FUNKTIO JA SEN KUVAAJA Funktio
Transcription
FUNKTIO JA SEN KUVAAJA Funktio
FUNKTIO JA SEN KUVAAJA Funktio Funktio eli kuvaus on matematiikan ja sen sovellusten keskeisimpiä käsitteitä. Funktio liittyy tilanteisiin, joissa käsitellään suureiden välisiä riippuvuuksia. Esimerkki 1. Kaava T = 2π funktiona l esittää heilurin heilahdusaikaa T heilurin pituuden l g ( g = 9,81 ) . Tässä tapauksessa heilurin pituus on muuttuja ja heim s2 lahdusaika on funktion arvo. Kun muuttujan l arvo on annettu, funktion T arvo on täysin määrätty. Esimerkki 2. l (m) T (s) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 1,4 2,0 2,5 2,8 Yhtälössä y = x 2 − 2 on y esitetty muuttujan x funktiona. Tässä x on muuttuja ja y on funktion arvo kohdassa x. x 0 0,5 1,0 1,5 2,0 y 0 -1,75 -1,0 0,25 2 Funktio eli kuvaus f joukolta X joukolle Y on sääntö, joka liittää joukon X jokaiseen alkioon x joukon Y yksikäsitteisen alkion y = f (x). X Y Joukkoa X nimitetään funktion f määrittelyjoukoksi ( M f ) , joukkoa Y funktion f maalijoukoksi ja joukkoa f f (X ) = { f (x) | x ∈ X } funktion f arvojoukoksi ( Af ) . Alkiota y = f ( x) kutsutaan x y = f(x) funktion f arvoksi pisteessä x tai alkion x kuvaksi kuvauksessa f. Funktio f : X → Y Funktion f nollakohdalla tarkoitetaan sellaista muuttujan x arvoa, joka toteuttaa ehdon f ( x ) = 0 . Esimerkki 3. 2x . Määritä funktion arvot x +1 pisteissä −1, 0, 2, t ja ( x + 1) . Olkoon funktio h( x) = h(−1) = h(0) = h(2) = 2 ⋅ ( −1) ( −1) 2 +1 2 ⋅ ( 0) ( 0) 2 +1 2 ⋅ ( 2) 2 = −1 =0 = 4 5 ( 2) + 1 2 ⋅ (t ) 2t h(t ) = 2 = 2 (t ) + 1 t + 1 2 ⋅ ( x + 1) 2x + 2 2x + 2 h( x + 1) = = 2 = 2 2 ( x + 1) + 1 x + 2 x + 1 + 1 x + 2 x + 2 Esimerkki 4. 2 Määritä funktion g ( t ) = 2t 2 − 3t + 1 nollakohdat. Funktion g nollakohdat löydetään ratkaisemalla yhtälö 2t 2 − 3t + 1 = 0 . x= 3 ± 32 − 4 ⋅ 2 ⋅1 2⋅2 x = 1 tai x = Funktion g nollakohdat ovat 1 ja 1 2 1 . 2 Esimerkki 5. Määritä funktioiden f ( x ) = ( x − 1) ja g ( t ) = 9 − t 2 määrittely- ja 2 arvojoukot. Funktion f muuttuja x voi saada mitä tahansa reaalilukuarvoja, joten määrittelyjoukko on reaalilukujen joukko ( \ ) . Näillä muuttujan x arvoilla funktio f saa arvoja nollasta ylöspäin, sillä neliö ( x − 1) ei voi saada negatiivisiä arvoja. Ar2 vojoukko on tällöin positiivisten reaalilukujenjoukko ([ 0, ∞[ ) . Nyt funktio f voidaan ilmaista kuvauksena määrittelyjoukolta arvojoukolle. f : \ → \+ . Funktion g muuttuja t voi saada arvoja −3 ≤ t ≤ 3 , sillä juurrettava ei voi tulla negatiiviseksi. Määrittelyjoukko on tällöin [ −3,3] . Näillä muuttujan t arvoilla funktio g saa arvoja [ 0,3] , suurimman arvonsa muuttujan t arvolla 0 ja pienimmän muuttujan t arvolla −3 tai 3 . Arvojoukko on [ 0,3] . Funktio g kuvauksena g : [ −3,3] → [ 0,3] . Esimerkki 6. Olkoon X = {1,2,3,4} ja Y = {a, b, c}. a) Ehdot f(1) = a, f(2) = b, f(3) = b ja f(4) = c määrittelevät kuvauksen f : X → Y, sillä joukon X jokaisella alkiolla x on yksikäsitteinen kuva f(x) joukossa Y. Edelleen f(X) = { f(1), f(2), f(3), f(4)} = {a, b, b, c} = {a, b, c} = Y. X Y f 1 a 2 3 4 b c b) Ehdot g(1) = a, g(2) = b ja g(3) = b eivät määrittele funktiota g : X → Y, sillä arvoa g(4) ei ole määritelty. c) Ehdot g(1) = a, g(2) = b, g(3) = b ja g(4) = d eivät määrittele funktiota g : X → Y, sillä arvo g(4) ei kuulu joukkoon Y. d) Ehdot g(1) = a, g(1) = b, g(2) = b, g(3) = b ja g(4) = c eivät määrittele funktiota g : X → Y, sillä g(1) ei ole yksikäsitteinen. Funktioiden f : X → Y ja g: Y → Z yhdistetty funktio g o f : X → Z määritellään ehdosta (g o f )(x) = g( f (x)) (x ∈ X ). Funktiota f nimitetään yhdistetyn funktion g D f sisäfunktioksi ja funktiota g sen ulkofunktioksi. X Y Z f g x• • g(f(x)) • f(x) gof Esimerkki 7. Olkoon X = {1,2,3,4}, Y = {5,6,7} ja Z = {8,9} ja olkoot f : X → Y ja g : Y → Z ehtojen f(1) = 5, f(2) = 6, f(3) = 7, f(4) = 7 ja g(5) = 8, g(6) = 9, g(7) = 9 määräämät funktiot: X Y f 1 2 3 4 Z g 5 6 7 8 9 Tällöin on voimassa: (g o f)(1) = g(f(1)) = g(5) = 8, (g o f)(2) = g(f(2)) = g(6) = 9, (g o f)(3) = g(f(3)) = g(7) = 9, (g o f)(4) = g(f(4)) = g(7) = 9, (g o f)(X) = { (g o f)(x) | x ∈ X } = {8,9,9,9} = {8,9} = Z. Esimerkki 8. Funktioille f : R → R, f (x) = x2 + x ja g : R → R, g(x) = 2x + 1 on voimassa: ( g o f )(0) = g( f (0)) = g(02+0) = g(0) = 2⋅0+1 = 1, ( f o g )(0) = f (g(0)) = f (2⋅0+1) = f (1) = 12+1 = 2 ja ( g o f )(x) = g( f (x)) = g(x2+x) = 2(x2+x) + 1 = 2x2+2x+1. Koska siis ( g o f )(0) ≠ ( f o g )(0), niin g o f ≠ f o g ja vaihdantalaki g o f = f o g ei ole yleisesti voimassa. Funktioiden yhdistäminen on kuitenkin liitännäistä eli h o (g o f ) = (h o g) o f aina, kun kyseiset yhdistetyt funktiot on määritelty.