区间断想

前言

集合与区间

表示集合的形式有列举法,描述法,区间法,字母法,韦恩图法,区间仅仅是集合的表示形式之一。比如区间([a,b]),我们一般认为其(aleqslant b),当(a=b)时可以理解为区间退化为一个点。为便于理解和描述,我们可以称端点值为定值的区间([2,3])为定区间,称端点值为变化的值的区间([m+1,2m-1](min R))为动区间。这样就涉及到如何刻画一个区间为空集和非空集合的问题。

例1已知集合(A={xmid -2leq xleq 7}),集合(B={xmid m+1< x<2m-1 }),若(Bsubseteq A),则实数(m)的取值范围是什么?

分析:集合(A)为定集,集合(B)为动集,又因为出现了条件(Bsubseteq A),故需要针对集合(B)分类讨论如下:

1、当集合(B=varnothing)时,则有(m+1ge 2m-1),解得(mleq 2)

2、当集合(B eqvarnothing)时,必须满足三个条件,即 (left{egin{array}{l}{m+1< 2m-1}\{ -2 leq m+1}\{2m-1 leq7}end{array} ight.),解得(2<mleq 4)

综上所述:实数(m)的取值范围是({mmid mleq 4})

取值范围与区间

涉及到取值范围的问题,初中我们还可以用 (2<x<3) 这样的不等式形式来刻画取值范围,但是当我们学习了集合这一工具以后,我们一般就转为采用集合的相关表示形式来刻画,比如采用区间((2,3))或者({xmid 2<x<3}),更多采用区间来描述,很明显这种表示简单快捷。当我们强迫自己这样适应或者有意识这样适应还有一个好处,碰到求单调区间的问题,自然就不会将结果写成单调区间为(2<x<3),而会自然而然的写为区间((2,3))

另外,碰到求定义域,值域,方程的解集,不等式的解集问题,我们自然也应该想到用集合的相关表示形式来刻画。

单调性与区间

在刻画函数的单调性的时候,首先涉及到的概念就是区间[连续型函数]或者定义域的子集[离散型函数],由于函数的单调性是函数的局部性质,不一定是函数的定义域上的共有性质,故先取定义域内的某一个区间(D)[或子集]来刻画,如果(x_1<x_2in D),满足(f(x_1)<f(x_2)),则称函数(f(x))在区间(D)上是增加的,比如函数(f(x)=x^2),在区间((-infty,0])上是减少的(或者称为递减的),在区间([0,+infty))上增加的(或者称为递增的),我们称区间((-infty,0])为单调递减区间,称区间([0,+infty))为单调递增区间,单调递减区间和单调递增区间合称单调区间。
大多函数在定义域的区间上有增有减,还有些函数在其定义域上只有增加的或者只是减少的,说明这样的函数相比其他的函数显得更纯粹,更特殊,可以将这样的函数重新定义,以便于和其他的函数区分开来。比如(f(x)=2^x)在其定义域((-infty,+infty))上只是增加的,这就显得很特殊,此时我们就称这个函数是增函数,同理函数(g(x)=(cfrac{1}{e})^x)为减函数;将增函数和减函数统称为单调函数。如果函数有单调性,我们自然想知道函数在哪些区间上是增加的,哪些区间上是减少的,故涉及到求函数的单调区间问题以及单调区间的写法。

求单调区间

例1写出函数(f(x)=cfrac{1}{x})的单调区间。

分析:函数的定义域为((-infty,0)cup (0,+infty)),不能写成((-infty,0))((0,+infty)),也不能写成((-infty,0))((0,+infty))

单调递减区间为((-infty,0))((0,+infty)),或者写成单调递减区间为((-infty,0))((0,+infty));不能写成((-infty,0)cup (0,+infty))

上述的叙述弄糊涂了好多学生,到底怎么理解呢?

函数的定义域是自变量的取值集合,既然为集合,就应该写成((-infty,0)cup (0,+infty)),区间与区间之间的符号应该用符号(cup),而不是用文字和,或等,故定义域不能写成((-infty,0))((0,+infty)),也不能写成((-infty,0))((0,+infty))

那么上述的单调递减区间为什么必须写成((-infty,0))((0,+infty))呢?这样写意味着我们刻画单调性时,取自变量(x_1)(x_2)只能取自区间((-infty,0)),或者只能取自区间((0,+infty)),此时如果令(x_1<x_2<0),或者(0<x_1<x_2),由图像都会得到(f(x_1)>f(x_2)),故函数在区间((-infty,0))((0,+infty))上都是单调递减的;

如果将单调递减区间写成((-infty,0)cup (0,+infty)),则意味着我们刻画单调性时,取自变量(x_1)(x_2)时可以跨区间取值,即(x_1in (-infty,0))(x_2in (0,+infty)),则必然有(x_1<x_2),而由图像很明显可以得到(f(x_1)<f(x_2)),这样的话函数应该是单调增加的,我们都知道这样的结论是错误的,究其原因,函数在点(x=0)处的图像是不连续的,且函数在点(x=0)的两侧的函数值发生了很大的变化。

区间的并与不并

知识点【函数性质综合应用中的难点】注意对比两个例子中的单调性和图像,比如

①已知定义在(R)上的奇函数(f(x)),在((0,+infty))上单调递增,则函数图像可能是①,而不可能是②;此时的单调区间就不能写成((-infty,0)cup (0,+infty))

②已知定义在(R)上的奇函数(f(x)),在([0,+infty))上单调递增,则函数图像可能是②,而不可能是①;此时的单调区间就必须写成((-infty,0]cup [0,+infty)),即((-infty,+infty)),即函数是增函数,以便于我们利用增函数这条性质解决更多的问题。

备注:如果区间之间有间隔,比如区间([1,2])([3,4]),即使单调性相同,也不能写成并集。

例2已知奇函数(f(x))的定义域为([-2,2]),且在区间([0,2])单调递增,求解不等式(f(3x+1)>f(1-2x))

分析:由区间([0,2])单调递增,和奇函数可知,则函数在区间([-2,0])上单调递增,

故函数(f(x))在区间([-2,2])单调递增,

再由定义域和单调性可知(left{egin{array}{l}{-2leq 3x+1leq 2}\{-2leq 1-2xleq 2}\{3x+1>1-2x}end{array} ight.)

解集,略。

说明:定义域上的单调性没有直接给出,需要我们借助奇偶性自行推导。

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