武林秘籍

函数三要素之值域篇

内功心法总纲

值域一道,如炼气成道:定义域为炼气之源,对应法则为运功之法,二者相济方能窥得 y 值真境。此心法分三重境界,需循序渐进打磨功力,切不可急于求成,否则易陷 "邪修"甚至"走火入魔" 之险。

第一重境界:寻源・固本培元,明值域之根

"无,名天地之始;有,名万物之母。"

定义域乃值域本源,如同炼气者必先寻得灵脉,求值域者必先锁定 x 之疆域,再随基础函数之性游走。

线性灵脉:一次函数的 "直贯气脉"

例题1

已知\( f(x) = 3x + 1 \),\( x \in \{ x \mid -1 \leq x \leq 1, x \in \mathbb{Z} \} \),求值域。

解答:定义域为\( \{-1, 0, 1\} \),代入得\( f(-1) = -2 \),\( f(0) = 1 \),\( f(1) = 4 \),故值域为\( \{-2, 1, 4\} \)。

通法

已知\( f(x) = kx + b \)(\( k \neq 0 \)),\( x \in [m, n] \),求值域:

  • 若\( k > 0 \),函数单调递增,值域为\( [km + b, kn + b] \)
  • 若\( k < 0 \),函数单调递减,值域为\( [kn + b, km + b] \)

反比例灵脉:双曲线的 "回旋气脉"

反比例函数\( f(x) = \frac{k}{x} \)(\( k \neq 0 \))如漩涡灵脉,气脉绕原点回旋,定义域断点处气脉断裂。

例题2

已知\( f(x) = \frac{k}{x} \)(\( k > 0 \)),分情况求值域:

  1. \( x \in [1, 2] \):函数单调递减,值域为\( \left[ \frac{k}{2}, k \right] \)
  2. \( x \in [-2, -1] \):函数单调递减,值域为\( \left[ -k, -\frac{k}{2} \right] \)
  3. \( x \in \{ x \mid -3 < x < 1 \text{ 且 } x \neq 0 \} \):值域为\( (-\infty, -\frac{k}{3}) \cup (k, +\infty) \)
  4. \( x \in \mathbb{R} \):值域为\( (-\infty, 0) \cup (0, +\infty) \)

抛物线灵脉:二次函数的 "聚气气脉"

二次函数\( f(x) = ax^2 + bx + c \)(\( a \neq 0 \))如拱顶灵穴,气脉聚于顶点。

例题3

已知\( f(x) = x^2 - 2x - 3 \),分情况求值域:

  1. \( x \in [-2, 0] \):对称轴\( x = 1 \),区间内函数单调递减,值域为\( [-3, 5] \)
  2. \( x \in [2, 3] \):对称轴\( x = 1 \),区间内函数单调递增,值域为\( [-3, 0] \)
  3. \( x \in [-2, 2] \):对称轴\( x = 1 \),区间内函数先减后增,值域为\( [-4, 5] \)
  4. \( x \in [-2, t] \):需分\( t < 1 \)、\( 1 \leq t \leq 4 \)、\( t > 4 \)讨论(结合对称轴与区间的位置)
进阶:含参数的二次函数值域

求\( y = x^2 - 2ax - 1 \)在区间\( [0, 2] \)上的最小值。

解答:对称轴为\( x = a \),分三类讨论:

  • 当\( a < 0 \)时,函数在\( [0, 2] \)上递增,\( y_{\text{min}} = f(0) = -1 \)
  • 当\( 0 \leq a \leq 2 \)时,函数在\( [0, a] \)递减、\( [a, 2] \)递增,\( y_{\text{min}} = f(a) = -1 - a^2 \)
  • 当\( a > 2 \)时,函数在\( [0, 2] \)上递减,\( y_{\text{min}} = f(2) = 3 - 4a \)

新组合灵脉:分段函数"合璧气脉"

分段函数是"多气脉组合",各段值域聚集,取并集为整体值域。

例题4

已知\( f(x) = \begin{cases} x + 2 & -2 \leq x \leq -1 \\ x^2 & -1 < x < 2 \\ 5 - \frac{1}{2}x & 2 \leq x \leq 3 \end{cases} \),求值域。

解答:

  • 第一段\( x \in [-2, -1] \):\( f(x) \in [0, 1] \)
  • 第二段\( x \in (-1, 2) \):\( f(x) \in [0, 4) \)
  • 第三段\( x \in [2, 3] \):\( f(x) \in \left[ \frac{7}{2}, 4 \right] \)
  • 合并值域:\( [0, 4] \)

第二重境界:提炼・通经活络,掌值域之法

"道可道,非常道;名可名,非常名。"

基础气脉熟稔后,需提炼运功法门,让气脉沿固定路径攀升,终从 y 值之口流出。

配方通脉法:二次函数的 "聚气诀"

方法说明

适用于二次函数或可化为二次型的函数,通过配方锁定气脉聚点(顶点):

步骤:先配方\( f(x) = a(x - h)^2 + k \),再结合定义域判断顶点位置,确定气脉边界。

例题5

\( f(x) = \sqrt{x^2 - 2x + 3} = \sqrt{(x - 1)^2 + 2} \),气脉聚于\( (1, 2) \),最小值为\( \sqrt{2} \),值域\( [\sqrt{2}, +\infty) \)。

思考题

如变为\( f(x) = \sqrt{x^2 - 2x - 3} \),求\( f(x) \)值域呢?

深度思考

已知\( f(x) = \sqrt{x^2 - ax + 2} \)的值域为\( [0, +\infty) \),求\( a \)的范围。

分离固脉法:分式函数的 "分流诀"

方法说明

形如\( y = \frac{ax + b}{cx + d} \)的函数,如同分叉气脉,需分离常数让主脉清晰:

变形:\( y = \frac{a}{c} + \frac{bc - ad}{c(cx + d)} \),分式部分气脉不为零,故值域剔除常数项。

例题6

求\( y = \frac{3x + 2}{x - 1} \)的值域。

解答:分离常数得\( y = 3 + \frac{5}{x - 1} \)。

因\( \frac{5}{x - 1} \neq 0 \),故\( y \neq 3 \),值域为\( (-\infty, 3) \cup (3, +\infty) \)。

单调循脉法:增减函数的 "顺流诀"

方法说明

若函数在定义域内单调,气脉沿固定方向流动,端点即为气脉极值点。

例题7

\( y = \sqrt{x - 1} - \sqrt{3 - x} \)

解答:定义域\( [1, 3] \),\( \sqrt{x - 1} \)升、\( \sqrt{3 - x} \)降,气脉整体攀升,值域\( [-\sqrt{2}, \sqrt{2}] \)。

第三重境界:化转・转脉换形,破复杂之局

"一生二,二生三,三生万物。"

复杂函数如交错脉网,需以换元为 "转脉符",将杂乱气脉转为熟悉路径。

行功线路图:\( x \stackrel{t = m(x)}{\to} t \stackrel{y = u(t)}{\to} y \),线路贯通。(这非一日之功!)

换元转脉术

核心法门

遇含根式的函数,令根式为新元 t,褪去 "根式障",化为二次或一次函数。

例题

\( y = x + \sqrt{2x - 1} \)

解答:令\( t = \sqrt{2x - 1} \)(\( t \geq 0 \)),则\( x = \frac{t^2 + 1}{2} \),

气脉转为\( y = \frac{1}{2}t^2 + t + \frac{1}{2} \),开口向上,在\( t \geq 0 \)时,最小值\( \frac{1}{2} \),

值域\( [\frac{1}{2}, +\infty) \)。

练习

求\( y = \frac{2\sqrt{x} - 6}{\sqrt{x} + 2} \)的值域。

提示:

第1步令\( t = \sqrt{x} \)

x 范围\( x \geq 0 \implies t \)范围\( t \geq 0 \)

第2步 \( y = \frac{2t - 6}{t + 2} \),\( t \geq 0 \)

第3步\(t \geq 0 \implies y \)范围

?看不出来,怎么办?(借助于图)

奇经八脉:特殊法门补全功

判别式脉:分式二次函数的 "断脉镜"

方法说明

形如\( y = \frac{ax^2 + bx + c}{dx^2 + ex + f} \)(分母无零点),将其化为关于 x 的二次方程,方程有解则判别式\( \Delta \geq 0 \),如同以镜照脉,锁定 y 的边界。

例题8

\( y = \frac{x^2 - 2x - 1}{x^2} \)值域

解答:整理为\( (y - 1)x^2 + 2x + 1 = 0 \),

\( \Delta = 4 - 4(y - 1) \geq 0 \),

解得\( y \leq 2 \),结合\( x \neq 0 \),值域\( (-\infty, 2] \)。

另解

它的本质是:

\( y = 1 - \frac{2}{x} - \frac{1}{x^2} \)

令\( \frac{1}{x} = t \),\( \therefore t \neq 0 \),转化为\( y = -t^2 - 2t + 1 \),\( t \neq 0 \)

思考题

若是\( y = \frac{1}{x^2 - 2x + 1} \)呢?

反解固脉法:含分式的 "逆推诀"

方法说明

对\( y = \frac{ax + b}{cx + d} \),反解 x 为 y 的表达式,利用定义域限制 y 的范围。

例题9

\( y = \frac{2\sqrt{x} - 6}{\sqrt{x} + 2} \)的值域。

解答:反解\(\sqrt{x}= \frac{2y +6}{2 - y} \geq 0\),解得值域\(\left[ -3, 2 \right)\)。

心法总诀

寻源先定 x 疆域,基础函数辨脉形;
提炼法门通经络,配方分离单调行;
化转换元破迷局,x到t到y 路分明;
奇经八脉补疏漏,判别反解定乾坤。
                        

注:练此心法,需常以例题磨手,每解一题必验定义域,每换一元必明 t 范围,如此方能功力日深,求值域如探囊取物。