前言
函数的单调性是函数的非常重要的性质之一,其给出方式变化多样。
原始定义
从数的角度表达:函数\(y=f(x)\)的定义域内的一个区间\(A\)上,如果对\(\forall\) \(x_1,\)\(x_2\)\(\in\)\(A\),当\(x_1\)\(<\)\(x_2\)时,都有\(f(x_1)\)\(<\)\(f(x_2)\),称函数在区间\(A\)上是增加的[单调递增的],当\(x_1\)\(<\)\(x_2\)时,都有\(f(x_1)\)\(>\)\(f(x_2)\),称函数在区间\(A\)上是减少的[单调递减的],如果函数\(y=f(x)\)在区间\(A\)上是增加的或是减少的,则称区间\(A\)为单调区间;
从形的角度刻画:递增函数的图像在区间\(A\)上是上升的,递减函数的图像在区间\(A\)上是下降的;
- 定义中涵盖的另一层意思: 如果对\(\forall\) \(x_1,\)\(x_2\)\(\in\)\(A\),当\(x_1\)\(>\)\(x_2\)时,都有\(f(x_1)\)\(>\)\(f(x_2)\),称函数在区间\(A\)上是增加的[单调递增的],当\(x_1\)\(>\)\(x_2\)时,都有\(f(x_1)\)\(<\)\(f(x_2)\),称函数在区间\(A\)上是减少的[单调递减的].由于数学概念要求精准、精炼、准确,故原始定义中没有这一层意思,需要学生通过读书要理解出来。
总结:当自变量不等式的方向和函数值不等式的方向相同时,称为单调递增;当自变量不等式的方向和函数值不等式的方向相反时,称为单调递减;
引申表达
既然如此,这两层意思可以借助积的符号法则,通过一个乘积形式来刻画,比如:
对\(\forall\) \(x_1,\)\(x_2\)\(\in\)\(A\),当\(x_1\)\(\neq\)\(x_2\)时,都有\((x_1-x_2)[f(x_1)-f(x_2)]>0\),称为函数\(f(x)\)在\(A\)上单调递增,
对\(\forall\) \(x_1,\)\(x_2\)\(\in\)\(A\),当\(x_1\)\(\neq\)\(x_2\)时,都有\((x_1-x_2)[f(x_1)-f(x_2)]<0\),称为函数\(f(x)\)在\(A\)上单调递减,
也可以借助商的符号法则,通过一个分式形式来刻画,比如:
对\(\forall\) \(x_1,\)\(x_2\)\(\in\)\(A\),当\(x_1\)\(\neq\)\(x_2\)时,都有\(\cfrac{f(x_1)-f(x_2)}{x_1-x_2}>0\),称为函数\(f(x)\)在\(A\)上单调递增,
对\(\forall\) \(x_1,\)\(x_2\)\(\in\)\(A\),当\(x_1\)\(\neq\)\(x_2\)时,都有\(\cfrac{f(x_1)-f(x_2)}{x_1-x_2}<0\),称为函数\(f(x)\)在\(A\)上单调递减,
另类表达
- 当我们熟悉了上述的给出方式以后,对于以下的另类给出也就容易理解了,不过其常常用“分式+奇偶”的综合形式给出:
如对任意的\(m\),\(n\in D\),函数\(f(x)\)在区间\(D\)上满足:\(\cfrac{f(x_1)+ f(x_2)}{x_1+x_2}>0\),且函数\(f(x)\)为奇函数,
则可知\(-f(-x_2)=f(x_2)\),代换得到\(\cfrac{f(x_1)- f(-x_2)}{x_1-(-x_2)}>0\),
再令\(-x_2=x_3\),即\(\cfrac{f(x_1)- f(x_3)}{x_1-x_3}>0\),
即函数\(f(x)\)在区间\(D\)上单调递增;
(1).判断函数\(f(x)\)的单调性;
解:设\(x_1=m\),\(-x_2=n\),则原式变形为\(\cfrac{f(x_1)+f(x_2)}{x_1-x_2}>0\),
由于函数\(f(x)\)是定义在区间\([-1,1]\)上的奇函数,所以\(f(-x)=-f(x)\),
所以上式可以变形为 \(\cfrac{f(x_1)-f(x_2)}{x_1-x_2}>0\),
不妨设\(-1\leqslant x_1<x_2\leqslant1\),则\(f(x_1)<f(x_2)\),
由函数的单调性定义可知,函数\(f(x)\)在区间\([-1,1]\)上是增函数 .
(2).解不等式\(f(x+\cfrac{1}{2})<f(1-x)\) .
解:由定义域和单调性两个角度加以控制得到,
\(\left\{\begin{array}{l}{-1\leqslant x+\cfrac{1}{2}\leqslant 1}\\{-1\leqslant 1-x\leqslant 1}\\x+\cfrac{1}{2}<1-x\end{array}\right.\)
解得,\(0\leqslant x<\cfrac{1}{4}\),即\([0,\cfrac{1}{4})\) .