ریاضی و آمار مقدماتی استخدامی

بخش ریاضی: تابع، دامنه و برد، وارون، ترکیب توابع، نمودار، توابع نمایی و لگاریتمی

دامنه این درسنامه: مطالب فعلی مربوط به بخش ریاضی و مبحث توابع است. مباحث آمار مقدماتی پس از آماده‌شدن منابع همان بخش، جداگانه به درس افزوده می‌شود.
۱. تعریف تابع و روش تشخیص آن

تابع از مجموعه A به مجموعه B رابطه‌ای است که به هر عضو دامنه، دقیقاً یک عضو از مجموعه مقصد نسبت می‌دهد. در نمادگذاری زیر، x ورودی و f(x) خروجی تابع است.

f : A → B    ,    y = f(x)

آزمون خط عمودی

اگر هر خط عمودی نمودار را حداکثر در یک نقطه قطع کند، نمودار یک تابع است. اگر خطی عمودی آن را در بیش از یک نقطه قطع کند، آن رابطه تابع نیست.

تساوی دو تابع

دو تابع زمانی برابرند که دامنه‌هایشان یکسان باشد و برای هر ورودی مشترک، خروجی یکسان تولید کنند.

f = g ⇔ Df = Dg   and   f(x)=g(x)

تقاطع با محورهای مختصات

  • برای تقاطع با محور x، معادله f(x)=0 را حل کنید.
  • برای تقاطع با محور y، مقدار f(0) را به‌دست آورید.

توابع پرکاربرد

نوع تابع فرم کلی
ثابت f(x)=c
همانی f(x)=x
خطی f(x)=ax+b
گویا نسبت دو چندجمله‌ای
چندضابطه‌ای ضابطه‌های متفاوت در بازه‌های مختلف
۲. دامنه و برد تابع

دامنه مجموعه ورودی‌های مجاز و برد مجموعه خروجی‌های ممکن تابع است.

قواعد تعیین دامنه

  • در تابع گویا، مخرج نباید صفر شود.
  • عبارت زیر رادیکال با فرجه زوج باید نامنفی باشد.
  • عبارت داخل لگاریتم باید مثبت باشد؛ پایه لگاریتم نیز مثبت و نابرابر با ۱ است.
g(x) ≠ 0    |    √[2n]{h(x)} : h(x) ≥ 0    |    logah(x) : h(x)>0, a>0, a≠1
نکته: برد توابع سینوس و کسینوس برابر [-1,1] است.

برای تابع کسری خطی زیر، به شرط c≠0 و ad−bc≠0 داریم:

f(x)=(ax+b)/(cx+d) ⇒ D=ℝ∖{−d/c} , R=ℝ∖{a/c}
اگر ad−bc=0 باشد، صورت و مخرج متناسب‌اند و تابع روی دامنه خود ثابت می‌شود؛ بنابراین فرمول برد بالا دیگر معتبر نیست.
-√(a²+b²) ≤ a sin x + b cos x ≤ √(a²+b²)
۳. تابع یک‌به‌یک

تابع یک‌به‌یک به ورودی‌های متفاوت، خروجی‌های متفاوت می‌دهد؛ یعنی هر خروجی حداکثر به یک ورودی تعلق دارد.

f(x₁)=f(x₂) ⇒ x₁=x₂

آزمون خط افقی

اگر هر خط افقی نمودار را حداکثر در یک نقطه قطع کند، تابع یک‌به‌یک است.

  • xn با توان فرد روی اعداد حقیقی یک‌به‌یک است.
  • xn با توان زوج روی کل اعداد حقیقی یک‌به‌یک نیست، مگر دامنه محدود شود.
  • توابع قدرمطلق، سینوس و کسینوس در دامنه طبیعی خود یک‌به‌یک نیستند و برای تعریف وارون باید دامنه آن‌ها محدود شود.
۴. تابع وارون

هر تابع یک‌به‌یک، اگر مجموعه مقصد آن را برابر برد تابع در نظر بگیریم، دارای تابع وارون است. اگر تابع را از A به B تعریف کرده باشیم، برای داشتن وارون روی تمام B باید تابع علاوه بر یک‌به‌یک بودن، پوشا نیز باشد. نمودار تابع و وارون آن نسبت به خط y=x قرینه‌اند.

روش یافتن وارون

  1. y=f(x) را بنویسید.
  2. جای x و y را عوض کنید.
  3. معادله را برای y حل کنید.
D(f−1) = R(f)    ,    R(f−1) = D(f)
f−1(f(x))=x   for x∈D(f)
f(f−1(y))=y   for y∈R(f)
اگر تابع یک‌به‌یک نباشد، پیش از وارون‌گیری باید دامنه آن را به بخشی محدود کنیم که تابع در آن یک‌به‌یک باشد؛ مانند تابع درجه‌دو روی نیم‌خط مثبت یا منفی.
۵. اعمال روی توابع و ترکیب تابع‌ها
(f±g)(x)=f(x)±g(x)   ;   (fg)(x)=f(x)g(x)
(f/g)(x)=f(x)/g(x)   ,   g(x)≠0

دامنه جمع، تفریق و ضرب، اشتراک دامنه دو تابع است. در تقسیم، صفرهای تابع مخرج نیز باید حذف شوند.

ترکیب توابع

(f∘g)(x)=f(g(x))

برای مجاز بودن ترکیب، ابتدا باید x∈Dg و سپس g(x)∈Df باشد. ترتیب در ترکیب مهم است و معمولاً f∘g ≠ g∘f.

(g∘f)−1 = f−1∘g−1
۶. توابع چندجمله‌ای و درجه‌دو و سه

تابع چندجمله‌ای از مجموع جمله‌هایی با توان‌های صحیح نامنفی ساخته می‌شود.

P(x)=anxn+…+a1x+a0

تابع y=x³ فرد و نسبت به مبدأ متقارن است؛ دامنه و برد آن کل اعداد حقیقی بوده و وارون آن ریشه سوم است. تابع y=x² زوج و نسبت به محور y متقارن است.

تکمیل مربع

ax²+bx+c = a(x + b/(2a))² + c − b²/(4a)

پس رأس سهمی برابر است با:

V(−b/(2a) , c−b²/(4a))
۷. تبدیلات نمودار تابع
ضابطه جدید اثر روی نمودار
y=f(x)+d انتقال عمودی به اندازه d
y=f(x−h) اگر h>0 باشد، انتقال به راست به اندازه h؛ و اگر h<0 باشد، انتقال به چپ به اندازه |h|
y=a f(x) کشیدگی عمودی با ضریب |a|؛ اگر a منفی باشد قرینه نسبت به محور x
y=f(bx) تغییر مقیاس افقی با ضریب 1/|b|
y=f(−x) قرینه نسبت به محور y
y=|f(x)| بخش‌های زیر محور x به بالا منعکس می‌شوند
y=f(bx+c), b≠0 : center = −c/b , horizontal scale = 1/|b|
اگر b<0 باشد، علاوه بر تغییر مقیاس افقی، قرینگی افقی نسبت به محور y نیز رخ می‌دهد.
y=a f(x)+d : vertical scale = |a| , vertical shift = d
۸. توابع صعودی و نزولی

اگر با افزایش ورودی، خروجی نیز افزایش یابد تابع اکیداً صعودی و اگر خروجی کاهش یابد تابع اکیداً نزولی است. تعریف‌ها و نتایج زیر باید روی بازه‌ای در نظر گرفته شوند که تابع و ترکیب توابع در آن تعریف‌شده باشند.

x₁<x₂ ⇒ f(x₁)<f(x₂)   (increasing)
x₁<x₂ ⇒ f(x₁)>f(x₂)   (decreasing)
ترکیب نتیجه
صعودی با صعودی صعودی
نزولی با نزولی صعودی
صعودی با نزولی نزولی
نزولی با صعودی نزولی

وارون یک تابع اکیداً صعودی، اکیداً صعودی و وارون یک تابع اکیداً نزولی، اکیداً نزولی است.

۹. توابع نمایی و لگاریتمی

تابع نمایی

f(x)=ax   ,   a>0 , a≠1

دامنه تابع نمایی ℝ و برد آن اعداد مثبت است. اگر a>1 باشد تابع صعودی و اگر 0<a<1 باشد نزولی است. در تابع abx+c+d، مجانب افقی y=d است.

تابع لگاریتمی

لگاریتم وارون تابع نمایی است. دامنه آن اعداد مثبت و برد آن ℝ است؛ جهت یکنواختی آن نیز به پایه بستگی دارد.

y=logax ⇔ ay=x

قوانین لگاریتم

در قوانین زیر باید x>0 و y>0 باشد. تمام پایه‌های لگاریتم نیز باید مثبت و نابرابر با ۱ باشند.
loga(xy)=logax+logay
loga(x/y)=logax−logay
loga(xm)=m logax   ;   loga(√[n]{x})=(1/n)logax
logba = logca / logcb   ;   logab = 1/logba

در فرمول تغییر پایه، علاوه بر مثبت بودن a و b، پایه‌های b و c باید نابرابر با ۱ باشند.

logba · logcb = logca
alogab=b   ;   loga(ab)=b

حل معادله و نامعادله

ابتدا شرط مثبت بودن تمام عبارت‌های داخل لگاریتم را بنویسید، سپس عبارت‌ها را با قوانین بالا ترکیب کنید. در نامعادله‌های لگاریتمی، اگر پایه بزرگ‌تر از ۱ باشد جهت نامساوی حفظ می‌شود و اگر پایه بین صفر و ۱ باشد جهت آن معکوس می‌شود.

یادآوری: پاسخ نهایی هر معادله لگاریتمی باید دوباره در شرط دامنه بررسی شود؛ ریشه نامعتبر حذف می‌شود.

آزمون درس ریاضی

پس از مرور درسنامه، برای سنجش یادگیری خود به پرسش‌های زیر پاسخ دهید.

آزمون درس ریاضی – استخدامی پرستاری

پاسخ تشریحی پس از سوال به نمایش گذاشته می شود.