Математика Функция

Фу́нкцией называется соответствие между двумя множествами, при котором каждому элементу одного множества соответствует единственный элемент другого множества.

Математика Функция
График функции
.

Математическое понятие функции выражает интуитивное представление о том, как одна величина полностью определяет значение другой величины. Так, значение переменной однозначно определяет значение выражения , также значение месяца однозначно определяет значение следующего за ним месяца.

Аналогично, заранее заданный алгоритм по значению входного данного выдаёт значение выходного данного.

Часто под термином «функция» понимается числовая функция, то есть функция, в которых значения аргумента и значения функций представляют собой числа. Эти функции удобно представлять в виде графиков.

История

Термин «функция» (в некотором более узком смысле) был впервые использован в рукописях Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1673 год). В свою очередь, Иоганн Бернулли в письме к Лейбницу придал этому термину смысл, более близкий к современному.

Первоначально понятие функции было неотличимо от понятия аналитического представления. Впоследствии появилось определение функции, данное Эйлером (1751 год), затем — у Лакруа (1806 год), — уже практически в современном виде. Наконец, общее определение функции (в современной форме, но только для числовых функций) было дано Лобачевским (1834 год) и Дирихле (1837 год).

К концу XIX века понятие функции переросло рамки числовых систем. Сначала понятие функции было распространено на векторные функции, вскоре Фреге ввёл логические функции (1879), а после появления теории множеств Дедекинд (1887) и Пеано (1911) сформулировали современное универсальное определение.

Неформальное определение

Математика Функция 
Функция, сопоставляющая каждой из четырёх фигур её цвет.

Функцией Математика Функция , определённой на множестве Математика Функция  со значениями в множестве Математика Функция , называют «правило» такое, что каждому элементу Математика Функция  из Математика Функция  соответствует элемент Математика Функция , лежащий в Математика Функция  и притом только один.

Принятые обозначения: Математика Функция , Математика Функция , сокращённо пишут Математика Функция  или же просто Математика Функция .

Буква Математика Функция  (или Математика Функция , Математика Функция  и т. д.), употребляемая в этих записях, называется характеристикой функции. Характеристика не обозначает какой-либо величины. Запись Математика Функция  представляет любую функциональную зависимость. Иногда характеристика может обозначаться несколькими буквами типа Математика Функция , Математика Функция , Математика Функция , являясь сокращением латинского слова. Необходимость введения этих обозначений объясняется тем, что такая характеристика представляет вполне определённые (важные для математики) функциональные зависимости.

Графиком Математика Функция  называют Математика Функция , где Математика Функция прямое произведение.

Вообще говоря, понятия функции и её графика эквивалентны, а поскольку последнее определено математически более строго, формальным (с точки зрения теории множеств) определением функции является её график.

Для функции Математика Функция :

  • множество Математика Функция  называется о́бластью задания или областью определения функции, обозначается Математика Функция  или Математика Функция ;
  • каждый элемент Математика Функция  множества Математика Функция  называется независимой переменной или аргументом функции;
  • элемент Математика Функция , соответствующий фиксированному элементу Математика Функция , называется частным значением функции в точке Математика Функция .
  • множество всех частных значений Математика Функция , называется о́бластью значе́ний функции, обозначается Математика Функция  или Математика Функция ;
  • множество Математика Функция , содержащее все значения (но не обязательно ограничивающееся ими), называется областью прибытия функции, обозначается Математика Функция 

Замечания:

  • Функцию Математика Функция , для которой Математика Функция , называют отображением заданного множества в себя или преобразованием, в частности, если Математика Функция , то говорят о тождественном преобразовании, часто обозначаемом Математика Функция .
  • Если используется термин оператор, то говорят, что оператор Математика Функция  действует из множества Математика Функция  в множество Математика Функция  и добавляют запись Математика Функция .
  • Если хотят подчеркнуть, что правило соответствия считается известным, то говорят, что на множестве Математика Функция  задана функция Математика Функция , принимающая значения из Математика Функция . Если функция Математика Функция  должна находиться в результате решения какого-нибудь уравнения, то говорят, что Математика Функция  — неизвестная или неявно заданная функция. При этом функция всё равно считается заданной, хотя и косвенно.
  • Поскольку равенство функций (в любом её определении) включает в себя не только совпадение правил соответствия между элементами множеств, но и совпадение областей задания, то функции Математика Функция  и Математика Функция , где Математика Функция  — множество вещественных чисел, а Математика Функция  — множество положительных вещественных чисел, являются разными функциями.
  • Также существует и операторное обозначение функции Математика Функция , которое можно встретить в общей алгебре.
  • В лямбда-исчислении Чёрча для функции используется обозначение Математика Функция .

Функции нескольких аргументов:

Математика Функция 
График функции двух переменных Математика Функция 

Вообще говоря, функция может быть задана на линейном пространстве, в таком случае имеют дело с функцией нескольких аргументов.

Если множество Математика Функция  представляет собой декартово произведение множеств Математика Функция , тогда отображение Математика Функция  (где Математика Функция  — множество вещественных чисел), оказывается Математика Функция -местным отображением; при этом элементы упорядоченного набора Математика Функция  называются аргументами (данной Математика Функция -местной функции), каждый из которых пробегает своё множество:

    Математика Функция  где Математика Функция .

В этом случае запись Математика Функция  означает, что Математика Функция .

Способы задания функции

Аналитический способ

Функцию можно задать с помощью аналитического выражения (например, формулой). В этом случае её обозначают как соответствие в форме равенства.

Примеры:

Функция, заданная одной формулой:

Математика Функция 

Кусочно-заданная функция:

Математика Функция 

Неявно заданная функция:

Математика Функция 

Графический способ

Математика Функция 
График Математика Функция 

Функцию можно также задать с помощью графика. Пусть Математика Функция  — вещественная функция Математика Функция  переменных. Тогда её графиком является множество точек в Математика Функция -мерном пространстве:Математика Функция . Это множество точек часто является гиперповерхностью. В частности, при Математика Функция  график функции в некоторых случаях может быть изображён кривой в двумерном пространстве.

Для функций трёх и более аргументов такое графическое представление не применимо. Однако и для таких функций можно придумать наглядное полугеометрическое представление (например, каждому значению четвёртой координаты точки сопоставить некоторый цвет на графике, как бывает на графиках комплексных функций).

Перечисление значений

Функцию на конечном множестве можно задать таблицей значений — непосредственным указанием её значений для каждого из элементов области определения. Такой способ применяется, например, для задания булевых функций. Фактически этот способ также является заданием графика функции, если график функции Математика Функция  рассматривать как множество упорядоченных пар вида Математика Функция .

Общие свойства

Композиция отображений

Пусть заданы два отображения таких, что множество значений первого является подмножеством области задания второго. Тогда последовательное действие первого и второго отображений на всякий аргумент первого отображения однозначно сопоставляет элемент из области значений второго отображения:

Математика Функция 

В таком случае, Математика Функция  называется композицией отображений Математика Функция  и Математика Функция , оно обозначается выражением Математика Функция , которое читается «Математика Функция  после Математика Функция ». Вообще говоря, композиция некоммутативна: Математика Функция  или Математика Функция 

Инъекция

Функция Математика Функция  называется инъективной (или просто инъекцией), если любым двум различным элементам Математика Функция  из множества Математика Функция  сопоставляются так же различные (неравные) элементы из множества Математика Функция . Более формально, функция Математика Функция  инъективна, если из Математика Функция . Иначе говоря, Математика Функция  инъективна, если Математика Функция .

Сюръекция

Функция Математика Функция  называется сюръективной (или просто сюръекцией), если каждому элементу множества Математика Функция  может быть сопоставлен хотя бы один элемент множества Математика Функция . То есть функция Математика Функция  сюръективна, если Математика Функция .

Такое отображение называется ещё отображением множества Математика Функция  на множество Математика Функция . Если условие сюръективности нарушается, то такое отображение называют отображением множества Математика Функция  в множество Математика Функция .

Биекция

Функция, одновременно сюръективная и инъективная, называется биективной или взаимно однозначной (коротко биекцией).

Обратная функция

Если функция Математика Функция  является биекцией, то существует Математика Функция , для которой Математика Функция .

Функция Математика Функция  в таком случае называется обратной по отношению к Математика Функция ; кроме того, Математика Функция  также биективна.

Пояснение:

Так как Математика Функция  инъекция, то Математика Функция  вообще говоря функция, из сюръекции Математика Функция  следует в свою очередь, что Математика Функция  задана на Математика Функция . Функция Математика Функция  инъективна, поскольку Математика Функция  функция, сюръективность же её следует из её определения.


В общем случае, отображение, у которого существует обратное, называется обратимым. Свойство обратимости заключается в одновременном выполнении двух условий: Математика Функция  и Математика Функция .

Сужение и продолжение функции

Пусть дано отображение Математика Функция  и множество Математика Функция  являющееся строгим подмножеством множества Математика Функция 

Отображение Математика Функция , которое принимает на Математика Функция  те же значения, что и функция Математика Функция , называется суже́нием (или иначе ограничением) функции Математика Функция  на множество Математика Функция .

Сужение функции Математика Функция  на множество Математика Функция  обозначается как Математика Функция .

При этом исходная функция Математика Функция  напротив, называется продолжением функции Математика Функция  на множество Математика Функция .

Образ и прообраз

Образ и прообраз (при отображении), значение в точке

Элемент Математика Функция , который сопоставлен элементу Математика Функция , называется образом элемента (точки) Математика Функция  (при отображении Математика Функция ) или значением отображения Математика Функция  в точке Математика Функция .

Если взять целиком подмножество Математика Функция  области задания функции Математика Функция , то совокупность образов всех элементов этого множества, то есть подмножество области значений (функции Математика Функция ) вида

    Математика Функция ,

называется образом множества Математика Функция  при отображении Математика Функция . Это множество иногда обозначается как Математика Функция  или Математика Функция .

Образ всей области определения функции называется образом функции или, если функция является сюръекцией, вообще называется областью значений функции.

И, наоборот, взяв некоторое подмножество Математика Функция  в области значений функции Математика Функция , можно рассмотреть совокупность всех элементов области задания функции Математика Функция , чьи образы попадают в множество Математика Функция , то есть множество вида

    Математика Функция ,

которое называется (полным) прообразом множества Математика Функция  (при отображении Математика Функция ).

В частности, когда множество Математика Функция  состоит из одного элемента — допустим, Математика Функция , — то множество Математика Функция  имеет более простое обозначение Математика Функция [источник не указан 1072 дня].

Свойства образов и прообразов

Свойства образов

Пусть Математика Функция  и Математика Функция  — подмножества области задания функции Математика Функция . Тогда образы множеств Математика Функция  и Математика Функция  при отображении Математика Функция  обладают следующими свойствами:

  • Математика Функция ;
  • Математика Функция ;
  • Математика Функция .
  • образ объединения множеств равен объединению образов: Математика Функция 
  • образ пересечения множеств является подмножеством пересечения образов: Математика Функция .

Последние два свойства допускают обобщение на любое количество множеств.

Если отображение обратимо (см. выше), то прообраз каждой точки области значений одноточечный, поэтому для обратимых отображений выполняется следующее усиленное свойство для пересечений:

  • образ пересечения равен пересечению образов: Математика Функция .

Свойства прообразов

Пусть Математика Функция  и Математика Функция  — подмножества множества Математика Функция . Тогда прообразы множеств Математика Функция  и Математика Функция  при отображении Математика Функция  обладает следующими двумя очевидными свойствами:

  • прообраз объединения равен объединению прообразов: Математика Функция ;
  • прообраз пересечения равен пересечению прообразов: Математика Функция .

Данные свойства допускают обобщение на любое количество множеств.

Поведение

Возрастание и убывание

Пусть дана функция Математика Функция  Тогда

  • функция Математика Функция  называется неубывающей на Математика Функция , если
      Математика Функция 
  • функция Математика Функция  называется невозраста́ющей на Математика Функция , если
      Математика Функция 
  • функция Математика Функция  называется возраста́ющей на Математика Функция , если
      Математика Функция 
  • функция Математика Функция  называется убыва́ющей на Математика Функция , если
      Математика Функция 

Невозрастающие и неубывающие функции называются (нестрого) монотонными, а возрастающие и убывающие функции — строго монотонными. Для произвольной функции можно найти промежутки монотонности — подмножества области определения, на которых функция так или иначе (строгость выбирается в большинстве случаев договорно) монотонна.

Периодичность

Функция Математика Функция  называется периодической с пери́одом Математика Функция , если выполняется равенство

    Математика Функция .

Поскольку периодическая с периодом Математика Функция  функция также периодична с периодами вида Математика Функция , то Математика Функция  вообще говоря, наименьший период функции.

Если это равенство не выполнено ни для какого Математика Функция , то функция Математика Функция  называется апериоди́ческой.

Чётность

  • Функция Математика Функция  называется нечётной, если справедливо равенство
    Математика Функция 
    График нечётной функции симметричен относительно начала координат.
  • Функция Математика Функция  называется чётной, если справедливо равенство
    Математика Функция 
    График чётной функции симметричен относительно оси ординат.

Экстремумы функции

Пусть задана функция Математика Функция  и точка Математика Функция  — внутренняя точка области задания Математика Функция  Тогда

  • Математика Функция  называется точкой локального максимума, если существует окрестность Математика Функция  точки Математика Функция  такая, что
      Математика Функция 
  • Математика Функция  называется точкой локального минимума, если существует окрестность Математика Функция  точки Математика Функция  такая, что
      Математика Функция 

Функции в теории множеств

В зависимости от того, какова природа области задания и области значений, различают следующие случаи областей:

  1. абстрактные множества — множества без какой-либо дополнительной структуры;
  2. множества, которые наделены некоторой структурой.

В случае 1 рассматриваются отображения в самом общем виде и решаются наиболее общие вопросы — например, о сравнении множеств по мощности: если между двумя множествами существует взаимно однозначное отображение (биекция), то эти множества называют эквивалентными или равномощными. Это позволяет провести классификацию множеств по их мощностям, причём наименьшие из них в порядке увеличения таковы:

Таким образом получаются следующие виды отображений — по мощности области определения:

  • конечные функции — отображения конечных множеств;
  • последовательности — отображение счётного множества в произвольное множество;
  • континуальные функции — отображения несчётных множеств в конечные, счётные или несчётные множества.

В случае 2 основным объектом рассмотрения является заданная на множестве структура (где элементы множества наделены каким-то дополнительными свойствами, которые связывают эти элементы, — например, в группах, кольцах, линейных пространствах) и то, что происходит с этой структурой при отображении: если при взаимно однозначном отображении сохраняются свойства заданной структуры, то говорят, что между двумя структурами установлен изоморфизм. Таким образом, изоморфные структуры, заданные в различных множествах, вообще говоря, невозможно различить, поэтому в математике принято говорить, что данная структура рассматривается «с точностью до изоморфизма».

Существует большое разнообразие структур, которые могут быть заданы на множествах. Сюда относится:

Функции с каким-либо конкретным свойством могут не существовать на тех множествах, которые не обладают соответствующей структурой. Например, чтобы сформулировать такое свойство, как непрерывность функции, заданной на множестве, на этом множестве нужно задать топологическую структуру.

Вариации и обобщения

Частично определённые функции

Частично определённой функцией Математика Функция  из множества Математика Функция  в множество Математика Функция  называется функция Математика Функция  с областью задания Математика Функция .

Некоторые авторы могут под само́й функцией подразумевать лишь её сужение — такое, чтобы на «суженной» области определения функция была определена целиком. Это имеет свои преимущества: например, возможна запись Математика Функция , где Математика Функция  — в этом случае имеется в виду Математика Функция .

Многозначные функции

Заданному значению аргумента должно соответствовать ровно одно значение функции, что связано с самим определением функции. Но, несмотря на это, нередко можно встретить так называемые многозначные функции. В действительности это не более чем удобное обозначение функции, область значений которой сама является семейством множеств.

Пусть Математика Функция , где Математика Функция  — семейство подмножеств множества Математика Функция . Тогда Математика Функция  будет множеством для всякого Математика Функция .

Функция однозначна, если каждому значению аргумента соответствует единственное значение функции. Функция многозначна, если хотя бы одному значению аргумента соответствует два или более значений функции.

См. также

Примечания

Литература

Tags:

Математика Функция ИсторияМатематика Функция Неформальное определениеМатематика Функция Способы задания функцииМатематика Функция Общие свойстваМатематика Функция Образ и прообразМатематика Функция ПоведениеМатематика Функция Функции в теории множествМатематика Функция Вариации и обобщенияМатематика Функция См. такжеМатематика Функция ПримечанияМатематика Функция ЛитератураМатематика ФункцияМножество

🔥 Trending searches on Wiki Русский:

TwitchСписок городов РоссииБолезнь БехтереваОтчаянные домохозяйкиНорвегияКиевQiwiГитлер, АдольфЭлектронный дневник и журналАлександр МакедонскийАбьюзивные отношенияЖуравлёв, Алексей АлександровичЗадача трёх тел (роман)Чернобыльская АЭСКанадаФедеральная служба безопасностиВедьмак (серия романов)Титаник (фильм, 1997)Поколение ZГазлайтингБуккакэВторжение России на Украину (с 2022)ГерманияМанчестер СитиЕкатерина IGmailСамараБелоруссияYouTube MusicНеонацизмЕзидыНью-Йорк, я люблю тебяОрден ЛенинаТеррористические акты 11 сентября 2001 годаАфганистанGoogle (компания)Магическая битваВулканДостоевский, Фёдор МихайловичСписок городов России с населением более 100 тысяч жителейДжарвис, КосмоЧерногорияКинопоискПрилучный, Павел ВалерьевичНижний НовгородДелон, АленЯндекс МузыкаРазмер полового члена человекаСоюз Советских Социалистических РеспубликCOVID-19Куликовская битваМесто встречи изменить нельзяМакрон, ЭмманюэльВКонтактеЛенин, Владимир ИльичШеф (телесериал)ИсламОтечественная война 1812 годаЯндекс ПэйСбербанк ОнлайнПожар в торговом центре «Зимняя вишня»Зайцев, Геннадий Николаевич (Герой Советского Союза)Бродский, Иосиф АлександровичХартия’97КуколдЧан, ДжекиМакгрегор, КонорДефо, ДаниельРаспутин, Григорий ЕфимовичФишер (сериал)Валдай (автомобиль)Великолепный векМарк ТвенГорбачёв, Михаил СергеевичПасхаСёгунМориц, Юнна Петровна🡆 More