函数的内容及发展历程.

绝世美人儿
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2021年02月16日 17:37
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为天下唱-

2021年2月16日发(作者:魏泽洋)


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函数的内容及发展历程



班级:高二(


9


)班

< br>


成员:马睿、王雨佳、龙桃、杨丹、曹鹏



指导教师:雍国强



完成时间:


2008


年

8


月


30


日



文章概要:


对函数的基本内容进行概括与分析,

< p>
并对函数的发展史以及对函数发展有杰出贡


献的数学家的功绩进行介绍。< /p>



正文:



历史 表明,


重要数学概念对数学发展的作用是不可估量的,


函数概念 对数学发展的影响,


可以说是贯穿古今、旷日持久、作用非


< /p>


凡,回顾函数概念的历史发展,看一看函数概念不


断被精炼、


深化、丰富的历史过程,


是一件十分有益的事情,

< br>它不仅有助于我们提高对函数


概念来龙去脉认识的清


< /p>


晰度,而且更能帮助我们领悟数学概念对数学发展,数学学习的巨


大作用.



(一)


< br>马克思曾经认为,


函数概念来源于代数学中不定方程的研究.

由于罗马时代的丢番图对


不定方程已有相当研究,所以函数概念至少在那时已经萌芽 .自哥白尼的天文学革命以后,


运动就成了文艺复兴时期科学家共同感兴趣的问题,人们 在思索:既然地球不是宇宙中心,


它本身又有自转和公转,那么下降的物体为什么不发生 偏斜而还要垂直下落到地球上


?


行星


运 行的轨道是椭圆,原理是什么


?


还有,研究在地球表面上抛射物 体的路线、射程和所能达


到的高度,


以及炮弹速度对于高度和射 程的影响等问题,


既是科学家的力图解决的问题,


也

< p>
是军事家要求解决的问题,


函数概念就是从运动的研究中引申出的一个数学 概念,


这是函数


概念的力学来


源.





(二)



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1


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早在函数 概念尚未明确提出以前,


数学家已经接触并研究了不少具体的函数,

比如对数


函数、三角函数、双曲函数等等.


1673


年前后笛卡儿在他的解析几何中,已经注意到了一


个变量对于另一个变 量的依赖关系,


但由于当时尚未意识到需要提炼一般的函数概念,


因此


直到


17


世纪后期牛顿、莱布尼 兹建立微积分的时候,数学家还没有明确函数的一般意义。






167 3


年,莱布尼兹首次使用函数一词表示“幂”,后来他用该词表示曲线上点的横坐


标、纵坐标、切线长等曲线上点的有关几何量.由此可以看出,函数一词最初的数学含义是


相当广泛而较为模糊的,几乎与此同时,牛顿在微积分的讨论中,使用另一名词“流量”来< /p>


表示变量间的关系,直到


1689


年,瑞 士数学家约翰·贝努里才在莱布尼兹函数概念的基础


上,


对函数 概念进行了明确定义,


贝努里把变量


x


和常量按任何方式构成的量叫


“


x


的函 数”


,


表示为


yx

。当时,由于连接变数与常数的运算主要是算术运算、三角运算、指数运算和对


数运 算,


所以后来欧拉就索性把用这些运算连接变数


x


和常数


c


而成的式子,


取名 为解析函


数,还将它分成了“代数函数”与“超越函数”.








18


世纪中叶,由于研究弦振动问题 ,达朗贝尔与欧拉先后引出了“任意的函数”的说


法.在解释“任意的函数”概念的时候 ,达朗贝尔说是指“任意的解析式”,而欧拉则认为


是“任意画出的一条曲线”.现在看 来这都是函数的表达方式,是函数概念的外延.



(三)



函数概念缺乏科学的定义,< /p>


引起了理论与实践的尖锐矛盾.


例如,


偏 微分方程在工程技


术中有广泛应用,但由于没有函数的科学定义,就极大地限制了偏微分 方程理论的建


立.


1833


年至


1834


年,高斯开始把注意力转向物理学.他在和

< br>W


·威伯尔合作发明电报


的过程中,

做了许多关于磁的实验工作,


提出了“力与距离的平方成反比例”这个重要的理


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2


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论,


使得函数作为数学的一个独立分支而出现了,


实际的需要促使人们对 函数的定义进一步


研究.




后来,


人们又给出了这样的定义:


如果一个量依 赖着另一个量,


当后一量变化时前一量


也随着变化,那么第一个 量称为第二个量的函数.“这个定义虽然还没有道出函数的本质,


但却把变化、运动注入 到函数定义中去,是可喜的进步.”




在函数概念发展史上,


法国数学家富里埃的工作影响最大,


富 里埃深刻地揭示了函数的本质,


主张函数不必局限于解析表达式.


1822


年,



他在名著《热的解析 理论》中说,


“通常,函


数表示相接的一组值或纵坐标,


它们中的每一个都是任意的……,


我们不假定这些纵坐标服

< p>
从一个共同的规律;他们以



任何方式一个挨一个 .”在该书中,他用一个三角级数和的形


式表达了一个由不连续的


“线”


所给出的函数.


其中富里埃的研究,

< br>从根本上动摇了旧的关


于函数概念的传统思想,


在当时的 数学界引起了很大的震动.


原来,


在解析式和曲线之间并


不存在不可逾越的鸿沟,


级数把解析式和曲线沟通了,


那种视函数为解析式的观点终于成为


揭示函数关系的巨大障碍.通过一场争论, 产生了罗巴切夫斯基和狄里克莱的函数定义.








1834


年,俄国数学家罗巴切夫斯基提出函数的定义:“


x


的函数是这样的一个数,它


对于每个


x


都有确定的值,并且随着


x

< br>一



起变化.函数值可以由解析式给出,也可以由一


个条件给出,这个条件提供了一种寻求全部对应值的方法.函数的这种依赖关系可以存在,< /p>


但仍然是未知的.”这个



定义建立了变 量与函数之间的对应关系,是对函数概念的一个重


大发展,因为“对应”是函数概念的一 种本质属性与核心部分.








183 7


年,德国数学家狄里克莱(


Dirichlet


)认为怎样去建立


x


与


y< /p>


之间的关系无关紧


要,所以他的定义是:“如果对于


x


的每一值,


y


总有完全确 定的值与之对应,则


y


是


x

< p>
的


函数.”








根据这个定义,即使像如下表述的,它仍然被说成是函数(狄里克莱函数):









f


(


x


)


= 1


(


x


为有理数),
















0


(


x


为无理数).








在这个 函数中,如果


x


由


0

< br>逐渐增大地取值,则


f


(


x


)忽


0


忽


1


.在无论怎样小的区间


里,


f


(


x


)无限止地忽


0


忽


1


.因此,它难用一个或几个式子来加以表示 ,甚至究竟能否找


出表达式也是一个问题.但是不管其能否用表达式表示,在狄里克莱的 定义下,这个


f


(


x

< br>)


仍是一个函数.








狄里克莱的函数定义,


出色地避免了以往函数定义中所有的关于依赖 关系的描述,


以完


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3


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< br>


全清晰的方式为所有数学家无条件地接受.至此,


我们 已可以说,


函数概念、函数的本质定


义已经形成,这就是人们常 说的经典函数定义.


(四)





生产实践和科学实验的进一步发展,又引起函数概念新的尖 锐矛盾,本世纪


20


年代,


人类开始研 究微观物理现象.


1930


年量子力学问世了,在量子力学中需 要



用到一种新的函


数


——δ


-


函数,


< p>
即


ρ


(


x


)


=



0

,


x≠0


,



∞,x=0


.



且



δ


-


函数的出现,


引起了人们的激烈争论.


按< /p>


照函数原来的定义,只允许数与数之间建立对应关系,而没有把


“ ∞”


作为数.另外,对于自


变量只有一个点不为零的

< p>


函数,其积分值却不等于零,这也是不可想象的.然而,


δ


-


函数


确实是实际模型的抽 象.例如,当汽车、火车通过桥梁时,自然对桥梁产生压力.从理论上


讲,车

< p>


辆的轮子和桥面的接触点只有一个,设车辆对轨道、桥面的压力为一单位 ,这时在


接触点


x=0


处的压强是



P


(


0


)


=


压力/接触面


=1


/


0=∞


.



其余点


x≠0


处,因无压力,故无


压强,即


P


(


x< /p>


)


=0.


另外,我们知道压强函数的积分 等于压力,即



函数概念就在这样的历史


条件下能动地向前发展,产生了新的现代函数定义:若对集合


M


的任意元素


x,


总有集合


N


确定的元素


y


与之对应,


则称在集合


M


上定义一


< p>
个函数,


记为


y=f


(< /p>


x


)


.


元素


x


称为自变元,


元素


y


称为因变元.



函数的现代定义与 经典定义从形式上看虽然只相差几个字,但却是概


念上的重大发展,

是数学发展道路上的重大转折,


近代的泛函分析可以作为这种转折的标志,


它



研究的是一般集合上的函数关系.



函 数概念的定义经过二百多年来的锤炼、


变革,


形成


了函数的现代定义,


应该说已经相当完善了.


不过数 学的发展是无止境的,


函数现代定义的


形式并不意味着函数



概念发展的历史终结,近二十年来,数学家们又把函数归结为一种 更


广泛的概念


—“


关系


”


.



设集合


X


、


Y


,我们定义

< p>
X


与


Y


的积集

< p>
X×Y


为



X×Y=


{


(


x,y


)|< /p>


x


∈


X,y


∈< /p>


Y


}


.



积集


X×Y


中的一子集


R


称为


X


与


Y


的一个关系,


若


(

< br>x,y


)


∈


R

< br>,


则称


x


与

y


有关系


R


,

记为


xRy.


若(


x,y


)


R


,则称


x


与


y


无关系.



现设


f


是


X


与


Y


的关系,即


fX× Y


,如果(


x,y


)

< br>,


(


x,z


)∈


f,


必有


y=z


,那么称


f


为


X


到


Y


的函数.在此定义中,已在形式上回避了


“< /p>


对应


”


的术



语,全部使用集合论的语言了.



从以 上函数概念发展的全过程中,


我们体会到,联系实际、


联系大量 数学素材,研究、发掘、拓广数学概念的内涵是何等重要.



那么,现在的函数概念又包括什么呢?



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首先,函数的定义:



设


x


和


y


是两个变量,


D


是实数集的某个子集,若对于


D

< p>
中的每


个值


x


,变量


y


按照一定的法则有一个确定的值


y


与之对应,称变量


y


为变量

< br>x


的函数,记


作


y=f(x).


数集


D


称为函数的定 义域,


由函数对应法则或实际问题的要求来确定。


相应的函数值 的全体


称为函数的值域,对应法则和定义域是函数的两个要素。



数学中的一种对应关系,是从非空集合


A


到实数集


B


的对应。简单地说,甲随着乙变,


甲就是乙的函数



。


精确地说 ,


设


X


是一个非空集合,


Y


是非空数集



,


f


是个对应法则



,



若


对


X


中的每个


x


,按 对应法则


f


,使


Y

中存在唯一的一个元素


y


与之对应



,



就称对应法则

f


是


X


上的一个函数,

< p>
记作


y


=


f


(


x


)


,

< br>称


X


为函数


f

< br>(


x


)


的定义域,


集合


{y|y=f


(


x


)


,


x∈X}


为其 值域(值域是


Y


的子集),


x


叫做



自变量,


y


叫做因变量,习惯上也说


y


是


x


的函数。



若先定义映射 的概念,可以简单定义函数为:定义在非空数集之间的映射称为函数。




其深度


y

与一岸边点


O


到测量点的距离


x


之间的对应关系呈曲线,这代表一个函数,


定义域为[


0


,


b


]。以上< /p>


3


例展示了函数的三种表示法:公式法,表格法和图像法。









一般 地,在一个变化过程中,如果有两个变量


X


与

< br>Y


,并且对于


X


的每一个确定的


值,


Y


都有为一得值与其对应,


那么我们就说


X


是自变量,

< br>Y


是


X


的函数。


如果当


X=A


时


Y=B


,


那么


B


叫做当自变 量的值为


A


时的函数值。



复合函数




有


3


个变量,


y


是


u


的函数,


y

=


ψ


(


u


),


u


是


x


的 函数,


u


=


f


(


x


),往往能形成链:


y

< p>
通过中间变量


u


构成了


x


的函数:



< p>
x→u→y,这要看定义域:设


ψ


的定义域为


U


。


f


的值域 为


U


,当


U*ÍU


时,


称


f


与


ψ



构成一个复合函数



,



例如


y


=


lgsinx


,x∈(


0


,


π


)。此时

< p>
sinx


>


0


,


lgsinx


有意义



。但如若规定


x∈(-


π


,


0


),此时


sinx


<


0


,


lgsinx

< br>无意义



,就成不了复合函


数。




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反函数




就关系而言,


一般是双向的



,


函数也如此



,


设


y


=


f


(


x


)


为已知 的函数,


若对每个


y∈Y,


有唯一的< /p>


x∈X,使


f


(


x


)=


y


,这是一个由


y


找


x


的过程



,即


x


成了


y


的函数



,记为


x


=


f -1


(


y


)。称


f -1


为


f


的反函数。习惯上用< /p>


x


表示自变量



,故这个函数仍记为


y


=


f -1


(


x


)



,例如


y


=


sinx


与


y


=


arcsinx


互为反函数。在同一坐标系中,


y


=


f


(


x


)与


y


=


f


-1


(


x


)的图形关于直线


y


=


x


对称。



隐函数



若能由函数方程


F


(


x


,


y


)=

< br>0


确定


y


为

< br>x


的函数


y


=

< br>f


(


x


),即

< br>F


(


x


,


f


(


x


))≡0,

< br>就称


y


是


x

的隐函数。



思考:隐函数是否为函数?因为在其变化的过程中并不满足“一对一”和“多对一”



多元函数



设点(


x1


,


x2

,…,


xn


)



∈GÍRn,


UÍR1


,若对每一点(


x1


,


x2


,…,


xn


)∈G,由某规则< /p>


f


有唯一的



u ∈U


与之对应:


f


:G→U,


u


=


f


(


x1


,


x2


,…,


xn


),则称


f


为一个


n


元函数,


G


为定义域,


U


为值域。





基本初等函数及其图像幂函数、< /p>


指数函数、对数函数、三角函数、


反三角函数称为基本

< p>
初等函数。①幂函数:






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y


=


x


μ


(

< p>
μ


≠0,


μ


为任意实数) 定义域:


μ


为正整数时为(-∞,+∞),

μ


为负


整数时是


(-∞,


0


)


∪


(


0


,


+∞)


;


μ


=


(


α

< br>为整数


)


,


< br>当


α


是奇数时为


(



-∞,


+∞)


,


当


α


是偶数时为(


0< /p>


,+∞);


μ


=


p


/


q,p,q


互素,作为的复合函数 进行讨论。




幂函数的一般形 式为


y=x^a


。如果


a


取非零的有理数是比较容易理解的,不过初学者对


于


a


取无理数,


则不太容易理解,


在我们 的课程里,


不要求掌握如何理解指数为无理数的问


题,


因为这涉及到实数连续统的极为深刻的知识。


因此我们只要接受它作为一 个已知事实即


可。




对于


a


的取值为非零有理数,有必要分成几种情 况来讨论各自的特性:




首先 我们知道如果


a=p/q


,


q


和


p


都是整数,则


x^ (p/q)=q


次根号(


x


的


p


次方),如


果


q


是奇数,函数的定义域是


R


,如果


q


是偶数,函数的定义域


是


[0,


+∞)。当指数


n


是


负整数时,设


a=-k

,则


x=1/(x^k)


,显然


x ≠0,函数的定义域是(-∞,0)∪(0,+∞).因


此可以看到

x


所受到



的限制来源于两点,一 是有可能作为分母而不能是


0


,一是有可能在

< br>偶数次的根号下而不能为负数,那么我们就可以知道:



排除了为


0


与负数两种可能,即对于


x >0


,则


a


可以是任意实数;



排除了为


0


这种可能 ,即对于


x<0


和


x>0


的所有实数,


q


不能是偶数;



排除了为负数这种可能,即对于


x


为大于且等于


0


的所有实数,


a


就不能是负数。



总结起来,就可以得到当< /p>


a


为不同的数值时,幂函数的定义域的不同情况如下:

< p>


如果


a


为任意实数,则 函数的定义域为大于


0


的所有实数;



如果


a


为负数,则

x


肯定不能为


0


,不过这时函数的 定义域还必须根据


q


的奇偶性来确定,


即如果同时


q


为偶数,则


x

< p>
不能小于


0


,这时函数的定义域为大于

< p>
0


的所有实数;如果同时


q


为奇数,则函数的定义域为不等于


0


的所有实数。



在

x


大于


0


时,函数的值域总是大于


0


的实数。



在


x


小于


0


时 ,则只有同时


q


为奇数,函数的值域为非零的实数。

< p>


而只有


a


为正数,


0


才进入函数的值域。


< br>由于


x


大于


0

< br>是对


a


的任意取值都有意义的,因此下面给出幂函数在第 一象限的各自情况


.


可以看到:


< /p>


(


1


)所有的图形都通过(


1


,


1


)这点。

< p>


(


2


)当


a


大于


0


时,幂函数为单调 递增的,而


a


小于


0

< br>时,幂函数为单调递减函数。



(


3


)当


a


大于


1


时,幂函数图形下凹;当


a


小于< /p>


1


大于


0


时,幂 函数图形上凸。



(


4


)当


a


小于


0


时,


a


越小,图形倾斜程度越大。


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(


5


)


a


大于


0


,函数过(


0


,


0


);


a


小于


0


,函数不过(


0


,


0


)点。



(


6


)显然幂函数无界。



②指数函数:



y


=


ax


(


a


>


0


,a≠1),定义成为(



-∞,+∞),值域为(


0


,+∞) ,


a


>


0


时


是严格单调增加的函数(



即当


x2


>


x1


时,)



,


0


<


a


<


1


时是严格单减函数。对任何


a


,


图像均过点(


0


,


1


),注意


y


=


ax


和


y


=()


x


的图形关于


y


轴对称。


③对数函数:




y


=


logax


(


a


>


0


),

< p>


称


a


为底


< /p>


,定义域为(


0


,


+∞),值域为(-∞,


sin


θ


= y/r


+∞)。


a


>


1


时是严格


单调增加的,


0< /p>


<


a


<


1


时


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是严格单减的。


不论


a


为< /p>


何值,


对数函数的图形均


过点(


1


,


0


),对数函数< /p>


与指数函数互为反函数。


特别的,以


10


为底的对


数称为常用对数



,简记


为


lgx

。在科学技术中


普遍使用的是以


e


为底


的对数,


即自然对数,


记


作


lnx


。



④三角函数:见表。



正弦函数



余弦函数



正切函数



余切函数



正割函数



余割函数



正弦函数、余弦函数如图< /p>


cos


θ


=x/r


tan


θ


=y/x


cot


θ


=x/y


sec


θ


=r/x


csc


θ


=r/y




⑤反三角函数:见表。




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y=arcsin(x)


y=arccos(x)


y=arctan(x)


定义域


[-1,1]


定义域


[-1,1]


定义域


(-


∞


,+


∞


)


值域


[-


π


/2,


π


/2]


值 域


[0,


π


]


值域


(-


π


/2,

< br>π


/2)


图象用红色线条



图象用兰色线条



图象用绿色线条



双曲正、余弦如图。






双曲正弦函数



双曲余弦函数



⑥双曲函数:双曲正弦 (


ex


-


e-x


),双曲余弦


(


ex


+


e-x


),双曲正切(


ex


-


e-x


)/(


ex

< br>+


e-x


)



,双曲余切(


ex


+


e-x


)/(


ex


-


e-x


)。



补充



在数学领域,

< br>函数是一种关系,


这种关系使一个集合里的每一个元素对应到另一个


(可能相


同的)集合里的唯一元素(这只是一元函数


f


(


x


)=


y


的情况,请按英文原文把普遍定义给


出,谢谢)。函数的概念对 于数学和数量学的每一个分支来说都是最基础的。



术语函数,


映射,对应,变换通常都是同一个意思。



二次函数



一般地,自变量

< p>
x


和因变量


y


之间存在如 下关系:



y=ax^2+bx+c


(


a


,


b


,< /p>


c


为常数,a≠0,且


a


决定函数的开口方向,


a>0


时,开口方向向上,


a<0


时,开


口方向向下。


IaI


还可以决定开口大小


,IaI

< br>越大开口就越小


,IaI


越小开口就越大。)

< p>


则称


y


为


x


的二次函数。



二次函数表达式的右边通常为二次三项式。


< br>x


是自变量,


y


是


x


的函数



二次函数的三种表达式



一般式:


y=ax^2+bx+c


(


a


,


b


,


c

< br>为常数,a≠0)



欢迎广大教师踊跃来稿,稿酬丰厚。




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为天下唱-


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