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数理基础微积分(Calculus) · 10讲1/10模块导览 →
讲义

第1讲 函数和集合(Functions&Sets)

介绍集合符号与交并补运算,梳理函数的定义域、值域和图像,并比较单调性、奇偶性等常见性质。

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一、集合基础#

1.1 集合定义与符号#

集合是由特定元素组成的整体,记作:

A={x  x 满足某些性质}A = \{x \ | \ x \text{ 满足某些性质}\}

常见数集符号:

  • R\mathbb{R}:实数集

  • Q\mathbb{Q}:有理数集

  • Z\mathbb{Z}:整数集

  • N\mathbb{N}:自然数集(Z+\mathbb{Z}^+

  • \emptyset:空集

区间表示

  • 闭区间:[a,b]={x  axb}[a, b] = \{x \ | \ a \leq x \leq b\}

  • 开区间:(a,b)={x  a<x<b}(a, b) = \{x \ | \ a < x < b\}

  • 无限区间:(a,+)={x  x>a}(a, +\infty) = \{x \ | \ x > a\}

1.2 集合运算#

设 A,B 为集合:

  • 并集AB={x  xAxB}A \cup B = \{x \ | \ x \in A \lor x \in B\}

  • 交集AB={x  xAxB}A \cap B = \{x \ | \ x \in A \land x \in B\}

  • 差集AB={x  xAxB}A \setminus B = \{x \ | \ x \in A \land x \notin B\}

:设 A={1,3,5}A = \{1,3,5\}B={2,3,4}B = \{2,3,4\}

  • AB={1,2,3,4,5}A \cup B = \{1,2,3,4,5\}

  • AB={3}A \cap B = \{3\}

  • AB={1,5}A \setminus B = \{1,5\}

学习建议:用 Venn 图辅助理解集合运算


二、函数基础#

2.1 函数定义#

函数 f:ABf: A \to B 满足:

  1. 存在性aA,f(a)B\forall a \in A, \exists f(a) \in B

  2. 唯一性:每个 aAa \in A 对应唯一的像

术语

  • 定义域:A

  • 陪域:B

  • 值域:{f(x)  xA}\{f(x) \ | \ x \in A\}

默认规则

  • 未声明定义域时,取最大使函数有意义的集合

  • 未声明陪域时,默认为 R\mathbb{R}

2.2 函数图像#

函数图像是坐标点的集合:

G(f)={(x,f(x))  xA}R2G(f) = \{(x, f(x)) \ | \ x \in A\} \subseteq \mathbb{R}^2

f(x)=x2f(x) = x^2 的图像是抛物线


三、函数运算#

3.1 代数运算#

f:ARf: A \to \mathbb{R}g:BRg: B \to \mathbb{R}

运算定义定义域
加法(f+g)(x)=f(x)+g(x)(f+g)(x) = f(x)+g(x)ABA \cap B
减法(fg)(x)=f(x)g(x)(f-g)(x) = f(x)-g(x)ABA \cap B
乘法(fg)(x)=f(x)g(x)(fg)(x) = f(x)g(x)ABA \cap B
除法(f/g)(x)=f(x)g(x)(f/g)(x) = \frac{f(x)}{g(x)}xABx \in A \cap B

:设f(x)=xf(x) = \sqrt{x}(定义域[0,+)[0,+\infty)),g(x)=1/xg(x) = 1/x(定义域 R{0}\mathbb{R}\setminus\{0\}

  • (f+g)(x)(f+g)(x)定义域为 (0,+)(0, +\infty)

四、特殊函数类型#

4.1 有理函数与代数函数#

  • 有理函数R(x)=P(x)Q(x)R(x) = \frac{P(x)}{Q(x)},其中 P,QP,Q 为多项式

  • 代数函数:通过代数运算组合多项式得到

  • 有理函数:f(x)=x2+1x3f(x) = \frac{x^2+1}{x-3}

  • 代数函数:f(x)=x+1x2f(x) = \sqrt{x} + \frac{1}{x^2}

4.2 单调性#

  • 增函数x1<x2I\forall x_1 < x_2 \in I,有 f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2)

  • 减函数x1<x2I\forall x_1 < x_2 \in I,有 f(x1)>f(x2)f(x_1) > f(x_2)

  • f(x)=2x+1f(x) = 2x+1R\mathbb{R}上严格递增

  • f(x)=x3f(x) = -x^3R\mathbb{R} 上严格递减

4.3 奇偶函数#

  • 偶函数f(x)=f(x)f(-x) = f(x)(关于 y 轴对称)

  • 奇函数f(x)=f(x)f(-x) = -f(x)(关于原点对称)

重要定理: 任何定义在 R\mathbb{R} 上的函数都可唯一分解为:

f(x)=f(x)+f(x)2偶部+f(x)f(x)2奇部f(x) = \underbrace{\frac{f(x)+f(-x)}{2}}{\text{偶部}} + \underbrace{\frac{f(x)-f(-x)}{2}}{\text{奇部}}

  • 偶函数:f(x)=x2f(x) = x^2

  • 奇函数:f(x)=x3f(x) = x^3

4.4 幂函数#

f(x)=xnf(x) = x^n

  • nn 为奇数时是奇函数

  • nn为偶数时是偶函数

学习建议

  1. 通过绘制 x2,x3x^2, x^3 的图像理解奇偶性

  2. 练习函数分解:将 exe^x 分解为奇偶部分