Функции. Основные понятия и определения

В математическом анализе принято следующее определение функции.

Переменная y называется функцией от переменной x, если по некоторому правилу или закону каждому значению x соответствует одно определенное значение y = f(x). Область изменения переменной x называется областью определения функции, а область изменения переменной y – областью значений функции. Если одному значению x соответствует несколько (и даже бесконечно много значений y), то функция называется многозначной. Впрочем, в курсе анализа функций действительных переменных избегают многозначных функций и рассматривают однозначные функции.

Рассмотрим другое определение функции с точки зрения отношений.

Определение 2.16. Функцией называется любое бинарное отношение, которое не содержит двух пар с равными первыми компонентами и различными вторыми.

Такое свойство отношения называется однозначностью или функциональностью.

Пример 2.22.

а) {<1, 2>, <3, 4>, <4, 4>, <5, 6>} – функция.

б) {<x, y>: x, y Î R, y = x2} – функция.

в) {<1, 2>, <1, 4>, <4, 4>, <5, 6>} – отношение, но не функция.

Определение 2.17. Если f – функция, то Df – область определения, а Rf – область значений функции f.

Пример 2.23.

Для примера 2.22 а) Df – {1, 3, 4, 5}; Rf – {2, 4, 6}.

Для примера 2.22 б) Df = Rf = (–¥, ¥).

Каждому элементу x Df функция ставит в соответствие единственный элемент y Rf. Это обозначается хорошо известной записью y = f(x). Элемент x называется аргументом функции или прообразом элемента y при функции f, а элемент y значением функции f на x или образом элемента x при f.

Итак, из всех отношений функции выделяются тем, что каждый элемент из области определения имеет единственный образ.

Определение 2.18. Если Df = X и Rf = Y, то говорят, что функция f определена на X и принимает свои значения на Y, а f называют отображением множества X на Y (X ® Y).

Определение 2.19. Функции f и g равны, если их область определения – одно и то же множество D, и для любого x Î D справедливо равенство f(x) = g(x).

Это определение не противоречит определению равенства функций как равенства множеств (ведь мы определили функцию как отношение, т. е. множество): множества f и g равны, тогда и только тогда, когда они состоят из одних и тех же элементов.

Определение 2.20. Функция (отображение) f называется сюръективной или просто сюръекцией, если ля любого элемента y Y существует элемент x Î X, такой, что y = f(x).

Таким образом, каждая функция f является сюръективным отображением (сюръекцией) Df ® Rf.

Если f – сюръекция, а X и Y – конечные множества, то ³ .

Определение 2.21. Функция (отображение) f называется инъективной или просто инъекцией или взаимно однозначной, если из f(a) = f(b) следует a = b.

Определение 2.22. Функция (отображение) f называется биективной или просто биекцией, если она одновременно инъективна и сюръективна.

Если f – биекция, а X и Y – конечные множества, то = .

Определение 2.23. Если область значений функции Df состоит из одного элемента, то f называется функцией-константой.

Пример 2.24.

а) f(x) = x2 есть отображение множества действительных чисел на множество неотрицательных действительных чисел. Т.к. f(–a) = f(a), и a ¹ –a, то эта функция не является инъекцией.

б) Для каждого x R = (– , ) функция f(x) = 5 – функция-константа. Она отображает множество R на множество {5}. Эта функция сюръективна, но не инъективна.

в) f(x) = 2x + 1 является инъекцией и биекцией, т.к. из 2x1 +1 = 2x2 +1 следует x1 = x2.

Определение 2.24. Функция, реализующая отображение X1 ´ X2 ´...´ Xn ®Y называется n-местной функцией.

Пример 2.25.

а) Сложение, вычитание, умножение и деление являются двуместными функциями на множестве R действительных чисел, т. е. функциями типа R2 ® R.

б) f(x, y) = – двуместная функция, реализующая отображение R ´ (R \ )® R. Эта функция не является инъекцией, т.к. f(1, 2) = f(2, 4).

в) Таблица выигрышей лотереи задает двуместную функцию, устанавливающую соответствие между парами из N2 (N – множество натуральных чисел) и множеством выигрышей.

Поскольку функции являются бинарными отношениями, то можно находить обратные функции и применять операцию композиции. Композиция любых двух функций есть функция, но не для каждой функции f отношение f–1 является функцией.

Пример 2.26.

а) f = {<1, 2>, <2, 3>, <3, 4>, <4, 2>} – функция.

Отношение f–1 = {<2, 1>, <3, 2>, <4, 3>, <2, 4>} не является функцией.

б) g = {<1, a>, <2, b>, <3, c>, <4, D>} – функция.

g-1 = {<a, 1>, <b, 2>, <c, 3>, <D, 4>} тоже функция.

в) Найдем композицию функций f из примера а) и g-1 из примера б). Имеем g-1f = {<a, 2>, <b, 3>, <c, 4>, <d, 2>}.

fg-1 = Æ.

Заметим, что (g-1f)(a) = f(g-1(a)) = f(1) = 2; (g-1f)(c) = f(g-1(c)) = f(3) = 4.

Элементарной функцией в математическом анализе называется всякая функция f, являющаяся композицией конечного числа арифметических функций, а также следующих функций:

1) Дробно-рациональные функции, т.е. функции вида

a0 + a1x + ... + anxn

b0 + b1x + ... + bmxm.

2) Степенная функция f(x) = xm, где m – любое постоянное действительное число.

3) Показательная функция f(x) = ex.

4) логарифмическая функция f(x) = logax, a >0, a 1.

5) Тригонометрические функции sin, cos, tg, ctg, sec, csc.

6) Гиперболические функции sh, ch, th, cth.

7) Обратные тригонометрические функции arcsin, arccos и т.д.

Например, функция log2(x3 +sincos3x) является элементарной, т.к. она есть композиция функций cosx, sinx, x3, x1 + x2, logx, x2.

Выражение, описывающее композицию функций, называется формулой.

Для многоместной функции справедлив следующий важный результат, полученный А. Н. Колмогоровым и В. И. Арнольдом в 1957 г. и являющийся решением 13-ой проблемы Гильберта:

Теорема. Всякая непрерывная функция n переменных представима в виде композиции непрерывных функций двух переменных.

 

Способы задания функций

 

1. Наиболее простой способ задания функций – это таблицы (табл. 2.2):

Таблица 2.2

x x1 x2 ... xn
f(x) f(x1) f(x2) ... f(xn)

 

Пример 2.27.

Бросается игральная кость. Пусть k – число выпавших очков, а p(k) – вероятность того, что при случайном бросании кости выпадет k очков, k = 1, 2, ..., 6.

В этом случае функция p(k) может быть задана следующей таблицей (табл. 2.3):

Таблица 2.3

k
p(k) 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6

 

Однако, таким образом могут быть заданы функции, определенные на конечных множествах.

Если функция, определенная на бесконечном множестве (отрезке, интервале), задана в конечном числе точек, например, в виде тригонометрических таблиц, таблиц специальных функций и т.п., то для вычисления значений функций в промежуточных точках пользуются правилами интерполяции.

2. Функция может быть задана в виде формулы, описывающей функцию как композицию других функций. Формула задает последовательность вычисления функции.

Пример 2.28.

f(x) = sin(x + Öx) является композицией следующих функций:

g(y) = Öy; h(u, v) = u + v; w(z) = sinz.

3. Функция может быть задана в виде рекурсивной процедуры. Рекурсивная процедура задает функцию, определенную на множестве натуральных чисел, т. е. f(n), n = 1, 2,... следующим образом: а) задается значение f(1) (или f(0)); б) значение f(n + 1) определяется через композицию f(n) и других известных функций. Простейшим примером рекурсивной процедуры является вычисление n!: а) 0! = 1; б) (n + 1)! = n!(n + 1). Многие процедуры численных методов являются рекурсивными процедурами.

4. Возможны способы задания функции, не содержащие способа вычисления функции, а только описывающие ее. Например:

fM(x) =

Функция fM(x) – характеристическая функция множества M.

Итак, по смыслу нашего определения, задать функцию f – значит задать отображение X ® Y, т.е. определить множество X´Y, поэтому вопрос сводится к заданию некоторого множества. Однако можно определить понятие функции, не используя языка теории множеств, а именно: функция считается заданной, если задана вычислительная процедура, которая по заданному значению аргумента находит соответствующее значение функции. Функция, определенная таким образом, называется вычислимой.

Пример 2.29.

Процедура определения чисел Фибоначчи, задается соотношением

Fn = Fn-1 + Fn-2 (n ³ 2) (2.1)

с начальными значениями F0 = 1, F1 = 1.

Формула (2.1) вместе с начальными значениями определяет следующий ряд чисел Фибоначчи:

n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 …
Fn 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 …

 

Вычислительная процедура определения значения функции по заданному значению аргумента есть не что иное, как алгоритм.

 

Контрольные вопросы к теме 2

 

1. Укажите способы задания бинарного отношения.

2. Главная диагональ матрицы какого отношения содержит только единицы?

3. Для какого отношения r всегда выполняется условие r = r–1?

4. Для какого отношения r всегда выполняется условие r r Í r.

5. Ввести отношения эквивалентности и частичного порядка на множестве всех прямых на плоскости.

6. Укажите способы задания функций.

7. Какое из следующих утверждений справедливо?

а) Всякое бинарное отношение есть функция.

б) Всякая функция есть бинарное отношение.