求反函数是考研数学中的重要内容,以下是系统化的解题步骤和注意事项:
一、基本步骤
检查单调性
函数必须是单调的(严格单调递增或递减)才能存在反函数。若函数不单调,则反函数不存在。
交换变量
将原函数 $y = f(x)$ 中的 $x$ 和 $y$ 互换,得到新方程 $x = f(y)$。
解出 $y$
通过代数运算解出 $y$ 关于 $x$ 的表达式。例如:
对于 $y = \sqrt{1 - x}$,互换后得 $x = \sqrt{1 - y}$,平方后解得 $y = 1 - x^2$。
对于线性函数 $y = ax + b$,直接解得 $y = \frac{x - b}{a}$。
确定定义域
反函数的定义域是原函数的值域,值域是原函数的定义域。例如:
$y = \sqrt{1 - x}$ 的值域为 $[0, +\infty)$,所以反函数 $y = 1 - x^2$ 的定义域为 $[0, +\infty)$。
验证反函数
将反函数代入原函数,验证是否满足 $f(f^{-1}(x)) = x$。例如:
反函数 $y = \sqrt{x}$ 代入原函数 $y = \sqrt{1 - x}$,得 $\sqrt{x} = \sqrt{1 - \sqrt{x}}$,在 $x \geq 0$ 时成立。
二、注意事项
多值函数处理
若原函数存在多值(如 $y = x^2$),需限定定义域使其单调(如 $y \geq 0$),再求反函数。
几何意义
原函数与反函数的图像关于直线 $y = x$ 对称,这一性质可辅助验证。
导数关系
若原函数可导且导数不为零,则反函数也可导,且 $(f^{-1})'(x) = \frac{1}{f'(y)}$。
三、典型例题
求 $y = \ln(x + 1)$ 的反函数
1. 交换变量:$x = \ln(y + 1)$
2. 解出 $y$:$e^x = y + 1 \Rightarrow y = e^x - 1$
3. 确定定义域:原函数值域为 $R$,所以反函数定义域为 $R$
4. 最终反函数:$y = e^x - 1$
通过以上步骤和注意事项,系统地求解反函数问题。若遇到复杂函数,可结合图像分析单调性,或通过导数判断可导性。