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数学
题目

设 y = f(x) = ln(x + sqrt(1 + x^2)).(1) 判断函数的奇偶性;(2) 求函数的反函数.

设 $y = f(x) = \ln(x + \sqrt{1 + x^2})$. (1) 判断函数的奇偶性; (2) 求函数的反函数.

题目解答

答案

我们来逐步解决这个题目。

已知函数:
$y = f(x) = \ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right)$

(1) 判断函数的奇偶性

我们要判断 $ f(-x) $ 与 $ f(x) $ 的关系,来确定函数是奇函数、偶函数,还是非奇非偶。

先计算 $ f(-x) $:

$f(-x) = \ln\left(-x + \sqrt{1 + (-x)^2}\right) = \ln\left(-x + \sqrt{1 + x^2}\right)$

现在我们考虑 $ f(-x) $ 与 $ f(x) $ 的关系。

我们尝试计算 $ f(x) + f(-x) $:

$f(x) + f(-x) = \ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right) + \ln\left(-x + \sqrt{1 + x^2}\right)$

利用对数的性质 $ \ln a + \ln b = \ln(ab) $,得:

$= \ln\left[\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right)\left(-x + \sqrt{1 + x^2}\right)\right]$

这是一个平方差公式:

$= \ln\left[ (\sqrt{1 + x^2})^2 - x^2 \right] = \ln\left[ (1 + x^2) - x^2 \right] = \ln(1) = 0$

所以:
$f(x) + f(-x) = 0 \quad \Rightarrow \quad f(-x) = -f(x)$

因此,函数 $ f(x) $ 是奇函数。

(2) 求函数的反函数

我们要求 $ y = f(x) = \ln(x + \sqrt{1 + x^2}) $ 的反函数。

即:解出 $ x $ 关于 $ y $ 的表达式,然后交换 $ x $ 和 $ y $。

从:
$y = \ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right)$

两边取指数,消去对数:

$e^y = x + \sqrt{1 + x^2}$

我们现在要从这个方程中解出 $ x $。

记:
$e^y = x + \sqrt{1 + x^2} \quad \text{(1)}$

我们考虑构造一个共轭式。注意到:
$\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right)\left(-x + \sqrt{1 + x^2}\right) = 1 \quad \text{(之前已经算过)}$

所以:
$\text{共轭式} = \sqrt{1 + x^2} - x = \frac{1}{x + \sqrt{1 + x^2}} = \frac{1}{e^y} = e^{-y}$

即:
$\sqrt{1 + x^2} - x = e^{-y} \quad \text{(2)}$

现在我们有:

  • (1)式:$ x + \sqrt{1 + x^2} = e^y $
  • (2)式:$ -x + \sqrt{1 + x^2} = e^{-y} $

将(1)和(2)相加:

$(x + \sqrt{1 + x^2}) + (-x + \sqrt{1 + x^2}) = e^y + e^{-y} \Rightarrow 2\sqrt{1 + x^2} = e^y + e^{-y} \Rightarrow \sqrt{1 + x^2} = \frac{e^y + e^{-y}}{2} = \cosh y$

但我们更关心 $ x $,所以用(1)减(2):

$(x + \sqrt{1 + x^2}) - (-x + \sqrt{1 + x^2}) = e^y - e^{-y} \Rightarrow 2x = e^y - e^{-y} \Rightarrow x = \frac{e^y - e^{-y}}{2} = \sinh y$

所以:
$x = \sinh y$

即:
$y = f(x) \Rightarrow x = \sinh y \Rightarrow y = \sinh^{-1} x$

所以反函数是:
$f^{-1}(x) = \sinh^{-1} x = \frac{e^x - e^{-x}}{2} \quad \text{?不对!}$

注意:我们得到的是 $ x = \sinh y $,即 $ y = \sinh^{-1} x $,所以反函数是:

$f^{-1}(x) = \sinh^{-1}(x)$

但我们也可以写出显式表达式。

从上面我们有:
$x = \frac{e^y - e^{-y}}{2} \quad \text{但这不是我们要的}$

我们要的是:已知 $ y = f(x) $,反函数是 $ x = f^{-1}(y) $,即:

$x = \frac{e^y - e^{-y}}{2} \Rightarrow f^{-1}(y) = \frac{e^y - e^{-y}}{2}$

所以把变量换回来,反函数为:

$f^{-1}(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2}$

也就是:
$f^{-1}(x) = \sinh x$

结论:

(1) 函数 $ f(x) $ 是 奇函数。

(2) 反函数是 $ f^{-1}(x) = \dfrac{e^x - e^{-x}}{2} $,即双曲正弦函数 $ \sinh x $。

最终答案:

(1) 函数 $ f(x) $ 是奇函数。

(2) 反函数为:
$f^{-1}(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2}$

即:
$\boxed{ \begin{aligned}&\text{(1) } f(x) \text{ 是奇函数} \\&\text{(2) } f^{-1}(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2}\end{aligned} }$

解析

奇偶性判断的关键在于验证$f(-x)$与$f(x)$的关系。通过计算$f(-x)$并结合对数运算性质,发现$f(x) + f(-x) = 0$,从而得出奇函数的结论。

反函数求解的核心是将原函数表达式中的$x$用$y$表示,再交换变量。通过构造共轭式并利用双曲函数的定义,可将方程转化为显式表达式。

第(1)题:判断奇偶性

计算$f(-x)$

$f(-x) = \ln\left(-x + \sqrt{1 + x^2}\right)$

分析$f(x) + f(-x)$

$\begin{aligned}f(x) + f(-x) &= \ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right) + \ln\left(-x + \sqrt{1 + x^2}\right) \\&= \ln\left[(x + \sqrt{1 + x^2})(-x + \sqrt{1 + x^2})\right] \\&= \ln\left[(\sqrt{1 + x^2})^2 - x^2\right] \\&= \ln(1) = 0\end{aligned}$

结论

$f(-x) = -f(x) \quad \Rightarrow \quad f(x) \text{是奇函数}$

第(2)题:求反函数

从原式出发

$y = \ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right)$

消去对数

$e^y = x + \sqrt{1 + x^2} \quad \text{(1)}$

构造共轭式

$\sqrt{1 + x^2} - x = e^{-y} \quad \text{(2)}$

联立方程求解

  • 相加(1)和(2):
    $2\sqrt{1 + x^2} = e^y + e^{-y} \quad \Rightarrow \quad \sqrt{1 + x^2} = \frac{e^y + e^{-y}}{2}$
  • 相减(1)和(2):
    $2x = e^y - e^{-y} \quad \Rightarrow \quad x = \frac{e^y - e^{-y}}{2}$

得出反函数

$f^{-1}(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2} = \sinh x$

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