初等函数的定义与分类

初等函数的定义

初等函数的定义
初等函数是由基本初等函数通过有限次四则运算和复合运算得到的函数。初等函数是由基本初等函数通过有限次四则运算和复合运算得到的函数。

分类

  1. 代数函数:只包含代数运算(加、减、乘、除、开方)的函数
  2. 超越函数:包含超越运算(指数、对数、三角函数)的函数

代数函数例子

  • 多项式函数 f(x)=x3−2x+1f(x) = x^3 - 2x + 1
  • 有理函数 f(x)=x2+1x−1f(x) = \frac{x^2 + 1}{x - 1}
  • 无理函数 f(x)=x2+1f(x) = \sqrt{x^2 + 1}

超越函数例子

  • 指数函数 f(x)=exf(x) = e^x
  • 对数函数 f(x)=ln⁡xf(x) = \ln x
  • 三角函数 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x
  • 复合函数 f(x)=esin⁡xf(x) = e^{\sin x}

练习题

练习 1

判断下列函数哪些是初等函数:y=x2y = x^2,y=sin⁡xy = \sin x,y=ln⁡xy = \ln x,y=Γ(x)y = \Gamma(x)。

初等函数分类

解题思路:

先明确初等函数的判定标准——由基本初等函数经有限次四则运算和复合运算得到;再把四个函数逐一对照标准归类。

详细步骤:

  1. 判定标准:幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数等基本初等函数,经有限次四则运算和复合运算得到的函数称为初等函数。
  2. y=x2y = x^2 是幂函数、y=sin⁡xy = \sin x 是三角函数、y=ln⁡xy = \ln x 是对数函数,三者本身就是基本初等函数,因此都是初等函数。
  3. y=Γ(x)y = \Gamma(x) 是伽马函数,属于特殊函数,无法由基本初等函数经有限次四则运算和复合运算得到,因此不是初等函数。

最终答案:

y=x2y = x^2、y=sin⁡xy = \sin x、y=ln⁡xy = \ln x 是初等函数,y=Γ(x)y = \Gamma(x) 不是(伽马函数为特殊函数)。

练习 2

下列函数中哪些属于代数函数:y=xy = \sqrt{x},y=exy = e^x,y=x2+1x−1y = \frac{x^2+1}{x-1},y=sin⁡xy = \sin x。

代数函数

解题思路:

代数函数的判定标准是表达式中只出现加、减、乘、除和开方等代数运算,不含指数、对数、三角等超越运算;据此逐个归类。

详细步骤:

  1. 代数函数只允许代数运算(加、减、乘、除、开方)出现,一旦出现超越运算即不属于代数函数。
  2. y=xy = \sqrt{x} 只含开方运算,y=x2+1x−1y = \frac{x^2 + 1}{x - 1} 只含四则运算,两者都是代数函数。
  3. y=exy = e^x 含指数运算、y=sin⁡xy = \sin x 含三角运算,都属于超越函数而不是代数函数。

最终答案:

y=xy = \sqrt{x}、y=x2+1x−1y = \frac{x^2 + 1}{x - 1} 是代数函数,y=exy = e^x、y=sin⁡xy = \sin x 不是。

练习 3

下列函数中哪些属于超越函数:y=x3y = x^3,y=ln⁡xy = \ln x,y=sin⁡xy = \sin x,y=xy = \sqrt{x}。

超越函数

解题思路:

超越函数的判定标准是表达式中出现指数、对数、三角等超越运算;把四个函数按是否含超越运算逐个对照。

详细步骤:

  1. 超越函数必须含有指数、对数、三角函数等超越运算,它与代数函数构成初等函数的二分。
  2. y=ln⁡xy = \ln x 含对数运算、y=sin⁡xy = \sin x 含三角运算,二者都是超越函数。
  3. y=x3y = x^3 只含乘方与加减、y=xy = \sqrt{x} 只含开方,都属于代数函数,因此不是超越函数。

最终答案:

y=ln⁡xy = \ln x、y=sin⁡xy = \sin x 是超越函数,y=x3y = x^3、y=xy = \sqrt{x} 不是。

练习 4

判断 y=esin⁡xy = e^{\sin x} 属于哪类初等函数,并说明理由。

超越函数复合函数

解题思路:

先看表达式中出现了哪些超越运算,再看这些超越函数是如何组合的,从而确定它在初等函数分类中的位置。

详细步骤:

  1. y=esin⁡xy = e^{\sin x} 的外层是指数函数 eue^u,内层是三角函数 sin⁡x\sin x,属于复合结构。
  2. 指数运算和三角运算都是超越运算,只要含超越运算的函数就归入超越函数。
  3. 复合运算本身也是初等函数的构造方式,所以 esin⁡xe^{\sin x} 本身仍是初等函数,同时在代数与超越的分类中属于超越函数。

最终答案:

属于超越函数,因为包含指数和三角函数的复合。

练习 5

判断 y=x2+1y = \sqrt{x^2 + 1} 属于哪类初等函数,并说明理由。

代数函数

解题思路:

按代数函数的判定标准逐项检查表达式中出现的运算类型,判断它是否属于超越函数一类。

详细步骤:

  1. 表达式 y=x2+1y = \sqrt{x^2 + 1} 中出现加法、乘方和开方三种运算,都在代数运算的范围内。
  2. 表达式中没有出现指数、对数、三角等超越运算,因此不满足超越函数的条件。
  3. 根式又可写成幂运算 (x2+1)1/2(x^2 + 1)^{1/2},仍然是幂函数与一次函数的复合,仍属于代数函数。

最终答案:

属于代数函数,因为只涉及代数运算和开方。

练习 6

下列函数中,哪些是超越函数?
(A) y=x2y = x^2
(B) y=sin⁡xy = \sin x
(C) y=ln⁡xy = \ln x
(D) y=xy = \sqrt{x}

超越函数

解题思路:

把四个选项的表达式逐个与超越函数的判定标准对照,含指数、对数、三角运算的即为超越函数。

详细步骤:

  1. (A) y=x2y = x^2 只含乘方运算,属于代数函数。
  2. (B) y=sin⁡xy = \sin x 含三角运算,属于超越函数。
  3. (C) y=ln⁡xy = \ln x 含对数运算,属于超越函数。
  4. (D) y=xy = \sqrt{x} 只含开方运算,属于代数函数。

最终答案:

(B)、(C) 是超越函数,(A)、(D) 不是。

练习 7

判断 y=x2+1x−1y = \frac{x^2 + 1}{x - 1} 是否为代数函数,并说明理由。

代数函数

解题思路:

检查分式表达式的每一部分是否只出现代数运算,从而判断它属于代数函数还是超越函数。

详细步骤:

  1. 分子 x2+1x^2 + 1 只含乘方与加法,是多项式,属于代数函数。
  2. 分母 x−1x - 1 只含减法,是一次多项式,属于代数函数。
  3. 分子与分母相除仍然只用四则运算,整个表达式不含任何超越运算,所以它是有理函数,也属于代数函数。

最终答案:

是代数函数,因为它只涉及加、减、乘、除等代数运算。

练习 8

判断 y=esin⁡xy = e^{\sin x} 属于哪类初等函数,并说明理由。

超越函数

解题思路:

从表达式中出现的运算类型出发,先确定它在哪一类中,再说明这一复合结构为何仍属于初等函数。

详细步骤:

  1. y=esin⁡xy = e^{\sin x} 中含指数运算与三角运算,两者都属于超越运算。
  2. 只要含超越运算的函数即归入超越函数,因此该函数是超越函数。
  3. 从初等函数的构造看,指数函数 eue^u 与三角函数 sin⁡x\sin x 都是基本初等函数,两者复合仍是初等函数,所以它在初等函数体系之内,同时归类为超越函数。

最终答案:

属于超越函数,因为包含指数和三角函数的复合。


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
f(x)f(x)数学符号f of x函数记号,表示以 xx 为自变量的函数
Γ(x)\Gamma(x)数学符号Gamma of x伽马函数,特殊函数,不属于初等函数
exe^x数学符号e to the power x自然指数函数
ln⁡x\ln x数学符号natural log of x自然对数函数
sin⁡x\sin x数学符号sine of x正弦函数
esin⁡xe^{\sin x}数学符号e to the power sine x指数函数和三角函数的复合函数
x\sqrt{x}数学符号square root of x平方根函数

中英对照

中文术语英文术语音标说明
初等函数elementary function/ˌelɪˈmentəri ˈfʌŋkʃən/由基本初等函数通过有限次四则运算和复合运算得到的函数
基本初等函数basic elementary function/ˈbeɪsɪk ˌelɪˈmentəri ˈfʌŋkʃən/常数函数、幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数等
代数函数algebraic function/ældʒɪˈbreɪɪk ˈfʌŋkʃən/只包含代数运算(加、减、乘、除、开方)的函数
超越函数transcendental function/trænsenˈdentəl ˈfʌŋkʃən/包含超越运算(指数、对数、三角函数)的函数
四则运算four arithmetic operations/fɔː əˈrɪθmətɪk ˌɒpəˈreɪʃənz/加、减、乘、除四种基本运算
复合运算composition operation/ˌkɒmpəˈzɪʃən ˌɒpəˈreɪʃən/函数的复合运算
多项式函数polynomial function/ˌpɒlɪˈnəʊmiəl ˈfʌŋkʃən/形如 f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0f(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0 的函数
有理函数rational function/ˈræʃənəl ˈfʌŋkʃən/两个多项式函数的商
无理函数irrational function/ɪˈræʃənəl ˈfʌŋkʃən/包含根式的函数
伽马函数gamma function/ˈɡæmə ˈfʌŋkʃən/特殊函数,不属于初等函数

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