تابع
تعریف تابع
در ریاضیات تابع عملکردی است که برای هر ورودی داده شده یک خروجی منحصر بفرد تولید میکند معکوس این مطلب را در تعریف تابع بکار نمیبرند. یعنی در واقع یک تابع میتواند برای چند ورودی متمایز خروجیهای یکسان را نیز تولید کند. برای مثال با فرض y=x2 با ورودیهای 5- و 5 خروجی یکسان 25 را خواهیم داشت. در بیان ریاضی تابع رابطهای است که در آن عنصر اول به عنوان ورودی و عنصر دوم به عنوان خروجی تابع جفت شده است.
به عنوان مثال تابع f(x)=x2 بیان میکند که ارزش تابع برابر است با مربع هر عددی مانند x
در واقع در ریاضیات رابطه را مجموعه جفتهای مراتب معرفی میکنند. با این شرط که هرگاه دو زوج با مولفههای اول یکسان در این رابطه موجود باشند آنگاه مولفههای دوم آنها نیز یکسان باشد. همچنین در این تعریف خروجی تابع را به عنوان مقدار تابع در آن نقطه مینامند. مفهوم تابع اساسی اکثر شاخههای ریاضی و علوم محاسباتی میباشد. همچنین در حالت کلی لزومی ندارد که ما بتوانیم فرم صریح یک تابع را به صورت جبری آلوگرافیکی و یا هر صورت دیگر نشان دهیم.
فقط کافیست این مطلب را بدانیم که برای هر ورودی تنها یک خروجی ایجاد میشود در چنین حالتی تابع را میتوان به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفت که برای هر ورودی یک خروجی تولید میکند. همچنین لزومی ندارد که ورودی یک تابع ، عدد و یا مجموعه باشد. یعنی ورودی تابع را میتوان هر چیزی دلخواه در نظر گرفت البته با توجه به تعریف تابع و این مطلبی است که ریاضیدانان در همه جا از آن بهره میبرند.
تاریخچه تابع
نظریه مدرن توابع ریاضی بوسیله ریاضیدان بزرگ لایب نیتر مطرح شد همچنین نمایش تابع بوسیله نمادهای (y=f(x توسط لئونارد اویلر در قرن 18 اختراع گردید، ولی نظریه ابتدایی توابع به عنوان عملکرهایی که برای هر ورودی یک خروجی تولید کند توسط جوزف فوریه بیان شد. برای مثال در آن زمان فوریه ثابت کرد که هر تابع ریاضی سری فوریه دارد.
چیزی که ریاضیدانان ما قبل اوبه چنین موردی دست نیافته بودند، البته موضوع مهمی که قابل ذکر است آنست که نظریه توابع تا قبل از بوجود آمدن نظریه مجموعهها در قرن 19 پایه و اساس محکمی نداشت. بیان یک تابع اغلب برای مبتدیها با کمی ابهام همراه است، مثلا برای توابع کلمه x را به عنوان ورودی و y را به عنوان خروجی در نظر میگیرند ولی در بعضی جاها y,x را عوض میکنند.
ورودی تابع
ورودی یک تابع را اغلب بوسیله x نمایش میدهند. ولی زمانی که ورودی تابع اعداد صحیح باشد. آنرا با x اگر زمان باشد آنرا با t ، و اگر عدد مختلط باشد آنرا با z نمایش میدهند. البته اینها مباحثی هستند که ریاضیدانان برای فهم اینکه تابع بر چه نوع اشیایی اثر میکند بکار میرود. واژه قدیمی آرگومان قبلا به جای ورودی بکار میرفت. همچنین خروجی یک تابع را اغلب با y نمایش میدهند در بیشتر موارد به جای f(x) , y گفته میشود. به جای خروجی تابع نیز کلمه مقدار تابع بکار میرود. خروجی تابع اغلب با y نمایش داده میشود. ولی به عنوان مثال زمانی که ورودی تابع اعداد مختلط باشد، خروجی آنرا با "W" نمایش میدهیم. (W = f(z
تعریف روی مجموعهها
یک تابع رابطهای منحصر به فرد است که یک عضو از مجموعهای را با اعضای مجموعهای دیگر مرتبط میکند. تمام روابط موجود بین دو مجموعه نمیتواند یک تابع باشد برای روشن شدن موضوع ، مثالهایی در زیر ذکر میکنیم:
این رابطه یک تابع نیست چون در آن عنصر 3، با دو عنصر ارتباط دارد. که این با تعریف تابع متناقص است چون برای یک عنصر از مجموعه، دو عنصر در مجموعه موجود است
- این رابطه یک تابع یک به یک است. چون به ازای هر x یک y وجود دارد.
تعریف ساخت یافته تابع
بطور ساخت یافته یک تابع از مجموعه x به مجموعه y بصورت f:x→y نوشته میشود و به صورت سه تایی مرتب ( (x,y,G(f) نمایش داده میشود. بطوری که (G(f زیر مجموعهای از حاصلضرب کارتزین xy میباشد. با این شرط که به ازای هر x در X یک Y متعلق به Y نسبت داد شود. با این شرط زوج مرتب (x,y) را در داخل (G(f میپذیریم. در این حالت نیز X را به عنوان دامنه f و y را به عنوان برد fو (G(f را به عنوان نمودار و یا گراف تابع F در نظر میگیرند.
خواص توابع
توابع میتوانند:
- زوج یا فرد باشند.
- پیوسته یا ناپیوسته باشند.
- حقیقی یا مختلط باشند.
- اسکالر یا برداری باشند.
توابع چند متغیره
یک تابع ممکن است بیشتر از یک متغیر داشته باشد برای مثال یک تابع از f است که دارای سه پارامتر x,y,z است که یک ارزش را برای تابع تولید میکنند. از توابع چند متغیره میتوان به قانون جاذبه نیوتن اشاره کرد که در آن دو جرم با متغیر و و نیز یک متغیر برای فاصله هر جرم به نام در آن وجود دارد.
با مقدار دهی به سه پارامتر فوق مقدار تابع F محاسبه خواهد شد.
تعریف تابع پوشا
تابع f:x→y را پوشا می نامیم اگر تنها f(x)=y
تعریف کلی برای تابع پوشا یا تابع در روی مجموعه ها:
گیریم f تابعی است که ناحیه تعریف آن x و ناحیه مقصد آن y باشد، یعنی تصویر x به توی y باشد:
در اینصورت مقادیر این تابع که آن ما با f(x) نشان می دهیم، یک زیر مجموعه ای است از مجموعه y ، یعنی f(x) cy یعنی اگر ناحیه مقصد y و ناحیه مقادیر تابع f(x) یکسان باشند، در اینصورت f تابعی از x در روی y است یا f "x را در روی y تصویر می کند". یا به طور ساده گویند f یک تابع پوششی است.
در این حالت از تابع هریک از عناصر ناحیه مقصد، افلا تصویر یکی از عناصر ناحیه تعریف تابع (x) می باشند.
مثالی از تابع پوشا:
1) تابع جز صحیح Ө:R→Z از مجموعه اعداد حقیقی به مجموعه اعداد صحیح که هر عدد حقیقی x را به جز صحیح x نظیر می کند.
Ө(x)=x
پوشاست. ولی تابع قدر مطلق α:R→R از مجموعه اعدادحقیقی به خودش که هر عدد حقیقی x را به قدر مطلق آن نظیر می کند.
Α(x)=│x│
پوشا نیست. چون اگر منحنی تابع قدر مطلق را رسم کنیم این منحنی فقط اعداد حقیقی مثبت را شامل میشود که با تعریف تابع قدر مطلق که تمام اعداد حقیقی را شامل میشود تناقص دارد. پس تابع قدر مطلق پوشا نیست.
تابع یک به یک:
تابع دلخواه f:x→y را در نظر می گیریم. فرض می کنیم b,a دو عنصر دلخو.اه متعلق به قلمرو f باشند. بر حسب تعریف تابع، تصاویر f(b),f(a) می توانند هر عنصری از مجموعه y یا برد f باشند. بنابراین ممکن است داشته باشیم.
F(a)=f(b)
مثلا تابع قدر مطلق α:R→R را در نظر می گیریم. واضح است که برای هر عدد حقیقی a داریم
Α(a)=a(-a)
البته ممکن است که برای تابع خاص f:x→y به ازای هیچ دو عنصر b,a از قلمرو f، تساوی امکان پذیر نباشد. توابعی را که دارای ان خاصیت مهم باشند، یک به یک می نامیم.
تعریف تابع یک به یک:
تابع f:x→y را یک به یک می نامیم، اگر و تنه اگر، تصاویر عناصر متمایز قلمرو f متمایز باشند. به عبارت دیگر، تابع f:x→y یک به یک است اگر و تنها اگر برای هر دو عنصر دلخواه x2,x1 از قلمرو f که f(x1)=f(x2) نتیجه شود a=b مثلا، تابع شمول i:x→y که و برای هر با ضابطه تعریف می شود، تابعی یک به یکی است. در حالی که هیچ یگ از تواغبع جز صحیح Ө:R→Z و قدرمطلق α:R→R، یک به یک نیستند.
تشخیص یک به یک بودن:
اگر f یک به یک باشد، هر خط موازی محور x ها را حداکثر در یک نقطه قطعه می کند. در غیر این صورت f یک به یک نخواهد بود.
تابع دوسویی:
تابع f:x→y را دو سویی می نامیم، اگرو تنها اگر یک به یک و پوشا باشد.
به عنئوانمثال: تابع f:R→R که درجه فارنهایت را به درجه سانتیگراد تبدیل می کند تابع دو سویی است برای هر مجموعه دلخواه x، تابع همانی i:x→x که برای هر با ضابطه i(x)=x تعریف می شود، تابعی دو سویی است. یعنی هم یک به یک و هم پوشا می باشد.
رابطه یک به یک بودن با صعودی یا نزولی بودن:
اگر تابع f صعودی یا نزولی باشد، آنگاه یک به یک خواهد بود. ولی هر تابع یک به یک، صعودی یا نزولی نیست.
اگر هیچ یک از شرایط فوق برقرار نباشد تابع را نه زوج و نه فرد می گوییم.
- توجه کنید که شرط اولیه اینکه تابعی بتواند زوج یا فرد باشد این است که دامنه اش متقارن باشد یعنی:
و اگر شرط فوق برقرار نباشد در مورد زوج یا فرد بودن تابع بحث نمی شود.(چرا؟)
به عنوان مثال تابع تابعی است نه زوج و نه فرد چرا که دامنه اش برابر است با که متقارن
نمی باشد چون 1- عضو دامنه بوده ولی 1 عضو دامنه نمی باشد و شرط اولیه برای زوج یا فرد بودن تابع برقرار نمی باشد.
به عنوان مثال تابع تابعی زوج است چرا که اولا وامنه اش مجموعه اعداد حقیقی بوده پس متقارن است و همچنین داریم:
و همچنین تابع تابعی فرد است چرا که دامنه اش مجموعه اعداد حقیقی بوده و متقارن است و همچنین:
تابع هم تابعی نه زوج و نه فرد است زیرا:(البته شرط اولیه یعنی متقارن بودن دامنه برقرار است) که در هیچ یک از شراط تابع زوج یا فرد صدق نمی کند.
- بررسی زوج و فرد بودن تابع از روی نمودار تابع:
- از نظر هندسی نمودار تابع زوج نسبت به محور y ها متقارن است.
برهان: می دانیم در تقارن یک نقطه نسبت به محور y ها مولفه y ثابت و مولفه x قرینه می شود پس زمانی نسبت به محور y ها متقارن است که با تبدیل x به x- تابع تغییری نکند. پس در چنین تابعی داریم: که این همان تعریف تابع زوج است.
به عنوان مثال نمودار تابعی که در بالا زوج بودنش را نشان دادیم به این صورت است:
مشاهده می کنید این تابع نسبت به محور Y ها متقارن است.
- از نظر هندسی نمودار تابع فرد نسبت به مبدا مختصات متقارن است.
برهان: می دانیم در تقارن یک نقطه نسبت به مبدا همه مولفه ها قرینه می شوند. پس تابع هنگامی نسبت به مبدا متقارن است که با تبدیل x به x- تابع از (f(x به (f(x- تغییر کند. پس در چنین تابعی داریم: که این همان تعریف تابع فرد است.
به عنوان مثال نمودار تابعی که در بالا فرد بودنش را بررسی کردیم به این صورت است:
مشاهده می شود این تابع نسبت به مبدا متقارن است.
تابعی که هیچ یک از این ویژگی ها را نداشته باشد نه زوج و نه فرد است. به عنوان مثال نمودار های زیر نمونه ای از نمودار های توابع نه زوج و نه فرد است:
از معروف ترین توابع نه زوج و نه فرد می توان به تابع هموگرافیک و تابع لگاریتم اشاره کرد.
- حال ممکن است این سوال پیش بیاید که آیا تابعی وجود دارد که هم زوج و هم فرد باشد؟
بررسی می کنیم:
داریم:
حال با جمع کردن طرفین:
پس تابع (محور Xها) تنها تابعی است که هم زوج و هم فرد است و نمودار آن به این صورت است:
مشاهده می کنید که نمودار این تابع هم نسبت به مبدا مختصات و هم نسبت به محور Y ها متقارن است پس هم زوج و هم فرد است.
- چند خاصیت از توابع زوج و فرد:
- اگر f و g دو تابع زوج باشند آنگاه ترکیبشان یعنی fog(یا gof) هم زوج است.
چون f و g دو تابع زوج هستند طبق فرض داریم:
پس:
لذا تابع fog زوج است به همین روش می توان نشان داد gof هم زوج است.
- اگر f و g دو تابع فرد باشند آنگاه ترکیبشان یعنی fog(یا gof) هم تابعی فرد است.
چون f و g دو تابع فرد هستند داریم:
پس:
لذا تابع fog تابعی فرد است. به همین روش می توان اثبات نمود gof هم تابعی فرد است.
- ترکیب دو تابع که یکی زوج و دیگری فرد باشد همواره تابعی زوج است.
طبق فرض داریم:
ابتدا نشان می دهیم تابع fog تابعی فرد است.
پس fog تابعی زوج است. حال نشان می دهیم که gof هم زوج است.
پس gof تابعی زوج است. لذا حکم برقرار است.
هم توابعی زوج هستند.(در هر حالت می توان جای fو g را با هم عوض نمود)
(البته در مورد تقسیم دو تابع باید در نظر داشت که حکم فوق همواره کلی نمی باشد و به دامنه مخرج بستگی دارد، چرا که ممکن است شرط متقارن بودن تابع حاصل از تقسیم برقرار نباشد.)
پس:
لذا تابع f+g تابعی زوج است.
(در هر حالت می توان جای f و g را عوض کرد)
(البته در مورد تقسیم دو تابع باید در نظر داشت که حکم فوق همواره کلی نمی باشد و به دامنه مخرج بستگی دارد، چرا که ممکن است شرط متقارن بودن تابع حاصل از تقسیم برقرار نباشد.)
پس:
لذا دو تابع مذکور فرد می باشند.
حال نشان می دهیم دو تابع زوج می باشند.
(اثبات فوق در باره تقسیم دو تابع با فرض مساعد بودن دامنه f/g برای زوج و فرد بودن نوشته شده است)
پس دو تابع مذکور زوج می باشند.
پس:
پس دو تابع فوق در شرایط تابع زوج یا فرد صدق نمی کنند لذا نه زوج و نه فرد هستند.
حال نشان می دهیم در تابع فرد هستند:
(اثبات فوق در باره تقسیم دو تابع با فرض مساعد بودن دامنه f/g برای زوج و فرد بودن نوشته شده است)
پس دو تابع فوق فرد می باشند.
تابع ثابت:
تابع را تابع ثابت می گوییم هر گاه برد آن یک مجموعه تک عضوی باشد. به عبارت دیگر تابع ثابت هر عضو از دامنه خود را تنها به یک مقدار ثابت متناظر می کند.
پس ضابطه تابع ثابت f از مجموعه A در مجموعه B را می توان به این صورت نوشت که در آن c مقداری ثابت و همان برد تابع f است.
به عنوان مثال تابع یک تابع ثابت است که هر عضو از دامنه خود(مجموعه اعداد حقیقی) را به عدد ثابت 2 متناظر می کند و عدد دو همان برد تابع است.
نمودار پیکانی زیر نحوه عملکرد تابع ثابت را نشان می دهد:
مشاهده می شود این تابع هر عضو از دامنه(A) خود را به یک مقدار ثابت c متناظر می کند.
به عبارت دقیق تر تابع فوق یک تابع ثابت از مجموعه A به مجموعه تک عضوی {c} است که می توان این مطلب را اینگونه نوشت:
تابع با ضابطه
- به دلیل اینکه در حساب دیفرانسیل و انتگرال معمولا با توابع حقیقی و اعداد حقیقی کار می کنیم تابع ثابت معمولا به این صورت تعریف می شود:
تابع با ضابطه را تابعی ثابت می گوییم. این تابع هر عدد حقیقی را به یک مقدار ثابت چون c متناظر می کند.
نمودار تابع یک تابع ثابت همواره یک خط موازی محور X ها است. به عنوان مثال نمودار تابع ثابت به این صورت است:
- بررسی ویژگی های توابع ثابت:
- توابع ثابت توابعی غیر یک به یک می باشند.
- توابع ثابت معکوس پذیر نمی باشند.
حال در تابع ثابت داریم:
که این نشان می دهد برای هر عضو از برد یعنی C یک عضو از دامنه چون x وجود دارد که x به C متناظر شود یا به عبارتی که این دلیل بر پوشا بودن f است.
پس تابع مذکور زوج است.
حال تابع را در نظر بگیرید. داریم:
همچنین می توان نوشت:
پس تابع مذکور هم در شرط زوج بودن و هم در شرط فرد بودن تابع صدق می کند پس هم زوج و هم فرد است.
تعریف حد
مقدار ثابت a حد متغیر x است هرگاه به ازای هر عدد مثبت کوچک که قبلا به طور مشخص تعیین گردیده است بتوان مقداری از متغیر x را چنان تعیین کرد که جمیع مقادیر در نامساوی صدق کند.اگر a حد متغیر x باشد گوییم متغیر x به سوی حد a میل میکند و بر حسب قرداد آن را به یکی از صورتهای زیر مینویسیم:
تعبیر هندسی حد
مقدار ثابت a حد متغیر x است (یعنی L=a) هرگاه برای هر همسایگی کوچک که مرکز آن a و شعاع آن و است و این همسایگی قبلا بطور غیر مشخصی تعیین گردیده است مقداری از x را چنان تعیین نمود که جمیع نقاط متناظر به مقادیر بعدی متغیر در داخل این فاصله قرار گیرند.خواص حد
- مقدار ثابت c متغیری است که جمیع مقادیر آن بر یکدیگر منطبق است یعنی x=c. واضح است که حد مقدار ثابت c برابر c است زیرا همواره برای هر عدد مثبت و دلخواه نامساوی زیر برقرار است:
- از تعریف حد نتیجه میگردد که متغیر نمیتواند دارای دو حد باشد زیرا اگر و باشد در این صورت متغیر x باید در یک زمان در دو نامساوی و صدق کند. ولی اگر باشد خواهیم دید که این امر امکان ندارد.
- نباید تصور نمود که هر متغیر دارای حد میباشد.
حد یک تابع
فرض میکنیم تابع در همسایگی معینی از نقطه a و یا در برخی نقاط این همسایگی معین باشد. اگر x به سوی a میل کند تابع به سوی حد b میل خواهد نمود، هرگاه به ازای هر عدد مثبت کوچک بتوان عدد مثبتی مانند غیر از a یافت به قسمی که جمیع مقادیر x که در نامساوی صدق میکنند در نامساوی نیز صدق کنند.
اگر b حد تابع هنگامیکه باشد در اینصورت خواهیم نوشت:
قضایایی درباره حد
- قضیه حد مجموع: حد مجموع دو تابع برابر مجموع حدهای آن دوتابع است، مشروط بر اینکه حدها وجود داشته باشند.
- قضیه حد حاصلضرب: حد حاصلضرب دو تابع مساوی حاصلضرب حدهای آنهاست، مشروط بر اینکه حدها وجود داشته باشند.
- قضیه حد تفاضل: حد تفاضل دو تابع مساوی تفاضل حدهای آن دو تابع است، مشروط بر اینکه حدها وجود داشته باشد.
- حد حاصلضرب یک عدد ثابت در یک تابع ، برابر است با حاصلضرب آن عدد ثابت در حد آن تابع.
- حد خارج قسمت دو تابع ، خارج قسمت حدهای آنهاست به شرطی که مخرج به صفر نگراید.
این ویژگیها برای حدهای راست و برای حدهای چپ نیز صادق است.
- قضیه حد تابع مرکب: اگر تابع g در دارای حد a و تابع f در a دارای حد A باشد. به علاوه ، اگر در همسایگی از داشته باشیم ، آنگاه تابع مرکب fog در دارای حد A است.
حد در بینهایت
- تابع f و عدد L مفروضاند. اگر باشد، آنگاه L را حد تابع f ، وقتی x به سمت بینهایت مثبت میل میکند، میگویند.
- تابع f و عدد L مفروضاند. اگر باشد، آنگاه ، L را حد تابع f ، وقتی x به سمت بینهایت منفی میل می کند، میگویند.
- تابع f و عدد L مفروضاند. اگر باشد، آنگاه ، L را حد تابع f ، وقتی x به سمت بینهایت میل میکند، میگویند.
حدهایی که بینهایت میشوند
- برای تابع مفروض f ، اگر باشد، آنگاه ، حد تابع f را ، وقتی x به سمت a میل کند، بینهایت مثبت مینامیم.
در این حالت نمیتوان گفت f در x=a حد دارد، زیرا مثبت بینهایت یک عدد حقیقی نیست.
- برای تابع مفروض f ، اگر باشد، آنگاه ، حد تابع f را ، وقتی x به سمت a میل کند، بینهایت منفی مینامیم. در این حالت نمیتوان گفت f در x=a حد دارد، زیرا منفی بینهایت یک عدد حقیقی نیست.
تعریف پیوستگی
تابع f را در x=a پیوسته مینامیم هرگاه سه شرط زیر برقرار باشد:
- تابع f در نقطه a وجود داشته باشد، یعنی a تعلق به دامنه f باشد.
- حد تابع در نقطه a وجود داشته باشد.
- حد تابع در نقطه x=a برابر باشد.
اگر هر یک از سه شرط بالا در x=a برقرار نباشد، f را در a ناپیوسته مینامیم. در این صورت a را یک نقطه ناپیوستگی f نیز میخوانیم.
مفهوم پیوستگی
تابعی مانند مطالب مشابه : توزیع پیوسته یک متغیره
چگالی احتمال توابع چند متغیره. X n همچنین این امکان وجود دارد که یک تابع چگالی چند متغیره
حساب توابع چند متغیره
به دنیای زیبای ریاضی خوش آمدید - حساب توابع چند متغیره - رياضيات سلطان
تعریف تابع
توابع چند متغیره. یک تابع ممکن است بیشتر از یک متغیر داشته باشد برای مثال یک تابع از f است که
تابع
توابع چند متغیره یک تابع ممکن است بیشتر از یک متغیر داشته باشد برای مثال یک تابع از f است که
مسائل منتخب کتاب "توابع چند متغیره و آنالیز برداری"
لذت ریاضیات - مسائل منتخب کتاب "توابع چند متغیره و آنالیز برداری" - مقالات و زیبایی های ریاضی
آشنایی با کتابهای آنالیز ریاضی
در چاپ های بعدی مطالب مربوط به توابع چند متغیره تقریبا" به طور کامل، با توضیحات بیشتر
سر فصل درس ریاضی کاربردی - کاردانی کامپیوتر
فصل دوم: توابع چند متغیره 1-2- تعریف توابع چند متغیزه 2-2- حد و پیوستگی 3-2- تعریف مشتقهای جزئی
دانلود مروری بر آنالیز عددی
خطای نسبی در محاسبه توابع چند متغیره پایداری روشهای جزوه روش های انتگرال گیری از توابع ;
تعریف تابع
توابع چند متغیره یک تابع ممکن است بیشتر از یک متغیر داشته باشد برای مثال یک تابع از f است که
تابع
توابع چند متغیره . یک تابع ممکن است بیشتر از یک متغیر داشته باشد برای مثال یک تابع از f است که
برچسب :
توابع چند متغیره