요약
이 수업은 함수를 연산의 대상으로 다룬다. 실함수의 합, 곱, 몫, 합성을 그 정의역과 함께 정의하고, 합성이 교환법칙을 만족하지 않음을 보인다. 집합, 관계, 함수 수업에서 합성의 결합성, 단사성, 역함수 정리를 가져오고, 실함수에 고유한 내용을 덧붙인다. 곧 합성의 정의역, 단조함수, 엄격하게 단조인 함수의 역함수, 변수에 대하여 풀고 정의역을 제한하여 역함수를 구하는 방법, 그리고 역함수의 그래프인데, 이것은 원래 그래프를 직선 에 대하여 대칭이동한 것이다. 이어서 우함수와 기함수, 그래프의 평행이동, 확대와 축소, 대칭이동, 구간별로 정의된 함수와 절댓값을 포함하는 함수를 다룬다.
학습 목표
- 함수를 더하고, 곱하고, 나누고, 합성하며, 연산에 쓰인 함수들의 정의역으로부터 각 결과의 정의역을 구한다.
- 함수가 단사, 전사, 전단사인지 판정하고, 필요하면 정의역을 제한하여 역함수를 구한다.
- 그래프의 대칭성을 알아본다. 곧 세로축에 대한 대칭, 원점에 대한 대칭, 직선 에 대한 대칭이다.
- 평행이동, 확대와 축소, 대칭이동, 절댓값을 이용하여 한 함수의 그래프로부터 다른 함수의 그래프를 얻되, 그것들을 적용하는 순서를 지킨다.
- 함수의 연산과 역함수를 응용 문제에서 해석한다. 예를 들어 렌즈 공식에서는 역함수가 물체와 상의 역할을 맞바꾼다.
함수의 연산
대수 함수 수업에서 함수는 정의역의 각 원소에 정확히 하나의 상을 대응시키는 규칙으로 정의되었고, 대수 함수가 변수로부터 합, 곱, 몫, 거듭제곱근을 통해 만들어진다는 것을 보았다. 이 연산들은 함수 사이의 연산으로 이해할 수 있다. 두 함수는 점마다 더하고, 곱하고, 나눌 수 있으며, 한 함수를 다른 함수의 결과에 적용할 수도 있다. 그렇다면 복잡한 함수는 더 간단한 함수들로 분해하여 연구할 수 있다.
와 를 실변수 실함수라 하자. 그 합 , 차 , 곱 는 각 에 상들의 합, 차, 곱을 각각 대응시키는 함수이고, 몫 는 각 에 상들의 몫을 대응시킨다.
이 식들이 의미를 가지려면 는 두 정의역 모두에 속해야 한다. 몫에서는 또한 상 가 영이 되어서는 안 된다. 이로부터 연산들의 정의역이 나온다.
차의 정의역과 곱의 정의역은 합의 정의역과 같고, 함수와 수 의 곱은 상수함수 와의 곱이며, 그 정의역은 이다. 그러나 연산의 정의역은 연산에 쓰인 함수들로부터 정해지는 것이지, 간단히 한 뒤에 얻은 식으로부터 정해지는 것이 아니다. 이고 이면, 몫은 그 정의역 전체에서 과 일치하지만, 그 정의역은 수 을 포함하지 않는다. 이기 때문이다. 몫의 그래프는 직선 에서 점 를 뺀 것이다. 마찬가지로 이고 이면, 합은 에서만 정의되며, 이것은 두 정의역의 유일한 공통점이다. 첫 번째 예처럼 제외되는 점은 부호표와 부등식 수업에서 제거 가능한 점이라 불리게 되고, 그래프에 미치는 영향은 유리함수 수업에서 연구된다.
함수의 합성
함수 사이의 가장 중요한 연산은 수 사이에는 비슷한 것이 없다. 그것은 한 함수를 다른 함수의 결과에 적용하는 것이다. 와 의 합성은 로 나타내고 「와 의 합성」이라고 읽으며, 먼저 를, 이어서 를 적용하는 함수이다.
두 기계를 이어 놓은 것으로 생각할 수 있다. 가 에 들어가 가 나오고, 그 수가 에 들어가 가 나온다. 이 연결이 작동하려면 가 의 정의역에 속하고, 그 상이 의 정의역에 속해야 한다.
순서에 주의하라. 에서는 오른쪽에 쓰인 함수가 먼저 작용한다. 대수 함수는 더 간단한 함수들의 합성이다. 예를 들어 는 제곱근과 의 합성이며, 이 구조를 알아보는 것이 그 정의역을 구하는 열쇠이다.
, 라 하자. 함수 와 를 그 정의역과 함께 구하고 비교하라. 그림은 각 합성을 세 수직선 위의 경로로 나타낸다. 곧 의 수직선, 첫 번째 상의 수직선, 두 번째 상의 수직선이다.
증명
의 정의역은 이고, 의 정의역은 음이 아닌 실수들로 이루어진다. 를 계산하려면 상 가 음이 아니어야 한다. 그것을 음으로 만드는 의 값, 예를 들어 는 두 번째 기계를 통과하지 못한다.
제곱의 차를 인수분해한다. 곱의 부호에 관한 보조정리에 의해 두 인수는 모두 음이 아니어야 한다. 둘 다 음이려면 과 이 동시에 성립해야 하기 때문이다.
에 대해서는 수 가 의 정의역에 속해야 하고, 는 언제나 의 정의역에 속한다. 간단히 하면 식에서 근호의 흔적이 사라지지만, 정의역은 그것을 간직한다.
두 합성은 서로 다른 함수이다. 정의역이 다르고, 둘 다에 공통인 같은 점, 예를 들어 에서 서로 다른 값을 가진다. 따라서 합성은 교환법칙을 만족하지 않는다.
합성은 교환법칙을 만족하지 않지만 결합법칙은 만족한다. 세 함수를 잇달아 적용할 때 앞의 두 함수를 먼저 묶든 뒤의 두 함수를 먼저 묶든 결과는 같다. 주어진 집합 사이의 함수에 대해서는 첫 번째 단원의 집합, 관계, 함수 수업에서 증명되었다. 실함수에 고유한 것은 정의역뿐이며, 여기서 정의역은 미리 선언되는 것이 아니라 식으로부터 유도된다. 그런데 합성의 정의역의 정의를 두 번 적용하면, 수 가 의 정의역에 속하는 것은 그것이 의 정의역에 속하고, 그 상 가 의 정의역에 속하며, 가 의 정의역에 속할 때이고, 또 그때뿐이다. 그리고 에 대해서도 같은 조건이 나온다. 이 공통의 정의역으로 제한하면 잇달아 적용되는 함수들은 집합 사이의 함수이고, 그 수업의 정리는 두 경우 모두 값 를 준다. 그래서 간단히 로 쓴다.
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