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复合函数

复合函数(Composite Function)是高中与高等数学中的核心概念之一。简单来说,复合函数就是“把一个函数的输出,作为另一个函数的输入”。

专转本 4 分钟阅读
复合函数 f∘g = f (g (x)) 映射示意图
复合函数 f∘g = f (g (x)) 映射示意图

假设有两个函数 f(u)f(u) 和 g(x)g(x):

  • 内层函数:u=g(x)u = g(x)
  • 外层函数:y=f(u)y = f(u)

把 g(x)g(x) 代入到 f(u)f(u) 中,就得到了复合函数,记作:

y=f(g(x))或(f∘g)(x)y = f(g(x)) \quad \text{或} \quad (f \circ g)(x)

为了清楚说明“组合”与“拆解”的过程:

复合函数 y=f(g(x))外层函数 y=f(u)内层函数 u=g(x)计算示例(当 x=2 时)
y=(2x+1)2y = (2x + 1)^2y=u2y = u^2u=2x+1u = 2x + 1u=5  ⟹  y=25u = 5 \implies y = 25
y=sin⁡(3x)y = \sin(3x)y=sin⁡(u)y = \sin(u)u=3xu = 3xu=6  ⟹  y=sin⁡(6)u = 6 \implies y = \sin(6)
y=e−x2y = e^{-x^2}y=euy = e^uu=−x2u = -x^2u=−4  ⟹  y=e−4u = -4 \implies y = e^{-4}

复合函数 f(g(x))f(g(x)) 要有意义,内层函数 g(x)g(x) 的值域必须包含在外层函数 f(u)f(u) 的定义域之内(或两者必须有交集)。

  • 示例:设 f(u)=uf(u) = \sqrt{u}(要求 u≥0u \ge 0),g(x)=−x2−1g(x) = -x^2 - 1(值域为 (−∞,−1](-\infty, -1])。因为 g(x)g(x) 永远为负数,无法传入 f(u)f(u),所以 f(g(x))=−x2−1f(g(x)) = \sqrt{-x^2 - 1} 在实数范围内无意义。

对复合函数求导时,需要像剥洋葱一样从外向内逐层求导:

dydx=dydu⋅dudx=f′(g(x))⋅g′(x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} \cdot \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = f'(g(x)) \cdot g'(x)

  • 口诀:外层求导,内层不变;乘以内层求导。
  • 练习:求 y=ln⁡(x2+1)y = \ln(x^2 + 1) 的导数:
    1. 外层求导:1u=1x2+1\frac{1}{u} = \frac{1}{x^2 + 1}
    2. 内层求导:(x2+1)′=2x(x^2 + 1)' = 2x
    3. 最终结果:y′=2xx2+1y' = \frac{2x}{x^2 + 1}

求解复合函数解析式的核心在于理解对应法则的作用对象。根据已知条件的不同,主要分为以下两大经典类型:

解题核心: 将内层整体 g(x)g(x) 视作一个新变量,剥离出外层法则 ff。最常用换元法与凑配法。

设内层整体 g(x)=tg(x) = t,反解出 x=h(t)x = h(t) 代入表达式,最后将 tt 统一替换回目标变量。

⚠️ 避坑要点: 换元必换范围!必须先求出新变量 tt 的取值范围(即 g(x)g(x) 的值域),这直接决定了 f(x)f(x) 的定义域。

  • 例题: 已知 f(2x+1)=4x2+6x+5f(2x + 1) = 4x^2 + 6x + 5,求 f(x)f(x)。

  • 解析步骤:

    1. 设元换范围: 令 t=2x+1t = 2x + 1。因为 x∈Rx \in \mathbb{R},所以 t∈Rt \in \mathbb{R}。

    2. 反解代入: 由 t=2x+1t = 2x + 1 得 x=t−12x = \frac{t - 1}{2},代入原式:

      f(t)=4(t−12)2+6(t−12)+5f(t) = 4\left(\frac{t - 1}{2}\right)^2 + 6\left(\frac{t - 1}{2}\right) + 5

    3. 化简整理:

      f(t)=(t2−2t+1)+(3t−3)+5=t2+t+3f(t) = (t^2 - 2t + 1) + (3t - 3) + 5 = t^2 + t + 3

    4. 得出结论: f(x)=x2+x+3(x∈R)f(x) = x^2 + x + 3 \quad (x \in \mathbb{R})。

不显式设新变量,而是直接将等式右侧改写为包含“内层整体 g(x)g(x)”的结构,再作整体替换。

  • 例题: 已知 f(x+1x)=x2+1x2f\left(x + \frac{1}{x}\right) = x^2 + \frac{1}{x^2},求 f(x)f(x)。

  • 解析步骤:

    1. 变形凑配: 利用乘法公式拼凑内层结构:

      f(x+1x)=(x+1x)2−2f\left(x + \frac{1}{x}\right) = \left(x + \frac{1}{x}\right)^2 - 2

    2. 限定范围: 根据均值不等式,当 x≠0x \neq 0 时,∣x+1x∣≥2\left\vert{}x + \frac{1}{x}\right\vert{} \ge 2,即整体取值范围为 (−∞,−2]∪[2,+∞)(-\infty, -2] \cup [2, +\infty)。

    3. 整体替换: f(x)=x2−2(∣x∣≥2)f(x) = x^2 - 2 \quad (\vert{}x\vert{} \ge 2)。

解题核心: 将未知内层 g(x)g(x) 直接作为整体套用外层法则 ff,转化为求解关于 g(x)g(x) 的方程。

利用已知法则 ff 的运算逻辑,将 g(x)g(x) 代入构建代数方程直接求解。

  • 例题: 已知外层函数 f(x)=3x−2f(x) = 3x - 2,且 f(g(x))=6x2+3x+1f(g(x)) = 6x^2 + 3x + 1,求 g(x)g(x)。
  • 解析步骤:
    1. 按规则作用: 根据 ff 的定义(对输入量做“3倍减2”操作),有 f(g(x))=3g(x)−2f(g(x)) = 3g(x) - 2。
    2. 建立方程: 3g(x)−2=6x2+3x+13g(x) - 2 = 6x^2 + 3x + 1。
    3. 求解目标: 3g(x)=6x2+3x+3  ⟹  g(x)=2x2+x+13g(x) = 6x^2 + 3x + 3 \implies g(x) = 2x^2 + x + 1。

若题目明确告知了 g(x)g(x) 的函数类型(如一次函数、二次函数等),可先设出含待定系数的标准式,再对比等式两边的系数。

  • 例题: 已知 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1,g(x)g(x) 为一次函数,且 f(g(x))=4x2−12x+10f(g(x)) = 4x^2 - 12x + 10,求 g(x)g(x)。

  • 解析步骤:

    1. 设待定系数: 设 g(x)=ax+b(a≠0)g(x) = ax + b \quad (a \neq 0)。

    2. 展开复合式:

      f(g(x))=(ax+b)2+1=a2x2+2abx+(b2+1)f(g(x)) = (ax + b)^2 + 1 = a^2x^2 + 2abx + (b^2 + 1)

    3. 对照系数列方程组:

      {a2=42ab=−12b2+1=10\begin{cases} a^2 = 4 \\ 2ab = -12 \\ b^2 + 1 = 10 \end{cases}

    4. 求解并校验: 解得 {a=2b=−3\begin{cases} a = 2 \\ b = -3 \end{cases} 或 {a=−2b=3\begin{cases} a = -2 \\ b = 3 \end{cases}。

    5. 得出结论: g(x)=2x−3g(x) = 2x - 3 或 g(x)=−2x+3g(x) = -2x + 3。

  1. 核心原则:若内层函数 g(x)g(x) 是周期的,或外层与内层配合使得自变量移动一定距离后函数值重复,复合函数即具有周期性。
  2. 非线性限制:若内层 g(x)g(x) 为二次、根号或指数等非线性函数(且非周期),通常会破坏周期性。

  • 结论:若 g(x)g(x) 周期为 TgT_g,则 F(x)=f(g(x))F(x) = f(g(x)) 必为周期函数,TgT_g 一定是它的一个周期。
  • 注意:外层的对称性(如取绝对值、二次方)可能导致周期变小/折半。
场景典型示例周期分析
周期保持不变y=esin⁡xy = e^{\sin x}内层 sin⁡x\sin x 周期为 2π2\pi;外层 eue^u 无对称性。   ⟹  T=2π\implies T = 2\pi
周期折半y=∣cos⁡x∣y = \vert{}\cos x\vert{}内层 cos⁡x\cos x 周期为 2π2\pi;外层 ∣u∣\vert{}u\vert{} 将负半周折到正半轴。   ⟹  T=π\implies T = \pi
周期折半y=sin⁡2xy = \sin^2 x内层 sin⁡x\sin x 周期为 2π2\pi;外层 u2u^2 改变了正负重叠律。   ⟹  T=π\implies T = \pi

  • 结论:若外层 f(u)f(u) 周期为 TfT_f,则 F(x)=f(ωx+ϕ)F(x) = f(\omega x + \phi) 的最小正周期为:

    T=Tf∣ω∣T = \frac{T_f}{\vert{}\omega\vert{}}

场景典型示例周期计算
具体三角函数y=tan⁡(3x−π6)y = \tan\left(3x - \frac{\pi}{6}\right)外层 tan⁡u\tan u 的 Tf=πT_f = \pi,ω=3\omega = 3。   ⟹  T=π3\implies T = \frac{\pi}{3}
抽象函数g(x)=f(1−2x)g(x) = f(1 - 2x) (已知 f(x)f(x) 周期为 66)外层 Tf=6T_f = 6,ω=−2\omega = -2。   ⟹  T=6∣−2∣=3\implies T = \frac{6}{\vert{}-2\vert{}} = 3

  • 结论:自变量间隔变化不均匀(波形变密或变稀),通常不是周期函数。
典型示例图像特征与判定
y=sin⁡(x2)y = \sin(x^2)零点间隔 (k+1)π−kπ\sqrt{(k+1)\pi} - \sqrt{k\pi} 越来越小(波形越来越密集)  ⟹  \implies 非周期函数
y=cos⁡(x)y = \cos(\sqrt{x})波峰出现间隔越来越大(波形越来越稀疏)  ⟹  \implies 非周期函数

利用函数图像的对称性(对称轴、对称中心、倒数或相反数)可推导周期 TT:

抽象关系式对称性 / 几何特征最小正周期 T典型推导示例
f(x+a)=−f(x)f(x+a) = -f(x)综合对称T=2∣a∣T = 2\vert{}a\vert{}f(x+4)=−f(x)  ⟹  f(x+8)=f(x)  ⟹  T=8f(x+4) = -f(x) \implies f(x+8) = f(x) \implies T = 8
f(x+a)=1f(x)f(x+a) = \frac{1}{f(x)}倒数关系T=2∣a∣T = 2\vert{}a\vert{}f(x+2)=1f(x)  ⟹  f(x+4)=1f(x+2)=f(x)  ⟹  T=4f(x+2) = \frac{1}{f(x)} \implies f(x+4) = \frac{1}{f(x+2)} = f(x) \implies T = 4
轴 x=ax=a 与 轴 x=bx=b双对称轴T=2∣a−b∣T = 2\vert{}a - b\vert{}轴 x=1x=1 与 轴 x=3  ⟹  T=2∣3−1∣=4x=3 \implies T = 2\vert{}3-1\vert{} = 4
中心 (a,0)(a,0) 与 中心 (b,0)(b,0)双对称中心T=2∣a−b∣T = 2\vert{}a - b\vert{}中心 (1,0)(1,0) 与 中心 (4,0)  ⟹  T=2∣4−1∣=6(4,0) \implies T = 2\vert{}4-1\vert{} = 6
轴 x=ax=a 与 中心 (b,0)(b,0)一轴一中心T=4∣a−b∣T = 4\vert{}a - b\vert{}轴 x=1x=1 与 中心 (3,0)  ⟹  T=4∣3−1∣=8(3,0) \implies T = 4\vert{}3-1\vert{} = 8

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