初等函數 (基本函數)是由常函數 、冪函數 、指數函數 、對數函數 、三角函數 和反三角函數 等經過有限次的有理運算 (加 、減 、乘 、除 、乘方 、開方 )及有限次函數複合 所產生、並且在定義域 上能用一個方程式 表示的函數 。 [ 1]
一般來說,分段函數 不是初等函數,因為在這些分段函數的定義域上不能用一個解析式表示。
初等函數的全體對算術運算、複合和微分 (求導)是封閉的,但對求極限 、無窮級數 以及積分 不封閉。只有劉維爾函數 (初等函數及其積分)的全體對積分才是封閉的。
此外,部分初等函數不是整函數 ,或者在複數域 上是多值函數 。
名稱來源
之所以稱這些函數為「初等函數」或「基本函數」(法語 :fonction élémentaire ),需要從微分代數 的角度考慮。儘管「初等函數」這個概念最初是由約瑟夫·劉維爾 引入的,但目前的通行定義是由約瑟夫·里特 給出的:
一個微分域
F
{\displaystyle F}
,定義為某一個域
F
0
{\displaystyle F_{0}}
再加上一個函數對函數的映射
u
→
f
(
u
)
{\displaystyle u\rightarrow f(u)}
。其中,
f
(
u
)
{\displaystyle f(u)}
滿足以下條件:
f
(
u
+
v
)
=
f
(
u
)
+
f
(
v
)
{\displaystyle f(u+v)=f(u)+f(v)}
f
(
u
v
)
=
u
f
(
v
)
+
v
f
(
u
)
{\displaystyle f(uv)=uf(v)+vf(u)}
且該域內的任意常數
C
{\displaystyle C}
都滿足
f
(
C
)
=
0
{\displaystyle f(C)=0}
。
在以上定義滿足時,一個函數
u
{\displaystyle u}
被稱為
F
{\displaystyle F}
上的初等函數 ,若且唯若該函數至少滿足以下三者之一:
是
F
{\displaystyle F}
上的代數函數 ;
是
F
{\displaystyle F}
上的指數性函數,意即
f
(
u
)
=
u
f
(
a
)
,
a
∈
F
{\displaystyle f(u)=uf(a),a\in F}
;
是
F
{\displaystyle F}
上的對數性函數,意即
f
(
u
)
=
f
(
a
)
a
,
a
∈
F
{\displaystyle f(u)={\frac {f(a)}{a}},a\in F}
。
常函數
稱
f
(
x
)
=
C
{\displaystyle f(x)=C}
為常數函數,其中C 為常數 ,它的定義域為
(
−
∞
,
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,\infty )}
。
冪函數
稱形如
f
(
x
)
=
C
x
r
{\displaystyle f(x)=Cx^{r}}
的函數為冪函數,其中C , r 為常數。冪函數的定義域與r 的值有關,但是不管r 取何值,該函數在
(
0
,
+
∞
)
{\displaystyle (0,+\infty )}
上總有意義 。
指數函數
稱形如
f
(
x
)
=
a
x
{\displaystyle f(x)=a^{x}}
的函數為指數函數 ,其中a 是常數,
a
>
0
{\displaystyle a>0}
且
a
≠
1
{\displaystyle a\neq 1}
。該函數的定義域為
(
−
∞
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,+\infty )}
,值域 為
(
0
,
+
∞
)
{\displaystyle (0,+\infty )}
對數函數
稱形如
y
=
log
a
x
{\displaystyle y=\log _{a}x\!}
的函數為對數函數,其中
a
>
0
{\displaystyle a>0}
且
a
≠
1
{\displaystyle a\neq 1}
,是指數函數
y
=
a
x
{\displaystyle y=a^{x}}
的反函數 。該函數定義域為
(
0
,
+
∞
)
{\displaystyle (0,+\infty )}
,值域為
(
−
∞
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,+\infty )}
三角函數
正弦函數
稱形如
f
(
x
)
=
sin
x
{\displaystyle f(x)=\sin x}
的函數為正弦函數,它的定義域為
(
−
∞
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,+\infty )}
,值域為
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle [-1,1]}
,最小正周期為
2
π
{\displaystyle 2\pi }
。
餘弦函數
稱形如
f
(
x
)
=
cos
x
{\displaystyle f(x)=\cos x}
的函數為餘弦函數,它的定義域為
(
−
∞
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,+\infty )}
,值域為
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle [-1,1]}
,最小正周期為
2
π
{\displaystyle 2\pi }
。
正切函數
稱形如
f
(
x
)
=
tan
x
{\displaystyle f(x)=\tan x}
的函數為正切函數,它的定義域為
{
x
|
x
≠
k
π
+
π
2
,
k
∈
Z
}
{\displaystyle \{x|x\neq k\pi +{\frac {\pi }{2}},\,k\in \mathbb {Z} \}}
,值域為
(
−
∞
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,+\infty )}
,最小正周期為
π
{\displaystyle \pi }
。
餘切函數
稱形如
f
(
x
)
=
cot
x
{\displaystyle f(x)=\cot x}
的函數為餘切函數,它的定義域為
{
x
|
x
≠
k
π
,
k
∈
Z
}
{\displaystyle \{x|x\neq k\pi ,\,k\in \mathbb {Z} \}}
,值域為
(
−
∞
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,+\infty )}
,最小正周期為
π
{\displaystyle \pi }
。
正割函數
稱形如
f
(
x
)
=
sec
x
{\displaystyle f(x)=\sec x}
的函數為正割函數,它的定義域為
{
x
|
x
≠
k
π
+
π
2
,
k
∈
Z
}
{\displaystyle \{x|x\neq k\pi +{\frac {\pi }{2}},\,k\in \mathbb {Z} \}}
,值域為
(
−
∞
,
−
1
]
∪
[
1
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,-1]\cup [1,+\infty )}
,最小正周期為
2
π
{\displaystyle 2\pi }
。
餘割函數
稱形如
f
(
x
)
=
csc
x
{\displaystyle f(x)=\csc x}
的函數為餘割函數,它的定義域為
{
x
|
x
≠
k
π
,
k
∈
Z
}
{\displaystyle \{x|x\neq k\pi ,\,k\in \mathbb {Z} \}}
,值域為
(
−
∞
,
−
1
]
∪
[
1
,
+
∞
)
{\displaystyle (-\infty ,-1]\cup [1,+\infty )}
,最小正周期為
2
π
{\displaystyle 2\pi }
。
反三角函數
其它常見初等函數
雙曲函數
雙曲正弦 函數:
y
=
sinh
x
=
e
x
−
e
−
x
2
{\displaystyle y=\sinh x={\frac {e^{x}-e^{-x}}{2}}}
雙曲餘弦 函數:
y
=
cosh
x
=
e
x
+
e
−
x
2
{\displaystyle y=\cosh x={\frac {e^{x}+e^{-x}}{2}}}
雙曲正切函數:
y
=
tanh
x
=
sinh
x
cosh
x
=
e
x
−
e
−
x
e
x
+
e
−
x
{\displaystyle y=\tanh x={\frac {\sinh x}{\cosh x}}={\frac {e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}}}}
反雙曲函數
反雙曲正弦函數:
y
=
arsinh
x
=
ln
(
x
+
x
2
+
1
)
{\displaystyle y=\operatorname {arsinh} \,x=\ln(x+{\sqrt {x^{2}+1}})}
反雙曲餘弦函數:
y
=
arcosh
x
=
ln
(
x
+
x
2
−
1
)
{\displaystyle y=\operatorname {arcosh} \,x=\ln(x+{\sqrt {x^{2}-1}})}
擴展閱讀
Davenport, J. H.: What Might "Understand a Function" Mean. In: Kauers, M.; Kerber, M., Miner, R.; Windsteiger, W.: Towards Mechanized Mathematical Assistants. Springer, Berlin/Heidelberg 2007, p. 55-65. [1] (頁面存檔備份 ,存於網際網路檔案館 )
外部連結
^ 伍勝健. 数学分析 第一册. 北京大學出版社. 2009: 24. ISBN 9787301156858 .