronnie jednoznaczn . 

 

 

 

Relacja

 

ℜ⊂X×Y jest 

lewostronnie jednoznaczna

, je li spełnia warunek 

[

]

2

1

2

1

,

)

,

(

)

,

(

2

1

x

x

y

x

y

x

y

x

x

=

Y

X

 

(proste poziome (równoległe do osi odci tych) przecinaj  

ℜ w co najwy ej jednym punkcie). 

Wykres funkcji 

1

f

 mo na otrzyma  z wykresu funkcji f w tym samym układzie współrz dnych Oxy przez symetryczne 

odbicie wzgl dem prostej o równaniu 

x

y

= . 

 

9. Przykład

  

Zbuduj funkcj  odwrotn  funkcji 

(

)

[ ]

R

=

3

;

1

:

6

2x

x

f

Znajdujemy 

[ ]

0

;

8

1

=

=

f

f

D

V

.  

Funkcja 

1

f

 okre lona jest przez wzór 

6

2

y

x

 (w napisie 

6

2

x

y

 zamienili my rolami zmienne). Po wyliczeniu 

y mamy 

3

2

1

+

x

y

. Zatem 

[ ]

R

+

=

0

;

8

:

)

3

(

2

1

1

x

x

f

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

46 

10. Przykład

 

Funkcjami wzajemnie odwrotnymi s  funkcja wykładnicza i funkcja logarytmiczna. 

1

),

(

>

=

a

a

x

f

x

                                                                                                      

1

),

log

(

1

>

=

a

x

x

f

a

 

                     

 

 

1

0

),

(

<

<

=

a

a

x

f

x

                                                                                         

1

0

),

log

(

1

<

<

=

a

x

x

f

a

 

 

                      

 

 

11. Przykład

  

Funkcje trygonometryczne nie s  odwracalne w całych swoich dziedzinach. Ka da z nich ma jednak przedziały, w któ-
rych jest ró nowarto ciowa, czyli odwracalna. W zwi zku z tym przyjmujemy nast puj ce okre lenia: 

 

x

x

f

sin

)

(

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Funkcja odwrotna: 

[ ]

R

=

π

π

1

,

1

:

sin

1

2

,

2

arcsin

                                             

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

47 

 

 

x

x

f

cos

)

(

=

 

 

 

 
 
 
 

Funkcja odwrotna 

[ ]

[ ]

R

=

π

1

,

1

:

cos

1

,

0

arccos

 

 

x

x

f

tg

=

)

(

 

 

 

 

Funkcja odwrotna 

R

=

π

π

:

1

2

,

2

tg

arctg

     

x

x

f

ctg

=

)

(

         

                                                                     

 

 

 

( )

R

=

π

:

1

,

0

ctg

arcctg

 

                      Funkcje te nazywamy 

funkcjami cyklometrycznymi (kołowymi)

.  

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

48 

26

 

Funkcja zło ona 

 

Niech b d  dane funkcje 

1

 i 

2

. Je li 

2

1

f

f

D

V

, to funkcj  

(

)

)

(

1

2

x

f

f

x

 nazywamy funkcj  zło on  

z funkcji 

1

f

 i 

2

f

 i oznaczamy symbolem 

1

2

f

f

    

12. Przykład

  

Zbuduj funkcje zło one 

1

2

f

f

2

1

f

f

, je li:

1

)

(

,

:

;

)

(

,

:

2

2

3

1

1

=

=

x

x

f

f

x

x

f

f

R

R

R

R

R

R

x

x

f

f

=

:

)

1

(

3

1

2

R

R

x

x

f

f

=

:

)

)

1

(

(

3

2

1

 

13. Przykład

  

Zbuduj funkcje zło one 

1

2

f

f

2

1

f

f

, je li:

1

2

)

(

,

:

;

sin

)

(

,

:

2

2

1

1

=

=

x

x

f

f

x

x

f

f

R

R

R

R

R

R

x

x

f

f

=

:

)

1

sin

2

(

1

2

R

R

x

x

f

f

=

:

))

1

2

sin(

(

2

1

 

Fakt.  

Funkcja rosn ca oraz funkcja malej ca s  odwracalne i przy tym obie funkcje f i 

1

f

 s  tego samego rodzaju monoto-

niczno ci. 

 

Fakt.  

Funkcja zło ona z dwu funkcji tej samej monotoniczno ci (tzn. rosn cych albo malej cych) jest funkcj  rosn c . Funkcja 
zło ona z dwu funkcji ró nej monotoniczno ci (tzn. rosn cej z malej c  albo malej cej z rosn c ) jest funkcj  malej c . 

 

14. Przykład

  

Zbadamy monotoniczno  funkcji okre lonej wzorem 

)

arcsin(log

)

(

2

x

x

f

=

Poniewa  

1

2

f

f

f

=

,  gdzie 

)

log

(

2

1

x

x

f

=

)

arcsin

(

2

x

x

f

=

  s   funkcjami  rosn cymi,  wi c  dana  funkcja  jest 

funkcj  rosn c  (jako zło enie dwu funkcji rosn cych). 
 

 

 

27

 

Funkcje elementarne 

 

Podstawowymi funkcjami elementarnymi

 nazywamy funkcje: stałe, pot gowe, wykładnicze, logarytmiczne, trygono-

metryczne  oraz  cyklometryczne.  Funkcje,  które  mo na  otrzyma   z  podstawowych  funkcji  elementarnych  za  pomoc  
sko czonej liczby działa  arytmetycznych oraz operacji zło enia funkcji, nazywamy 

funkcjami elementarnymi

 

• 

Moduł jest funkcj  elementarn , gdy  

2

|

|

x

x

=

 dla ka dego 

R

x

∈ . 

•  Wielomianem

 nazywamy funkcj  

R

R

W

:

 okre lon  wzorem 

0

1

1

1

...

)

(

a

x

a

x

a

x

a

x

W

n

n

n

n

+

+

+

+

=

 

gdzie 

}

0

{

∈ N

n

, oraz 

R

a

i

∈  dla 

n

i

0

, przy czym 

0

n

a

. Liczb  n nazywamy stopniem wielomianu W

• 

Funkcj , któr  mo na zapisa  w postaci ilorazu dwu wielomianów, nazywamy 

funkcj  wymiern

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

49 

Funkcj  

0

;

0

;

)

(

,

:

+

+

=

d

c

b

a

c

d

cx

b

ax

x

f

D

f

R

R

  nazywamy

 

homografi

.  Wykresem  homografii  jest  hiper-

bola. 

 

Je li stopie  wielomianu L(x) jest mniejszy ni  stopie  wielomianu M(x), to funkcj  nazywamy 

funkcj  wymiern  

wła ciw

. Ka da funkcja wymierna jest sum  wielomianu i funkcji wymiernej wła ciwej. 

 

1

1

1

1

)

1

(

)

1

(

)

1

(

1

)

(

)

(

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

2

2

4

+

+

+

=

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

Ułamkiem prostym pierwszego rodzaju 

nazywamy funkcj  wymiern  postaci 

n

a

x

A

)

(

 

Ułamkiem prostym drugiego rodzaju

 jest funkcja 

0

4

;

)

(

2

2

<

=

+

+

+

ac

b

q

px

x

B

Ax

n

 

 
Fakt.  

Ka d  funkcj  wymiern  wła ciw  mo emy zapisa  w postaci sumy ułamków prostych wła ciwych. 

 

15. Przykład

  

Funkcj  wymiern  

x

x

x

+

2

1

 przedstawi  w postaci sumy rzeczywistych ułamków prostych. 

 

Rozwi zanie. 

Mianownik jest rozkładalny na iloczyn czynników, wi c dokonujemy rozkładu funkcji podcałkowej na sum  ułamków 
prostych: 

)

1

(

)

(

)

1

(

)

1

(

1

)

1

(

1

1

2

+

=

+

=

+

=

+

=

+

x

x

A

x

B

A

x

x

Bx

x

A

x

B

x

A

x

x

x

x

x

x

 

Współczynniki A, B wyznaczamy z to samo ci 

A

x

B

A

x

+

=

+

)

(

1

 

(przyrównuj c współczynniki przy jednakowych pot gach): 

=

=

+

.

1

,

1

A

B

A

 

Dlatego 

1

2

1

1

2

+

=

+

x

x

x

x

x

 

16. Przykład

  

Funkcj  wymiern  

1

1

2

2

+

x

x

 przedstawi  w postaci sumy rzeczywistych ułamków prostych. 

 

Rozwi zanie. 

Nie jest to funkcja wymierna wła ciwa (stopie  licznika nie jest mniejszy od stopnia mianownika), wykonujemy dziele-
nie wielomianów. 

1

2

1

1

2

)

1

(

1

1

2

2

2

2

2

+

=

+

=

+

x

x

x

x

x

Do drugiego składnika stosujemy rozkład funkcji wymiernej wła ciwej na sum  ułamków prostych. 

)

1

)(

1

(

)

(

)

(

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

1

(

1

1

)

1

)(

1

(

2

1

2

2

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

=

+

=

x

x

B

A

x

B

A

x

x

x

B

x

A

x

B

x

A

x

x

x

 

Współczynniki A, B wyznaczamy z to samo ci 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

50 

)

(

)

(

2

B

A

x

B

A

+

+

+

=

 

(przyrównuj c współczynniki przy jednakowych pot gach): 

=

+

=

+

.

2

,

0

B

A

B

A

 

Dlatego 

1

1

1

1

1

2

2

+

+

=

x

x

x

. Ostatecznie mamy 

1

1

1

1

1

1

1

2

2

+

+

=

+

x

x

x

x

 

17. Przykład

  

Funkcj  wymiern  

x

x

x

x

x

2

2

5

4

2

3

2

+

+

 przedstawi  w postaci sumy rzeczywistych ułamków prostych. 

 

Rozwi zanie. 

=

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

=

+

+

)

2

2

(

)

(

)

2

2

(

2

2

)

2

2

(

4

4

2

2

4

4

2

2

2

2

2

2

3

2

x

x

x

x

C

Bx

x

x

A

x

x

C

Bx

x

A

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

)

2

2

(

2

)

2

(

)

(

)

2

2

(

)

(

)

2

2

(

2

2

2

2

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

x

x

x

A

x

C

A

x

B

A

x

x

x

x

C

Bx

x

x

A

 

=

=

+

=

+

4

2

4

2

1

A

C

A

B

A

 

→ 

=

=

=

0

3

2

C

B

A

 

→ 

2

2

3

2

2

2

4

4

2

2

3

2

+

+

+

=

+

+

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

18. Przykład

  

Funkcj  wymiern  

2

3

2

2

1

x

x

x

+

 przedstawi  w postaci sumy rzeczywistych ułamków prostych. 

 

Rozwi zanie. 

)

2

(

2

)

2

(

)

(

)

2

(

)

2

(

)

2

(

2

)

2

(

1

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

3

2

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+

=

+

x

x

B

x

B

A

x

C

A

x

x

Cx

x

B

x

Ax

x

C

x

B

x

A

x

x

x

x

x

x

 

=

=

+

=

+

1

2

0

2

1

B

B

A

C

A

 

→ 

=

=

=

4

3

2

1

4

1

C

B

A

 

→ 

)

2

(

4

3

2

1

4

1

2

1

2

2

3

2

+

+

=

+

x

x

x

x

x

x

 

 

19. Przykład

  

Funkcj  wymiern  

x

x

x

x

x

+

+

+

3

2

3

4

1

 przedstawi  w postaci sumy rzeczywistych ułamków prostych. 

 

Rozwi zanie. 

Poniewa  wielomian wyst puj cy w mianowniku ma stopie  mniejszy ni  wielomian wyst puj cy w liczniku, wi c w 
wyniku dzielenia otrzymamy 

x

x

x

x

x

x

x

x

x

+

+

+

=

+

+

+

3

3

2

3

4

1

1

1

Z kolei 

1

)

1

(

1

1

2

2

3

+

+

+

=

+

+

=

+

+

x

C

Bx

x

A

x

x

x

x

x

x

Współczynniki A, B wyznaczamy z to samo ci 

A

Cx

x

B

A

x

C

Bx

x

A

x

+

+

+

=

+

+

+

=

+

2

2

)

(

)

(

)

1

(

1

 

(przyrównuj c współczynniki przy jednakowych pot gach): 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Funkcja jako relacja

 – 

wykład 4

51 

=

=

=

+

1

,

1

,

0

A

C

B

A

 

Dlatego 

1

1

1

1

2

3

+

=

+

+

x

x

x

x

x

x

. Ostatecznie mamy 

1

1

1

1

1

1

1

2

3

3

2

3

4

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x