论证函数$f\colon(0,\infty)\to\mathbb{R},\ x\longmapsto\frac{x^2-1}{2x}$可逆的最简方法
论证函数$f\colon(0,\infty)\to\mathbb{R},\ x\longmapsto\frac{x^2-1}{2x}$可逆的最简方法
嘿,关于这个函数的可逆性问题,其实真不用一步步繁琐地单独证明单射和满射,有两种超简洁的思路,任挑一种都能快速搞定:
方法一:单调性+连续性+介值定理
先把函数变形一下,看着更清爽:$f(x)=\frac{x}{2}-\frac{1}{2x}$。
- 第一步:证严格单调(直接推单射)
对$f(x)$求导:$f'(x)=\frac{1}{2}+\frac{1}{2x2}$。在定义域$(0,\infty)$里,$x2>0$,所以$f'(x)$恒大于0,这就说明$f(x)$在整个定义域上是严格单调递增的。严格单调的函数必然是单射——毕竟如果两个不同的自变量$x_1\neq x_2$,对应的函数值肯定一增一减,不可能相等。 - 第二步:结合连续性证满射
$f(x)$在$(0,\infty)$上是连续的(分式分母不为0,分子是多项式,整体连续没毛病)。再看极限:- 当$x\to0^+$时,$\frac{x}{2}\to0$,$-\frac{1}{2x}\to-\infty$,所以$f(x)\to-\infty$;
- 当$x\to+\infty$时,$\frac{x}{2}\to+\infty$,$-\frac{1}{2x}\to0$,所以$f(x)\to+\infty$。
根据介值定理,对于任意实数$y\in\mathbb{R}$,必然存在某个$x\in(0,\infty)$使得$f(x)=y$,这就说明$f(x)$的值域是整个$\mathbb{R}$,也就是满射。
单射+满射=双射,双射函数必然可逆,搞定!
方法二:直接构造反函数
既然要证可逆,那直接把反函数求出来不就一目了然了?
假设$y=f(x)=\frac{x^2-1}{2x}$,整理成关于$x$的方程:
$$x^2 - 2yx - 1 = 0$$
这是个二次方程,用求根公式解:
$$x=\frac{2y\pm\sqrt{(2y)^2 + 4}}{2}=y\pm\sqrt{y^2+1}$$
因为$x\in(0,\infty)$,咱们看两个根:$\sqrt{y2+1}>|y|$,所以$y-\sqrt{y2+1}$肯定是负数(比如y正的时候,$\sqrt{y²+1}>y$,相减得负;y负的时候,$\sqrt{y²+1}>-y$,y减它就是负数加负数,还是负的),只有$x=y+\sqrt{y^2+1}$是正的。
这就意味着,对任意$y\in\mathbb{R}$,都有唯一的正实数$x$对应,反函数直接构造出来了:$f{-1}(y)=y+\sqrt{y2+1}$。反函数存在,原函数自然可逆,这个方法甚至更直接!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者selector




