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求值域:反解、换元与分段取并集
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值域问题要同时完成两件事:排除不可能的输出,并证明剩下的每个输出确实可达。只算出两个界,通常还没有完成求值域。
反解法与二次方程降次
求 在实数域上的值域。令 ,由于 ,等价于
当 ,它是二次方程,有实根当且仅当 ,即 。当 ,方程降为 ,仍有解。因此值域为 ; 取到 , 取到 。
如果原函数分母可能为零,判别式非负之后,还需剔除只对应禁值的候选输出。首项系数为零时,判别式不能代替一次方程或恒等方程的讨论。
对数复合的值域与参数
设 ,取自然定义域。令
二次式的全体取值为 ,对数只接收正数,所以其有效输入范围为 。
若 ,该范围为 ,故对数的值域是 。若 ,值域为 。因此 的值域为 的充要条件是 或 。
当 ,二次式的零点属于对数的禁值,输出没有最小值;不能把 当成一个端点数值。
换元必须传递原区间
设 ,研究 ,且 。令 。
当 时,;当 时,。最小值为 当且仅当 可达,所以
若直接把新变量范围写成所有正数,就会错误地认定每个底数都能取得该最小值。
分段、单调与可达性检查
分段函数的值域等于各分支实际值域的并集。分支之间可以重叠,也可以留空隙;不能把各段端点中最小值与最大值之间的整段都自动加入。
例如 (),(),值域为 ,不是 。
单调函数在闭区间上若连续,值域由端点确定;不连续的单调函数仍可能跳过某些值。复合函数则先确定内层实际值域,再研究外层在这个集合上的取值。底数小于 的对数为减函数,会反转内层的单调方向。
两根式的和与差:参数顺序决定值域
差型。 对 ,自然定义域为 。当 时值域为 。当 ,有理化得
分母从 开始连续严格增加且无上界,分子固定非零,因此
零只能趋近而不能取到,不可把两个区间都写成闭区间。
和型。 若 、,则
所以和的准确范围为 。下端在某一项为零时取得,上端在 时取得;连续变化可得到所有中间值。例如 中 ,值域为 。 中两根号内和为 ,最小值 、最大值 。
分式、绝对值与根式的值域:四种完整处理
分式及分母零点。 ,。写成 ,先排除 。在 上从0严格减到负无穷,范围为 ;在 上从正无穷严格减并趋近 ,范围为 。总值域为二者之并,不能跨过分母零点合成一个区间。
换元保留区间。 、。令 ,则 。对 ,
故值域为 。这里明确证明了限制区间上的单调性。
绝对值分段。 在分点 两侧分别为
前两段递减、后两段递增,最小值在 为3,函数连续且向两端无界,值域 。
根式换元后配方。 ,令 ,有 ,所以 。在 上最大值1可达,且向负无穷无界,值域 。若改为 ,同法得 ,值域变为 。
定义域有两段的根式函数:分别求像再取并
求 的值域。根号内 ,所以定义域为 。
在 上令 ,则 。 时 ; 时
该式随 从0向正无穷变化而连续增加,从0趋近但达不到 ,故这一段的像为 。
在 上, 与 都连续递增,起点值为2且无上界,所以像为 。
最后值域为 。原函数的定义域不连通,不能仅凭全局上下界就说值域也是一个区间。