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函数的值域

值域的基本概念

函数的值域

值域(Range) 是指函数所有可能的函数值组成的集合,通常用 R(f)R(f)RR 表示。

对于函数 y=f(x)y = f(x),值域就是所有可能的 yy 值的集合。

求函数值域的方法

1. 直接法(观察法)

对于简单的函数,可以通过观察函数的性质直接得出值域。

例1:求函数 f(x)=x2f(x) = x^2xRx \in \mathbb{R})的值域。

:因为 x20x^2 \geq 0 对所有实数 xx 成立,且当 xx 取遍所有实数时,x2x^2 可以取到所有非负实数。

因此,值域为 [0,+)[0, +\infty)

2. 配方法

对于二次函数,通过配方可以找到函数的最值,从而确定值域。

例2:求函数 f(x)=x24x+5f(x) = x^2 - 4x + 5xRx \in \mathbb{R})的值域。

:将函数配方: f(x)=x24x+5=(x2)2+1f(x) = x^2 - 4x + 5 = (x-2)^2 + 1

因为 (x2)20(x-2)^2 \geq 0,所以 f(x)=(x2)2+11f(x) = (x-2)^2 + 1 \geq 1

x=2x = 2 时,f(x)f(x) 取得最小值 1。

因此,值域为 [1,+)[1, +\infty)

3. 换元法(反函数法)

通过设 y=f(x)y = f(x),解出 x=g(y)x = g(y),然后根据 xx 的定义域确定 yy 的范围。

例3:求函数 f(x)=x+1x2f(x) = \frac{x+1}{x-2}x2x \neq 2)的值域。

:设 y=x+1x2y = \frac{x+1}{x-2},解关于 xx 的方程:

y(x2)=x+1y(x-2) = x+1 yx2y=x+1yx - 2y = x + 1 yxx=2y+1yx - x = 2y + 1 x(y1)=2y+1x(y-1) = 2y + 1

y1y \neq 1 时,x=2y+1y1x = \frac{2y+1}{y-1}

由于原函数的定义域要求 x2x \neq 2,所以: 2y+1y12\frac{2y+1}{y-1} \neq 2 2y+12(y1)2y + 1 \neq 2(y-1) 2y+12y22y + 1 \neq 2y - 2 121 \neq -2

这个不等式恒成立,所以 yy 可以取除 1 以外的所有实数。

因此,值域为 (,1)(1,+)(-\infty, 1) \cup (1, +\infty)

4. 单调性法

利用函数的单调性确定函数在给定区间上的最值,从而求出值域。

例4:求函数 f(x)=2x1f(x) = 2x - 1x[1,3]x \in [1, 3])的值域。

:函数 f(x)=2x1f(x) = 2x - 1 是递增函数。

在区间 [1,3][1, 3] 上:

  • x=1x = 1 时,f(1)=2×11=1f(1) = 2 \times 1 - 1 = 1
  • x=3x = 3 时,f(3)=2×31=5f(3) = 2 \times 3 - 1 = 5

因此,值域为 [1,5][1, 5]

5. 图像法

通过观察函数图像确定函数值的范围。

例5:求函数 f(x)=4x2f(x) = \sqrt{4-x^2} 的值域。

:首先确定定义域:4x204 - x^2 \geq 0,即 x24x^2 \leq 4,所以 x[2,2]x \in [-2, 2]

因为 04x240 \leq 4 - x^2 \leq 4(当 x[2,2]x \in [-2, 2] 时),所以: 04x220 \leq \sqrt{4-x^2} \leq 2

  • x=±2x = \pm 2 时,f(x)=0f(x) = 0
  • x=0x = 0 时,f(x)=2f(x) = 2

因此,值域为 [0,2][0, 2]

常见函数的值域

函数类型一般形式值域
一次函数f(x)=ax+bf(x) = ax + ba0a \neq 0R\mathbb{R}
二次函数f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + ca>0a > 0[4acb24a,+)[\frac{4ac-b^2}{4a}, +\infty)
二次函数f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + ca<0a < 0(,4acb24a](-\infty, \frac{4ac-b^2}{4a}]
反比例函数f(x)=kxf(x) = \frac{k}{x}k0k \neq 0(,0)(0,+)(-\infty, 0) \cup (0, +\infty)
指数函数f(x)=axf(x) = a^xa>1a > 1(0,+)(0, +\infty)
对数函数f(x)=logaxf(x) = \log_a xa>1a > 1R\mathbb{R}

练习题

练习 1

某商品的销售量 QQ(件)与价格 PP(元)之间存在函数关系 Q=20010PQ = 200 - 10P,其中价格 PP 的取值范围是 [5,15][5, 15] 元。

  1. 求该函数的定义域和值域
  2. 当价格为 8 元时,销售量是多少?
  3. 若要使销售量不少于 100 件,价格应控制在什么范围内?
参考答案 (2 个标签)
函数值域 应用题

解题思路: 这是一道应用题,需要结合实际意义理解函数的定义域和值域,并进行相关计算。

详细步骤

  1. 定义域和值域:

    • 定义域已给出:P[5,15]P \in [5, 15]
    • P=5P = 5 时,Q=20010×5=150Q = 200 - 10 \times 5 = 150
    • P=15P = 15 时,Q=20010×15=50Q = 200 - 10 \times 15 = 50
    • 因为函数 Q=20010PQ = 200 - 10P 在定义域上单调递减,所以值域为 [50,150][50, 150]
  2. 当价格为 8 元时的销售量: Q=20010×8=20080=120Q = 200 - 10 \times 8 = 200 - 80 = 120(件)

  3. 销售量不少于 100 件的价格范围: 需要求解不等式:20010P100200 - 10P \geq 100 20010010P200 - 100 \geq 10P 10010P100 \geq 10P P10P \leq 10

    结合原定义域 [5,15][5, 15],得到价格应控制在 [5,10][5, 10] 元范围内。

答案

  1. 定义域:[5,15][5, 15],值域:[50,150][50, 150]
  2. 当价格为 8 元时,销售量是 120 件
  3. 价格应控制在 [5,10][5, 10] 元范围内

练习 2

用配方法求函数 f(x)=x2+4x1f(x) = -x^2 + 4x - 1 的值域。

参考答案 (3 个标签)
函数值域 配方法 二次函数

解题思路: 对二次函数进行配方,找到顶点,确定最值,从而求出值域。

详细步骤

将函数配方: f(x)=x2+4x1f(x) = -x^2 + 4x - 1 =(x24x)1= -(x^2 - 4x) - 1 =(x24x+44)1= -(x^2 - 4x + 4 - 4) - 1 =(x2)2+41= -(x - 2)^2 + 4 - 1 =(x2)2+3= -(x - 2)^2 + 3

分析:

  • 因为 (x2)20(x - 2)^2 \geq 0,所以 (x2)20-(x - 2)^2 \leq 0
  • 因此 f(x)=(x2)2+33f(x) = -(x - 2)^2 + 3 \leq 3
  • x=2x = 2 时,f(x)f(x) 取得最大值 3
  • xx 趋向于 ±\pm\infty 时,f(x)f(x) 趋向于 -\infty

答案:值域为 (,3](-\infty, 3]

练习 3

用换元法求函数 f(x)=2x1x+3f(x) = \frac{2x - 1}{x + 3}x3x \neq -3)的值域。

参考答案 (2 个标签)
函数值域 换元法

解题思路: 设 y=f(x)y = f(x),解出 xx 关于 yy 的表达式,然后根据 xx 的定义域确定 yy 的范围。

详细步骤

y=2x1x+3y = \frac{2x - 1}{x + 3},解关于 xx 的方程:

y(x+3)=2x1y(x + 3) = 2x - 1 yx+3y=2x1yx + 3y = 2x - 1 yx2x=13yyx - 2x = -1 - 3y x(y2)=13yx(y - 2) = -1 - 3y

y2y \neq 2 时: x=13yy2=1+3y2yx = \frac{-1 - 3y}{y - 2} = \frac{1 + 3y}{2 - y}

由于原函数的定义域要求 x3x \neq -3,所以: 1+3y2y3\frac{1 + 3y}{2 - y} \neq -3

解这个不等式:

1+3y3(2y)1 + 3y \neq -3(2 - y)

1+3y6+3y1 + 3y \neq -6 + 3y

161 \neq -6

这个不等式恒成立,所以 yy 可以取除 2 以外的所有实数。

验证 y=2y = 2 是否可能: 当 y=2y = 2 时,原方程变为 x(22)=13×2x(2 - 2) = -1 - 3 \times 2,即 0=70 = -7,无解。

答案:值域为 (,2)(2,+)(-\infty, 2) \cup (2, +\infty)

练习 4

已知函数的图像如下表所示,请写出该函数的解析式,并求其定义域和值域。

xx-2-1012
yy41014
参考答案 (3 个标签)
函数值域 表格法 函数解析式

解题思路: 观察表格中 xxyy 的对应关系,寻找规律,确定函数的解析式。

详细步骤

观察数据规律:

  • x=0x = 0 时,y=0y = 0
  • x=±1x = \pm 1 时,y=1y = 1
  • x=±2x = \pm 2 时,y=4y = 4

发现 y=x2y = x^2,验证:

  • (2)2=4(-2)^2 = 4
  • (1)2=1(-1)^2 = 1
  • 02=00^2 = 0
  • 12=11^2 = 1
  • 22=42^2 = 4

根据表格数据:

  • 定义域:{2,1,0,1,2}\{-2, -1, 0, 1, 2\}
  • 值域:{0,1,4}\{0, 1, 4\}

答案

  • 解析式:f(x)=x2f(x) = x^2
  • 定义域:{2,1,0,1,2}\{-2, -1, 0, 1, 2\}
  • 值域:{0,1,4}\{0, 1, 4\}

总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
R(f)R(f)数学符号R of f函数 ff 的值域
RR数学符号R函数的值域
y=f(x)y = f(x)数学公式y equals f of x函数的一般表示形式
R\mathbb{R}数学符号double-struck R(Real numbers)表示实数集
[0,+)[0, +\infty)数学符号closed interval from 0 to positive infinity从0到正无穷的闭区间
(,+)(-\infty, +\infty)数学符号infinite interval表示所有实数的区间记号
(,1)(1,+)(-\infty, 1) \cup (1, +\infty)数学符号union of intervals两个区间的并集
(,2)(2,+)(-\infty, 2) \cup (2, +\infty)数学符号union of intervals两个区间的并集
[1,+)[1, +\infty)数学符号closed interval from 1 to positive infinity从1到正无穷的闭区间
[1,5][1, 5]数学符号closed interval包含端点的区间记号
[0,2][0, 2]数学符号closed interval包含端点的区间记号
(,3](-\infty, 3]数学符号half-open infinite interval左无穷右闭区间
{xx1,x3}\{x \mid x \geq 1, x \neq 3\}数学符号set notation集合表示法

中英对照

中文术语英文术语音标说明
值域range/reɪndʒ/函数值的取值范围
配方法completing the square/kəmˈpliːtɪŋ ðə skweə/通过配方求二次函数值域的方法
换元法substitution method/ˌsʌbstɪˈtjuːʃən ˈmeθəd/通过变量替换求函数值域的方法
单调性monotonicity/ˌmɒnəʉtəˈnɪsɪti/函数在某区间内保持递增或递减的性质
反函数法inverse function method/ɪnˈvɜːs ˈfʌŋkʃən ˈmeθəd/通过求反函数来确定值域的方法

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