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基本初等函数与图像变换

基础更新于 2026-09-29

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先掌握基本图像,再处理平移、伸缩和翻折,可减少重复计算。

一次函数与反比例函数

一次函数为 f(x)=kx+bf(x)=kx+b,其中 k≠0k\ne0。其定义域和值域都是 R\mathbb R,k>0k>0 时严格递增,k<0k<0 时严格递减,因为

f(x2)−f(x1)=k(x2−x1).f(x_2)-f(x_1)=k(x_2-x_1).

图像为过 (0,b)(0,b)、斜率为 kk 的直线;b=0b=0 时是正比例函数。k=0k=0 时则为常函数,不属于一次函数。

反比例函数为 f(x)=k/xf(x)=k/x,其中 k≠0k\ne0,定义域和值域都是 R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\}。图像关于原点对称:f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x)。k>0k>0 时两支位于第一、三象限,k<0k<0 时位于第二、四象限。

在同一个正半轴或负半轴上取 x1<x2x_1<x_2,有

f(x2)−f(x1)=−k(x2−x1)x1x2.f(x_2)-f(x_1)=-\frac{k(x_2-x_1)}{x_1x_2}.

由于 x1x2>0x_1x_2>0,k>0k>0 时每支严格递减,k<0k<0 时每支严格递增。不能把两个分支合成一个单调区间。两坐标轴都是渐近线,曲线与它们没有交点。

有理指数幂函数的完整分类

幂函数为 y=xαy=x^\alpha,指数 α\alpha 固定。先取非零有理数 α=p/q\alpha=p/q,其中 p,qp,q 互质且 q>0q>0。对允许的实底数,按实 qq 次根定义 xp/q=(xq)px^{p/q}=(\sqrt[q]x)^p。

条件 定义域 值域 奇偶性 单调性
p>0p>0,p,qp,q 均奇 R\mathbb R R\mathbb R 奇 全域严格递增
p>0p>0,pp 偶、qq 奇 R\mathbb R [0,+∞)[0,+\infty) 偶 (−∞,0](-\infty,0] 递减,[0,+∞)[0,+\infty) 递增
p>0p>0,qq 偶 [0,+∞)[0,+\infty) [0,+∞)[0,+\infty) 非奇非偶 全域严格递增
p<0p<0,p,qp,q 均奇 R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\} R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\} 奇 两个半轴上分别严格递减
p<0p<0,pp 偶、qq 奇 R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\} (0,+∞)(0,+\infty) 偶 负半轴递增,正半轴递减
p<0p<0,qq 偶 (0,+∞)(0,+\infty) (0,+∞)(0,+\infty) 非奇非偶 全域严格递减

依据。 偶次实根要求被开方数非负;负指数又要求底数非零。奇次根保持正负,故负半轴存在时,函数符号与对称性由 pp 的奇偶决定。正半轴上正幂严格递增;负幂是正幂的倒数,严格递减。负半轴的变化再由奇偶性推出。所有幂函数均过 (1,1)(1,1)。

α=0\alpha=0 时本手册取 x≠0x\ne0,x0=1x^0=1,不在此定义 000^0。一般实指数在正半轴由连续扩充定义;α>0\alpha>0 时可连续补入 x=0x=0、值为 00。负底数的有理幂约定不能无条件延伸到任意实指数。

指数函数与对数函数

指数函数为 y=axy=a^x,对数函数为 y=log⁡axy=\log_a x,均要求 a>0,a≠1a>0,a\ne1。

性质 axa^x log⁡ax\log_a x
定义域 R\mathbb R (0,+∞)(0,+\infty)
值域 (0,+∞)(0,+\infty) R\mathbb R
固定点 (0,1)(0,1) (1,0)(1,0)
a>1a>1 时 严格递增 严格递增
0<a<10<a<1 时 严格递减 严格递减
互逆关系 alog⁡ax=xa^{\log_a x}=x(x>0x>0) log⁡a(ax)=x\log_a(a^x)=x(x∈Rx\in\mathbb R)

指数的单调性可从 ax2/ax1=ax2−x1a^{x_2}/a^{x_1}=a^{x_2-x_1} 判断;对数的单调性由反函数保留单调方向得到。两图像关于 y=xy=x 对称。a=1a=1 的表达式 1x1^x 有意义,但为常函数,不能有这里的反函数。

对于 a>1a>1,x>0x>0 时 ax>1a^x>1,x<0x<0 时 0<ax<10<a^x<1;对于 0<a<10<a<1,这两个结论交换。对数相应以 x=1x=1 为符号分界。比较不同底数时应固定输入范围,不能笼统用“越陡”判断所有位置的大小。

常函数、幂函数、指数函数、对数函数、三角函数和反三角函数称为基本初等函数;由它们经过有限次四则运算和复合所得的函数称为初等函数,每步均须保留合法定义域。

把基本图像与取值范围一起记忆

函数 定义域 值域 主要性质
x2x^2 R\mathbb R [0,+∞)[0,+\infty) 偶函数,先减后增
x3x^3 R\mathbb R R\mathbb R 奇函数,全域严格递增
x\sqrt{x} [0,+∞)[0,+\infty) [0,+∞)[0,+\infty) 严格递增
1/x1/x R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\} R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\} 奇函数,两个分支分别递减
axa^x,a>0,a≠1a>0,a\ne1 R\mathbb R (0,+∞)(0,+\infty) 过 (0,1)(0,1);a>1a>1 时增,a<1a<1 时减
log⁡ax\log_a x,a>0,a≠1a>0,a\ne1 (0,+∞)(0,+\infty) R\mathbb R 过 (1,0)(1,0);单调方向与对应指数函数相同

x→+∞x\to+\infty 时,a>1a>1 的 axa^x 无限增大;0<a<10<a<1 的 axa^x 趋近 00 但不等于 00。横轴是渐近线,不属于函数图像。

平移、伸缩、反射与绝对值变换

设原图像上的点为 (u,f(u))(u,f(u))。从点的对应关系可以统一判断变换方向:

新函数 对应点 图像变化
f(x−h)+kf(x-h)+k (u+h,f(u)+k)(u+h,f(u)+k) 平移向量 (h,k)(h,k)
Af(x)Af(x) (u,Af(u))(u,Af(u)) 纵坐标乘 AA;A<0A<0 时同时关于横轴反射
f(Bx)f(Bx),B≠0B\ne0 (u/B,f(u))(u/B,f(u)) 横坐标乘 1/B1/B;B<0B<0 时同时关于纵轴反射
−f(−x)-f(-x) (−u,−f(u))(-u,-f(u)) 关于原点反射
f(2a−x)f(2a-x) (2a−u,f(u))(2a-u,f(u)) 关于直线 x=ax=a 反射
2b−f(2a−x)2b-f(2a-x) (2a−u,2b−f(u))(2a-u,2b-f(u)) 关于点 (a,b)(a,b) 中心对称

例如一般组合

g(x)=Af(B(x−h))+k(B≠0)g(x)=Af(B(x-h))+k\quad(B\ne0)

将 (u,f(u))(u,f(u)) 变为 (h+u/B,Af(u)+k)(h+u/B,Af(u)+k)。证明只需令 B(x−h)=uB(x-h)=u,反解 xx;同时新定义域为 {x:B(x−h)∈Df}\{x:B(x-h)\in D_f\}。

y=∣f(x)∣y=\lvert f(x)\rvert 保留横轴上方及横轴上的部分,将下方部分翻到上方。y=f(∣x∣)y=f(\lvert x\rvert) 只使用原函数在非负横坐标处的信息,保留右半图,再镜像到左侧,其定义域为 {x:∣x∣∈Df}\{x:\lvert x\rvert\in D_f\}。

若 ff 有反函数,关于 y=xy=x 的反射把 (u,f(u))(u,f(u)) 变为 (f(u),u)(f(u),u),故反射图像为 y=f−1(x)y=f^{-1}(x)。关于 y=−xy=-x 的反射把原图像上的点变为 (−f(u),−u)(-f(u),-u),反射图像为

y=−f−1(−x),−x∈f(Df).y=-f^{-1}(-x),\qquad -x\in f(D_f).

不存在反函数时,反射后的曲线未必还是函数图像。

例:复合变换的次序

y=log⁡2(2x−2)=1+log⁡2(x−1)y=\log_2(2x-2)=1+\log_2(x-1),定义域 x>1x>1。相对于 y=log⁡2xy=\log_2x,可解释为右移 11、上移 11。若直接按括号看“右移2”会出错,因为应先提出系数:2x−2=2(x−1)2x-2=2(x-1)。

例:比较大小时先决定固定什么

比较 log⁡23\log_2 3、log⁡32\log_3 2 和 11,不必求近似数。因为 3>23>2,log⁡23>1\log_2 3>1;又 1<2<31<2<3,所以 0<log⁡32<10<\log_3 2<1。

比较 (1/2)1/3(1/2)^{1/3} 与 (1/2)1/2(1/2)^{1/2},底数固定且位于 (0,1)(0,1),指数函数递减,因此前者较大。

比较 2−22^{-2} 与 3−23^{-2},指数固定为负数,应使用 t↦t−2t\mapsto t^{-2} 在正数上的递减性,得到 2−2>3−22^{-2}>3^{-2}。“底数大,结果就大”只有在合适的指数范围内成立。

关联阅读

先修:指数与对数的运算 · 单调性、奇偶性、周期与对称。

同主题:单调性、奇偶性、周期与对称 · 复合函数与反函数。

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