函数 f 和 g 的定义为 对于 x∈Rx \in \mathbb{R} 且 x≠3x \ne 3,f:x↦1x−3f : x \mapsto \dfrac{1}{x-3}, 对于 x∈Rx \in \mathbb{R},g:x↦x2g : x \mapsto x^{2}。 (i) 复合函数 fg 和 gf 中只有一个存在。给出存在的那个复合函数的定义(包括定义域),并解释为什么另一个复合函数不存在。 (ii) 求 f−1(x)f^{-1}(x) 并写出 f−1f^{-1} 的定义域。

  1. (i)

    复合函数 fg 和 gf 中只有一个存在。给出存在的那个复合函数的定义(包括定义域),并解释为什么另一个复合函数不存在。

  2. (ii)

    求 f−1(x)f^{-1}(x) 并写出 f−1f^{-1} 的定义域。

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完整解法

3(i)

1. Determine that gf exists, evaluate its definition, and state its domain.

For gf\text{gf} to exist, we require the range of f (RfR_f) to be a subset of the domain of g (DgD_g).
Since Dg=RD_g = \mathbb{R}, Rf⊆DgR_f \subseteq D_g is satisfied, so gf\text{gf} exists.
gf(x)=g(f(x))=g(1x−3)=(1x−3)2=1(x−3)2\text{gf}(x) = \text{g}(\text{f}(x)) = \text{g}\left(\dfrac{1}{x-3}\right) = \left(\dfrac{1}{x-3}\right)^2 = \dfrac{1}{(x-3)^2}
The domain of gf\text{gf} is the same as the domain of the inner function f\text{f}, so the domain is x∈R,x≠3x \in \mathbb{R}, x \ne 3.

2. Explain why the composite function fg does not exist.

For fg\text{fg} to exist, we require the range of g to be a subset of the domain of f (Rg⊆DfR_g \subseteq D_f).
Domain of f: Df={x∈R:x≠3}D_f = \{x \in \mathbb{R} : x \ne 3\}
Range of g: Rg=[0,∞)R_g = [0, \infty)
Since 3∈Rg3 \in R_g but 3∉Df3 \notin D_f, Rg⊈DfR_g \not\subseteq D_f. Therefore, the composite function fg\text{fg} does not exist.

答案

gf:x↦1(x−3)2\text{gf} : x \mapsto \dfrac{1}{(x-3)^2} for x∈Rx \in \mathbb{R}, x≠3x \ne 3.
fg\text{fg} does not exist because the range of g (Rg=[0,∞)R_g = [0, \infty)) is not a subset of the domain of f (x≠3x \ne 3).

3(ii)

1. Set $y = f(x)$ and rearrange to make $x$ the subject.

Let y=1x−3y = \dfrac{1}{x-3}.
y(x−3)=1y(x-3) = 1
xy−3y=1xy - 3y = 1
xy=3y+1xy = 3y + 1
x=3y+1yx = \dfrac{3y + 1}{y}

2. Express the inverse function in terms of $x$.

f−1(x)=3x+1xor1x+3f^{-1}(x) = \dfrac{3x+1}{x} \quad \text{or} \quad \dfrac{1}{x} + 3

3. Determine the domain of the inverse function by finding the range of $f$.

The domain of f−1f^{-1} is the range of ff.
For f(x)=1x−3f(x) = \dfrac{1}{x-3}, the numerator is a non-zero constant (11), so f(x)f(x) can never be 00.
Therefore, the range of ff is f(x)≠0f(x) \ne 0.
Hence, the domain of f−1f^{-1} is x∈R,x≠0x \in \mathbb{R}, x \ne 0.

答案

f−1(x)=3x+1xf^{-1}(x) = \dfrac{3x+1}{x} (or 1x+3\dfrac{1}{x} + 3), domain is x∈R,x≠0x \in \mathbb{R}, x \ne 0

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