1. A hatványfüggvény

(1)

Elemi függvények

Tétel :

Ha az x = ϕ(y) függvény az y = f(x) függvény inverze, akkor x = ϕ(y) függvény graﬁkonja az y = f(x) függvény képéből az y = x egyenesre való tükrözéssel nyerhető.

Tétel :

Minden szigorúan monoton függvénynek van inverz függvénye.

Bizonyítás:Ha a függvény például szigorúan monoton, növekvő, akkor azx1<

< x2 feltevésből f(x1)< f(x2)következik. Ebből látható, hogy egy

függvény-értéket a függvény csak egy helyen vehet fel, tehát a hozzárendelés egyértelmű, ezért megfordítható.

Megjegyzés :

A szigorú monotonitás az inverz függvény létezésének elegendő, de nem szüksé-ges feltétele. Könnyű olyan függvényt találni, amely nem monoton, mégis van inverze.

Nevezetes függvények

Deﬁníció :

Azy =xn _{függvényt hatványfüggvénynek nevezzük, ha} _n _{tetszőleges, nullától} különböző állandó.

1.1. Pozitív egész kitevőjű hatványfüggvény

Értelemszerűen ittn_∈Z+_.

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df= (−∞,+∞).

– Értékkészlet: Rf = [0,+∞), ha n páros; illetve Rf = (−∞,+∞), ha n páratlan.

(2)

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 −4

−3 −2 −1 0 1 2 3 4

n= 1 n= 2

n= 3 n= 4

x y

1. ábra.Hatványfüggvények képe pozitív egész kitevő esetén

1.2. Negatív egész kitevőjű hatványfüggvény

y=x−n = 1

xn alakúak, aholn∈Z

+_.

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df= (−∞,+∞)\ {0}.

– Értékkészlet: Rf = [0,+∞), ha n páros; illetve Rf = (−∞,+∞), ha n páratlan.

– Folytonosság: Folytonos, monoton részekből állnak.

1.3. Törtkitevőjű hatványfüggvények

Teljes tárgyalásuk sok apró vizsgálatot igényel.y =xpq esetén a p

q tört számlá-lójának és nevezőjének páros vagy páratlan voltát kell megvizsgálni. Gyakorlati szempontból legfontosabb azy=x12 =√xfüggvény.

Tulajdonságok :(Azy=±√xfüggvényre)

– Értelmezési tartomány: Df= [0,+∞).

(3)

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3

4 −4 −3 −2

←−n= 1

←−n= 3

x y

2. ábra.Hatványfüggvények képe negatív egész, páratlan kitevő esetén

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4

0 1 2 3 4 5 6

←−n= 2

←−n= 4

x y

3. ábra.Hatványfüggvények képe negatív egész, páros kitevő esetén

– Folytonosság: folytonos, monoton függvények.

2. A polinomfüggvény

y=Px(x) =a0xn+a1xn−1+. . .+an−1x+an függvény, aholn∈N;a06= 0,

(4)

0 1 2 3 4

4. ábra.A négyzetgyök függvény és ellentettje

Az egész számegyenesen értelmezett folytonos függvény, mivel folytonos függvények lineáris kombinációja.

Viselkedése a∞-ben:

lim

Ez akkor látszik legegyszerűbben, ha kiemeljük az összes első tagját az összes többiből:

Ebben az felírásbanx→ ∞esetében a zárójelben lévő összeg 1-hez konvergál.

3. A racionális törtfüggvény

Nem egyszerűsíthető törtfüggvény, amelya0,a1, a2,. . . ,an ésb0,b1,b2,. . . ,bm

valós számokkal a következő alakban írható fel:

f(x) = a0x

(5)

– Határértékek: Az általános felírásban a számlálóban és a nevezőben lévő legmagasabb fokszámú tagot kiemelve:

f(x) =

Ebben a kifejezésben x→ ∞esetén a zárójelben lévő kifejezések határ-értéke 1, ezért a függvény határhatár-értéke n és m értékeitől, illetve a0 ésb0

előjelétől függ.

Az egyes lehetséges eseteket külön vizsgáljuk.

1. n > mesetén xm-nel egyszerűsítve a kifejezés: a0

páros vagy páratlan voltától is függ. Nevezetesen:

• _Ha _a

0 ésb0 azonos előjelű, akkor a határérték +∞, ha n−m

páros; a határérték−∞, han−mpáratlan.

• _Ha_a

0 ésb0 különböző előjelű, akkor fordított a helyzet.

2. n=mesetén lim

4. Az exponenciális függvény

Alakjay=ax, ahola∈R+_.

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df=R.

– Értékkészlet: Rf = [0,+∞).

– Monotonitás, folytonosság:Haa >1, akkor a függvény szigorúan monoton növekvő. Ha0< a <1, akkor a függvény szigorúan monoton csökkenő. A függvény az értelmezési tartomány minden pontjában folytonos. Haa > > 1, akkor lim

(6)

−3 −2 −1 0 1 2 3 0

2 4 6 8

a >1 0< a <1

x y

5. ábra. Az exponenciális függvények graﬁkonjaa >1és0< a <1esetén

5. A logaritmus függvény

Azx=ay _{exponenciális függvény inverzét logaritmus függvénynek nevezzük:}

y= logax a >0.

0 1 2 3

−4 −2 0 2 4

a >1

0< a <1

x y

6. ábra.A logaritmus függvény

(7)

– Értelmezési tartomány: Df= ]0,+∞)

– Értékkészlet: Rf = (−∞,+∞)

– Folytonosság, monotonitás: Mivel az exponenciális függvény folytonos, ezért a logaritmus függvény is folytonos; a > 1 esetén szigorúan mono-ton növekvő,0< a <1 esetén szigorúan monoton csökkenő.

Megjegyzés:Aze= 2,7182. . .alapú logaritmus jele lnx, a 10-es alapú logaritmus jele lgx.

6. Trigonometrikus függvények

Az y = sinx, y = cosx, y = tgx, y = ctgx függvények összefoglaló neve trigonometrikus függvények, aholxívmértékben értendő.

x 0

1 1

cosx

sinx tanx ctgx

7. ábra.Szögfüggvények graﬁkus jelentése

6.1. Szinusz függvény

Tulajdonságok :

– Értékkészlet: Rf = [−1,1].

(8)

– Folytonosság, monotonitás: A szinusz függvény a teljes értelmezési tar-tományon folytonos. A függvény szigorúan monoton növekvő a h−π₂,π

2

i

intervallumon, tehát a h−π₂ ±2kπ,π 2 ±2kπ

i

-n is. A függvény szigorúan

monoton csökkenő a

8. ábra.A szinusz függvény graﬁkonja

6.2. Koszinusz függvény

Acosx= sinx+π 2

összefüggés alapján könnyen tárgyalható.

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df=R_.

– Értékkészlet: Rf = [−1,1].

– Folytonosság, monotonitás: A koszinusz függvény a teljes értelme-zési tartományon folytonos. A függvény szigorúan monoton csökke-nő a [0±2kπ, π±2kπ]-n. A függvény szigorúan monoton növekvő a [π_±2kπ,2π_±2kπ]-n.

(9)

−π

2 0

π

2 π 32π 2π

−1 0 1

x y

9. ábra.A koszinusz függvény graﬁkonja

6.3. Tangens függvény

Deﬁníció szerint:

ydef= sinx cosx Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df=R_\n₍₂k+ 1)π 2

k∈Z

o

.

– Értékkészlet: Rf =R.

– Folytonosság, monotonitás: A szakadási helyeken (azaz x = (2k+ 1)π 2, aholk∈Z) a bal oldali határérték₊_∞, a jobb oldali határérték_−∞.

– Periodicitás: A tangens függvényπszerint periodikus, hiszen

tg(x+π) = sin (x+π) cos (x+π)=

−sinx

−cosx=tgx .

– Paritás:A tangens függvény páratlan.

6.4. Kotangens függvény

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df =R_{\ {}kπ_|k_∈Z_}. (A szakadási helyeken a

(10)

−π

2 0

π

2 π 32π

−3 −2 −1 0 1 2 3

x y

10. ábra.A tangens függvény graﬁkonja

– Folytonosság, monotonitás: A ]±kπ,±(k+ 1)π[intervallumon szigorúan monoton csökkenő, folytonos függvény (k∈Z).

– Periodicitás: A kotangens függvényπszerint periodikus.

– Paritás:A kotangens függvény páratlan.

7. Trigonometrikus függvények inverzei

7.1. Az arkusz szinusz függvény

Azy= sinxfüggvény inverze. A sinx függvény a −π

2 ≤ x ≤ π

2 intervallumon szigorúan monoton növekvő. Ennek inverze az arc sinxfüggvény, amit azy =arc sinxfőágának, vagy főér-tékének is szokás nevezni.

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df= [−1,1].

– Értékkészlet: Rf =h−π₂,π 2

i

(11)

−π

2 0

π

2 π 32π

−3 −2 −1 0 1 2 3

x y

11. ábra.A kotangens függvény graﬁkonja

– Folytonosság, monotonitás:A főágon túl az összes szigorúan monoton sza-kasz is invertálható, ezen inverzek összességéty =Arc sinx-szel is szokás jelölni. Ennek bármelyik ága előállítható arc sinxfüggvény segítségével.

−1 0 1

−π

2

0 π

2

y=arc sinx

x y

(12)

A fentiekből a teljes számegyenesre értelmezett Arc sinxfüggvényre:

Arc sinx=

(

arc sinx±2kπ (π−arc sinx)±2kπ

a növekvő ágakra a csökkenő ágakra

7.2. Az arkusz koszinusz függvény

Azy= cosxfüggvény inverze.

Acosxfüggvény a0≤x_≤πintervallumon szigorúan monoton növekvő. Ennek inverze az arc cosxfüggvény, amit azy =arc sinxfőágának, vagy főértékének is szokás nevezni.

Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df= [−1,1]. – Értékkészlet: Rf = [0, π].

– Folytonosság, monotonitás:A főágon túl az összes szigorúan monoton sza-kasz is invertálható, ezen inverzek összességéty =Arc cosx-szel jelöljük. Ennek bármelyik ága előállítható arc cosxfüggvény segítségével.

−1 0 1

0 π

2

π

y=arc cosx

x y

13. ábra.Az arkusz koszinusz függvény graﬁkonja

A fentiekből a teljes számegyenesre értelmezett Arc cosxfüggvényre:

Arc cosx=

(

(13)

7.3. Az arkusz tangens függvény

A

−π

2,

π

2

intervallumon szigorúan monoton ág inverze arc tgx. Ez a főág vagy főérték. A többi ág is invertálható, ezek összessége: Arc tgx=arc tgx±kπ.

Tulajdonságok :

– Értékkészlet: Rf =h−π₂,π 2

i

.

– Folytonosság, monotonitás: Szigorúan mononton növekvő, folytonos függ-vény.

– Határértékek: lim

x→+∞=arc tgx=

π

2, illetvex→−∞lim =arc tgx=−

π 2.

−3 −2 −1 0 1 2 3

−π

2

0 π

2

y=arc tgx

x y

14. ábra.Az arkusz tangens függvény graﬁkonja

7.4. Az arkusz kotangens függvény

A [0, π] intervallumon szigorúan monoton ág inverze arc ctgx. Ez a főág vagy főérték. A többi ág is invertálható, ezek összessége: Arc ctgx=arc ctgx±kπ.

Tulajdonságok :

(14)

– Értékkészlet: Rf = [0, π].

– Folytonosság, monotonitás:Szigorúan monoton csökkenő, folytonos függ-vény.

x→−∞=arc ctgx= 0, illetvex→lim+∞=arc ctgx=π.

−3 −2 −1 0 1 2 3

0 π

2

π

y=arc ctgx

x y

15. ábra.Az arkusz kotangens függvény graﬁkonja

8. Hiperbolikus függvények

8.1. A szinusz hiperbolikusz függvény

y=shxdef= e x

−e−x 2 Tulajdonságok :

– Folytonosság, monotonitás: Szigorúan monoton növekvő, folytonos függ-vény.

– Paritás:sh(−x) = e

−x₋_ex

(15)

−3 −2 −1 0 1 2 3

16. ábra. A szinusz hiperbolikusz függvény graﬁkonja

8.2. A koszinusz hiperbolikusz függvény

– Folytonosság, monotonitás:Szigorúan monoton szakaszokból áll, folytonos függvény.

– Paritás:ch(−x) = e

−x₊_ex

2 =chxmiatt páros függvény. A sh és ch függvények nevezetes azonosságai

(16)

−3 −2 −1 0 1 2 3

17. ábra. A koszinusz hiperbolikusz függvény graﬁkonja

• ch(x±y) =chxchy±shxshy

8.3. A tangens hiperbolikusz függvény

– Folytonosság, monotonitás: Szigorúan monoton növekvő, folytonos függ-vény.

– Paritás:Páratlan függvény.

(17)

−3 −2 −1 0 1 2 3 −1

0 1

x y

y=thx

18. ábra.A tangens hiperbolikusz függvény graﬁkonja

8.4. A kotangens hiperbolikusz függvény

cthxdef= chx shx =

ex+e−x ex₋_e−x Tulajdonságok :

– Értelmezési tartomány: Df=R_{\ {}₀_}.

– Értékkészlet: Rf =R_\_[₋₁,1].

– Folytonosság, monotonitás: Két szigorúan monoton csökkenő, folytonos szakaszból áll.

– Paritás:Páratlan függvény.

x→−∞cthx = −1, illetve x→lim+∞cthx = 1. A 0-ban vett

határérték: lim

x→−0cthx=−∞, ésxlim→+0cthx= +∞.

9. Hiperbolikus függvények inverzei

9.1. Az area szinusz hiperbolikusz függvény

A szinusz hiperbolikusz függvény deﬁníciójából indulunk ki:

shy=x= e y

−e−y

(18)

−3 −2 −1 0 1 2 3 −5

−1 0 1 5

x y

y=cthx

19. ábra. A kotangens hiperbolikusz függvény graﬁkonja

Innen átrendezzük, kifejezve azey-t:

ey−2x−e−y= 0

e2y−2xey−1 = 0

ey=x_±px2_{+ 1}_.

A negatív előjelx, y _∈Resetében nem jöhet szóba. Ennek ﬁgyelembevételével

vehejük mindkét oldal logaritmusát:

y=lnx+px2_{+ 1} _.

Innen az ar shxfüggvény deﬁníciója:

ar shx=lnx+px2_{+ 1} _.

9.2. Az area koszinusz hiperbolikusz függvény

9.3. Az area tangens hiperbolikusz függvény

A tangens hiperbolikusz deﬁnícója:

(19)

−3 −2 −1 0 1 2 3 −3

−2 −1 0 1 2 3

x y

y=ar shx

20. ábra.Az area szinusz hiperbolikusz függvény graﬁkonja

0 1 2 3

−1 0 1 2 3

x y

y=ar chx

21. ábra. Az area koszinusz hiperbolikusz függvény graﬁkonja

ey₋_e−y ey₊_e−y =x . Inneney_{-t kifejezve:}

ey(1−x) =e−y(1 +x)

e2y

(20)

Gyökvonás és logaritmálás után:

y=1 2ln

1 +x 1−x.

Ezek szerint a area tangens hiperbolikusz deﬁníciója, ﬁgyelembe véve az area tangens értékkészletét (ami az inverz függvényének értelmezési tartománya lesz):

ar thx=1 2ln

1 +x

1−x , aholx∈]−1,1[

−1 0 1

−2 −1 0 1 2

x y

y=ar thx

22. ábra.Az area tangens hiperbolikusz függvény graﬁkonja

9.4. Az area kotangens hiperbolikusz függvény

Az area kotangens hiperbolikusz deﬁníciós összefüggése alakra ugyanaz, mint az ar thxfüggvényé, azzal a különbséggel, hogy más az értelmezési tartomány:

ar cthx=1 2ln

1 +x

(21)

0 1 2 3 1 2 3 −3

−2 −1 0 1 2 3

x y

y=ar cthx