函数的概念及换元法文档

巡山小妖精
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2021年01月03日 20:05
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2021年1月3日发(作者:季士断)


函数的概念
一.预备知识(对应:多对一与一对一、一对多)

对应是有方向性的。
找对应:生活中的实例
一对一: 学生与学号
多对一: 学生与老师
一对多:班级与班级内的学生、老师与学生
抽象到数集之间的对应(大量举例子)
函数的本质是运算,核心是对应:即对于自变量,按照 什么样的对应法则去计算其函数
值;运算的本质是“位置”:运算中涉及的量处在运算式中的哪个“位置 ”上,该“位置”
应该遵循什么样的运算规则及在哪个范围内取值.
必须满足多对一与一对一的对

(一)运算
1.基本运算及其逆运算
许 多运算式虽然很复杂,但仔细观察就会发现,它们都是由以下几种基本运算及其逆运
算以不同的方式构造 而成:

加法减法
运算
乘法除法
运算
乘方开方
运算
指数对数
运算
三角函数
运算
正运算 逆运算
23?
(加法运
算)
2?5

52?
运算)
(减法
23?
运算)
(乘法
2?5

52?
运算)
3
3
(除法
2
2
3
?
算)
(乘方运
?8

8?
(开方运算)
3
?
(指数运
算)
2
?
8

log
2
8?
(对数运
算)
(反三角函数运算) (三角函数运算)
逆运算实质上就是对正运算所形成的等式解方程



2.运算的本质是“位置”:

①.运算,实质上都是对“位置”进行运算:
对运算中的各个“位置”赋予不同的值,改变的是运算的结果,而没有改变运算的法则.
a1,b3a2,b3
134ab?235

2
2
4a
a2,b2
b
?2
a2,b3
3
8
②. “位置”确定作用:
参与运算的量在运算中处于哪个位置,确定了它在运算起什么样的作用.











正运算


和是多少


积是多少

逆运算
23?
对谁加 加谁

2?5

52?
对谁减
减谁
差是多少







对谁乘






23?
加谁
2?5

52?
对谁除
除以谁

商是多少


2



对谁做乘方运算
3
?
做几次乘方运算
3
3

8?

?8




幂是多少
几次方 对谁做开方运算 方根是多少




2




对谁做指数运算


3

?

做几次指数运算

28



对幂是谁做多指数运算
?

log
2
8?
幂是多

做几次指数运算

③. “位置”确定取值范围:
参与运算的量处于运算中的哪个位置,就要遵循这个“位置”对取值的要求.
在加法运算ab?
中,任意两实数都可以做加法运算,所以被加数与


加数都可以取 任意实数;
在除法运算
a
?
b
中,分母不能为0,所以
b0

在开平方运算
一个完全平方数,所以
a?
中,由于它是 平方运算
?
2
a
的逆运算,是
a0

在对数 运算
log
2
a?
中,由于它是指数运算
算,因为
2?
a
的逆运
2
?
0
,所以
a0

3.位置与赋值:

对任意一个运算“位置”,可在该“位置”允许的取值范围内 任意赋值,不同的赋值就
可以得到不同的运算结果:
xy?

x1, y2xy3

x4,y5xy9

x
y
?

x1,y2x
y
1

x2,y3x
y
8

sinx?

x0sinx0

x

4
sinx
2

2
如果用一个 变量
x
表示某个运算“位置”上的值,并固定其它运算“位置”上的值,则
运算结果这 个“位置”所得到的就是关于变量
x
的一个函数
加法运算:固定加数,用变量
x
表示被加数,则可得到函数
乘法运算:固定乘数,
f(x)

f(x)xb

f(x)ax

除法运算:固定被除数,用变 量
x
表示除数,则可得到函数
f(x)
a
(反比例函数)
x
1
固定除数,用变量
x
表示被除数,则可得到函数
f(x)x
(正比例函数)
a
x
幂运算: 固定底数,用变量
x
表示指数,则可得到函数
f(x)a
(指数函数) < br>固定指数,用变量
x
表示底数,则可得到函数
f(x)x
(幂函数)
对数运算:固定底数,用变量
x
表示真数,则可得到函数
f(x)loga
(对数函数)
三角函数运算:用变量
x
表示角,则可分别得到函数
x
a
f(x)sinx
,
f(x)cosx
,
f(x) tanx
(三角函数)


由此可见,常见的几种基本初等函数,实际上就是由 加法、减法、乘方、开方、指数
对数、三角函数这几种基本运算固定运算中的某些位置而得到的.

(二).函数概念(核心就是对应:多对一与一对一)

由函数的定义可知 ,所谓函数,就是对于自变量
x
,按照什么样的对应法则去计算其函数

y< br>;运算的本质是“位置”:运算中涉及的量处在哪个位置上,就要遵循该“位置”的运
算规则及其 对取值范围的要求.因此,在研究函数时应搞清三个问题:
1.对谁运算(定义域):
函数 的本质是运算,函数解析式中所涉及到的运算中,自变量或关于自变量的式子处在
哪种运算中的什么位置 上,就要遵循这些位置的对取值范围的要求,所有这些取值范围的交
集就是函数的定义域.
如:
f(x)x1
1

x


这个位置要求:


x10



这个位置要求:
x0


x10

x1


1x0或0x)



x 0

x0
2.如何运算(对应法则):符号f(x)的理解
对应法则f:表示对
自变量x位置上数
将x换成t
x表示自变量的位

f(t)t
2
f(x)x
将x
2

将x换成2

f(2)2
2
4
换成
f(x1)(x1)2



自变量实质上表示的就是一个“位置”,对应法则就是对自变量 位置上的数或式子按对
应法则进行运算。至于自变量用哪个字母表示,对函数并没有实质性的影响,如< br>f(x)x
2

f(t)t
2

f(m)m< br>2
虽然表示自变量的字母不同,但自变量的取值范围相同(都是R),


函 数的对应法则相同,自变量在运算中位置相同,因此它们是同一个函数。






x表示自变量的位置
对应法则f:表示对

自变量x位置上数或

式子取倒数





将x换成t 将x换成2
1
1

f(2)
1
f(x)
2
f(t)

t
x
x处在分母的位置



上,所以x≠0


将x换成(x+1)

t处在分母的位置上,

所以t≠0
x+1处在分母的位置
1

上,所以x+1≠0
f(x1)


x1






x表示自变量的位置
对应法则f:表示对自

变量x位置上数或式

子取算术平方根




将x换成2

将x换成t
f(2)2


f(x)x

f(t)t



x处在被开方数的位

置上,所以x≥0
将x换成x+1


t处在被开方数的位

置上,所以t≥0
x+1处在被开方数的


位置上,所以x+1≥0


f(x1)x1







(平方、分段、常函数、D函数)


3.运算结果:
对于自变量的任 一允许值x,所有对应的函数值y的集合就是函数的值域.函数的值域由
函数定义域和对应法则f确定.
函数问题常以以下三种形式呈现:
① 知x知f求y;
② 知x知y求f;
③ 知f知y求x

即“知二求一”
三.研究函数问题的方法及流程

(一).三个问题
1.对谁运算--- 自变量的取值范围就是函数的定义域
2.对应法则---如何由自变量的值取得对应的函数值
3.运算结果---函数值如何随自变量的变化而变化的,所有函数值的集合就是函数的值域.
问题的呈现形式:知二求一:①知x知f求y,②知x知y求f ③ 知y知f求x
(二).五种方法
1.分类:看到字母想分类
2.图象:看图说话
3.换元:将复杂的函数化归为已知函数(如基本初等函数)--画出图象或示意图--看图说话
4.解方程:求值即解方程
5.互逆运算:将逆运算化归为正运算


(三).流程
研究函数问题的流程:




画图象


是否基本初等函数?
对谁运算







看图说话


能否化为基本初等函数?
画图象

(分类、化简、换元)





看性质

画图象示意图



换元法及其应用
一.预备知识
1.直接关系与间接关系
函数
yf(x)
中,自变量
x
与函数值
y
之间的 关系有两种:
一种是直接关系,如:
yx
,这里,
y
的值由自变 量
x
平方直接得到,
x

y
之间
是直接关系; < br>另一种是间接关系,如:
y(x1)
,这里,
y
的值的需要经过两 步获得:
第一步,自变量
x
的值加强1,得到一个量
tx1

第二步,对
t
做平方运算,
tx1yt
即:
xty

2
2
2
x与t之间、t与y之间是直接关系,而x与y之间是间接关系, y与x之间的关系是通过
中间变量
tx1
而建立的.

一般地,形如
yf[u(x)]
的函数中,函数值y要通过两上步骤获得:
tu(x)yf(t)
xty
,x与y之间是一种间接关系,而x与t 之间、t与y之间是直接关
系.对这类间接关系问题,通常我们要通过x与t之间、t与y之间的关系, 来研究x与y之
间的关系.这实际上就是换元的思想.
2.同一函数(相等函数):
函数的本质是运算,即对于自变量,按照什么样的运算法则得到对应的函数值;而运算
的本质是“位置 ”,即所涉及到的量处于哪种运算的什么位置。
在函数
yf(x)
中,自变量实际 上起着一个“位置”的作用:对于自变量这个“位置”
上的每一个值,都是按照同一个法则,去得到的值 ,因此,自变量用哪个字母来表示,对对
应法则
f
并没有影响.如f(t)=t
2
;f(x)=x
2
;两个函数中,虽然自变量所用的字母不同,
但两个自 变量取值范围相同、自变量所在位置相同、运算法则相同(都是对自变量这个位置
上的数做平方运算), 因此,它们是同一个函数。



二.换元法
1.用换元法构造新函数




t处在自变量的位置上







f(t)的意义就是对自变量位置上的数或
代数式做平方运算并将其结果赋给y
f(t)t
2

f是函数的对应法则

如果自变量t取 的是具体的数值,所得到的就是所对应的函数值,如果自变量t取
的是关于另一个变量x的代数式,如< br>tx1
:依然是按照前面的法则进行相同的运算
并将其结果赋给y



x-1处在自变量的位置上 对自变量位置上x-1做平方运算


并将其结果果赋给y









f(x1)(x1

)
2
f是函数的对应法则

这样就得到了一个新的函数,我们用< br>g(x)
表示这个新函数,即
g(x)f(x1)(x1)
2
,这里,
g(x)
实际上就是由
f(x)

tx1
换元 构造出的一个
新函数.
为便于叙述,把
f(t)
称为原函数,
t< br>称为原自变量(为区别起见,这里自变量用字母
t
表示),把
g(x)
称为新函数,
x
称为新自变量。
观察
g(x)
的运算过程:


①自变量
x
取值→②计算
x1
的值并将其赋给
t
→③计算
f(t)
的值并赋给
y

tx1yf(t)
xty





x是g(x)的自变量

x不是f(x)的自变量,x-1作为一个整体 处于f(x)
的自变量位置上,可视作t的一个取值








g(x)f(x1)(x

1)
f是原函数的法则,
但不是新函数的法

2
g是新函数的法
则:自变量先减1
再平方

一般地,对 原函数
yf(t)


tu(x)
换元可得到新函数
g (x)f[u(x)]
,新函数的
运算过程如下:
tu(x)yf(t)
xty

这样,可以由简单的函 数构造出复杂的函数,考试中遇到的许多复杂的函数就是用这种
方式构造而成的:
txa
f(t)t
2
g(x)f(xa)(xa)
2

1
tx1
1

f(t)g(x)f(xa)< br>tx1
tx1
f(t)2
t
g(x)f(x1) 2
x1

tx1
f(t)log
2
tg (x)f(x1)log
2
(x1)

tsinx
f(t )at
2
btcg(x)f(sinx)asin
2
x bsinxc

x
t2
f(t)tbg(x)f(2x
)2
x
b

t2
f(t)atg( x)f(2
x
)a2
x

t

x

ysintysin(

x

)

x



反过来,对于形如
g(x)f[u(x)]的函数,则可以看作由原函数
f(t)

tu(x)
换元


而得到的新函数,我们可以通过
f(t)
来研究
yg(x)
的有 关性质.
g(x)(xa)
2
:
1
g(x):
x 1
txayt
xty

1
t
2
xty

tx1y2
xty

ylog
2
t
tx1
xty
t
tx1
y
g(x)2
x1
:
g(x)l og
2
(x1):
2
g(x)asinxbsinxc:
g (x)2
x
b:
g(x)a2
x
:
x
x ty

tsinxyat
2
btc
t2y tb
xty

t2yat
xty

t

x
ysint
xty

x
ysin(
x

):
对于这样的函数,我们只要搞清楚它的原函数是谁,变换关 系怎样,即搞清楚这些复杂
的函数是由哪个函数经过怎样的换元构造而成的,就可以通过原函数与变换关 系来研究新函
数.
在由原函数
f(t)
构造新函数
g(x)f[ u(x)]
的过程中,
tu(x)
是联结原函数与新函
数的桥梁,它实际上 给出了原函数到新函数的变换关系.


2. 换元法中的运算问题
t y
,这实际上是对于新函数
g(x)f[u(x)]
,其运算过程如下:< br>x
y
,其中,x与t,,t与y是直
t
,
t
把由x到y的运算由一步分成了两步:
x
接关系,而x与y则是间接关系.在 这x,t,y三个量之间的运算可形成如下四种结构:


tu(x)
y f(t)
tu(x)yf(t)
③yf[u(x)]

正方向
xty

①tu(x)②yf(t)



③yf[u(x)]

逆方向
①tu(x)②yf(t)
xty


③yf[u(x)]

两头到中间
①tu(x)②yf(t)
xty


③yf[u(x)]

中间到两头
xty



















①tu(x)②yf(t)


操作流程:
①、画出结构图:
②、在①②③三个位置摆关系(有关系摆关系,无关系摆字母)
③、搞清知谁求谁
④、选择运算
例1.
g(x)sinx2sinx3
的值域是 .











例2.求
y2sin(2x
2
③ysin
2
x2sinx3

xty

①t sinx②yt
2
2t3

3
)
的最大值及函数取得 最大值时x的集合

求函数的最大值:



③ysin(2x)


3



①t2x
②y2sint

3


xty


1-x
2
1
例3 .若g(x)=1-2x,f[g(x)]=
x
2
,则f(
2
)=_ ________
答案:15









1x
2
③y
2
x

①t12x②yf(t)
xty



例4.[2013·全国卷] 已知函数f(x)的定义域为(-1,0),则函数f(2x+1)的定义域
为( )








③yf(2x1)

①t2x1②yf(t)
xty


练习题
1.已知函数f(x)的定义域为(-1,0),则函数f(2x+1)的定义域为( )

2.已知函数f(2x+1)的定义域为(-1,0),则函数f(x)的定义域为( )

3.设函数f(x)=2x+3,g(x+2)=f(x),则g(x)的表达式是 ( )
A.g(x)=2x+1 B.g(x)=2x-1
C.g(x)=2x-3 D.g(x)=2x+7
1-x
2
1< br>4.若g(x)=1-2x,f[g(x)]=
x
2
,则f(
2
)=_________
5. 已知f(x+1)=x
2
+4x+1,求f(x)的解析式.
所求函数解析式为f(x)=x
2
+2x-2.
6(14乌市三模15)定 义在R上的函数
f(x)
单调递增,且对任意
x(0,)
,恒

f(f(x)log
2
x)1
,则函数
f(x)
的零 点为________________.
1
答案:
2
1
7、设 一次函数
y
=
f(x)
(x∈R)为奇函数,且
f(1),f(5 )
( )(2014年一模)
2
5
A.
2
B. 1 C. 3 D. 5
选A

log
2
(1x),x0
8、定义在R上的函数
f(x)
满足
f(x)
=

,则
f(2009)

f( x1)f(x2),x0

值为
A.-1 B. 0 C.1 D. 2
选c


9(2006全国1文8)设a1
,函数
f(x)log
a
x
在区间
[a,2a ]
上的最大值与最小
值之差为
1
,则
a

2
A.
2
B.2 C.
22
D.4

选D

1 0.已知集合P={x|0≤x≤4},Q={y|0≤y≤2},下列不能表示从P到Q的映射
的是( )
1
A.f:x→y=
2
x
2
C.f:x→y=
3
x
答案:C
11.已知函 数f(x)对任意的x、y∈R都有f(x+y)=f(x)+f(y),且f(2)=4,则f(1)

f(1)=2.


12. 设f(x)是定义在R上且周期为2的函数,在区间[-1,1]上,f(x)=


1
B.f:x→y=
3
x
D.f:x→y=x

ax+1,-1≤x<0,

bx+2
,0≤x≤1,

x+1< br>答案:-10




1

3

其中a,b∈R.若f

2

=f

2

,求a+3b的值。

1
13.(2013·山东高考)函数f(x)=1-2+的定义域为( )
x+3
x
A.(-3,0]
C.(-∞,-3)∪(-3,0]
【答案】选A




B.(-3,1]
D.(-∞,-3)∪(-3,1]


1
14.(2013·辽宁高考)已知函数f(x)=ln(1+9x-3x)+1,则f(lg 2)+f(lg
2
)=
2
( )
A.-1 B.0 C.1 D.2
【答案】 D

15.(2011天津高考文10)设函数
g

x

x
2
2

xR< br>



g

x

x4,x g

x

,
f

x





g

x

x,xg

x

,

f

x

的值域是( ).

9

,0

U

1,


0,

A.

4

B.



9

9

,,0

U

2,




D.

4

C.

4

【答案】D


lgx,x0
16(2011陕西高考文11)设
f(x)

x
,则
f(f(2))
______.

10,x0
【答案】
2

17.(2011 高考)对于函数
f(x)asinxbxc
(其中,选取
a,b,ca,b R,cZ
),
的一组值计算
f(1)

f(1)
,所得 出的正确结果一定不可能是
......
A.4和6
答案:为D


B.3和1 C.2和4 D.1和2
18、(2012 高考)已知定义在区间
(0,2)
上的函数
yf(x)
的图像如图所示,则
yf(2x)
的图像为



答案:B

19、(2013 高考 )已知函数
f

x

的定义域为

1,0

,则函数
f

2x1

的定义域

1

1

(A)

1,1

(B)

1,

(C)

-1,0

(D)

,1


2

2

【答案】B

2
x2

,
20、.(2011 高考)已知函数f(x)

x
,若关于x的方程
f(x)k

< br>(x1)
3
,x2

两个不同的实根,则实数k的取值范围是__ ______.
答案:(0,1)

(x+1)
2
+sinx
21 函数的值域(2012新疆高考)(16)设 函数f(x)=
x
2
+1
的最大值为M,最
小值为m,则M+m=_ ___
答案:2

22.(2014乌鲁木齐二模)7. 设函数
f(x)=a
x
(a >0,a

l)

x

[ -1

1
]上的最大值
与最小值之和为
g(a)
,则函数
g(a)
的取值范围是
A.(0,1)
选D

23. (2011年高考山东卷理科5)对于函数
yf(x),xR
,“
y|f(x)|
的图象关于
y轴对称”是“
y
=
f(x)
是奇函数”的
(A)充分而不必要条件 (B)必要而不充分条件
(C)充要条件 (D)既不充分也不必要
【答案】B
B. (0,2) C. (1, +oo ) D. (2, +

)
< /p>


24.(2011年高考安徽卷理科3)设
f(x)
是定义在
R
上的奇函数,当
x
时,
f(x)xx
,则
f( )

(A)

(B)

(C)1 (D)3
【答案】A

25. 题目内容:集合
A
={
a

b
},
B
={-1,0,1},从
A

B
的映射
f

A

B
满< br>足
f
(
a
)+
f
(
b
)=0,那么 这样的映射
f

A

B
的个数为( )
A.2
C.5
答案:B

26、(2009全国)用min{a,b,c}表示a,b,c三个数中的最小值
设f(x)=min{
2
x
, x+2,10-x} (x

0),则f(x)的最大值为
(A)4 (B)5 (C)6 (D)7
解析:选C
27.【2012高考真题山东理8】定义在
R
上的 函数
f(x)
满足
f(x6)f(x)
.当
2
)(x 2

)

1x3
时,
f(x)x
。则< br>3x1
时,
f(x



B.3
D.8
f(1)f(2f)(3f)


(A)335 (B)338 (C)1678 (D)2012
【答案】B


-x,x≤0,
28. 设函数f(x)=

2
若f(α)=4,则实数α=( )
x,x>0.

A.-4或-2 B.-4或2
C.-2或4 D.-2或2

【答案】 B

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