3.10 反函数与反函数求导
你还记得在上一章中我们讨论过的对称吗?而反函数就要从对称和翻折说起。如果有一函数y=f(x),那么它的反函数就是将其图像沿着y=x这样一条斜线进行翻折后得到的图。但是这种翻折也不是绝对的,我们还需要考虑定义域等因素。所以严谨一些的说法应该是:让该函数的某一部分沿着y=x的图像进行翻折。
有的读者可能就会问:“这么折腾来折腾去,求反函数有什么意义吗?”
一般来说,反函数和原函数的自变量和因变量对调,拿第1章的例子来说,即我们可以通过缩印用了多少页纸推算出原本需要印多少页的资料。而拿本章的例子来说,即通过测量面团的近似半径来求出它的重量。因此,反函数常被用于天文学和经济学等学科的部分计算中。
如果某函数 x=f(y)注44,它在 某一段注45内是 单调的注46,并且具备可导的性质,满足f′(y)≠0。
要求f′(y)≠0的原因是,如果f′(y)=0,则说明它在此处是一条水平的线,那么经过翻折得到的反函数就一定有一段线是垂直的,而一条垂直的线的导数是没有意义的,也就是其不存在导数。既然这样导数不存在,那么我们就没有办法求它的导数了。
把x=f(y)的反函数写作y=f-1(x),我们可以这样理解:f-1表示的是f的反函数,由于自变量和因变量的位置需要交换,所以就写成了y=f-1(x)。
按照之前学过的求极限的方法,我们在该函数的指定区间内,任取不重合的两点——x和x+Δx。因为我们事先规定过x=f(y)在这一段中是单调的,那么我们就可以推出,经过翻折后得到的反函数y=f-1(x)在同一段中也是单调的。既然它是单调的,那么则有:
Δy=f-1(x+Δx)-f-1(x)且Δy≠0
于是就有:
由于y=f-1(x)是可以求导的,那么根据导数存在的准则(将在第4章详细介绍),它一定是连续的,所以会有:
即:
综上所述,我们可以把结论归纳为:反函数的导数等于原函数的导数的倒数。