函数、图像与坐标系

图像把公式变成一眼就能看懂的形状:哪里上升,哪里穿过零点,哪里冲向无穷。本页介绍什么是函数、坐标系如何工作,以及笛卡儿如何让代数可以被画出来。

笛卡儿坐标网格上的抛物线、正弦曲线和双曲线图像
笛卡儿坐标网格上的抛物线、正弦曲线和双曲线图像

什么是函数?

函数是一条规则:每个输入都对应唯一的输出。规则 f(x) = x² 把 3 变成 9,也把 −3 变成 9。函数接受的输入构成它的定义域:1/x 在 0 处没有值,ln x 只对正数有意义。函数描述一个量如何依赖另一个量,例如路程随时间变化,或价格随购买数量变化。

笛卡儿坐标系

两条数轴在原点 (0, 0) 处互相垂直:水平的 x 轴和竖直的 y 轴。平面上每个点都有一个地址 (x, y):先向右走多远,再向上走多远。函数的图像就是所有点 (x, f(x)) 的集合,也就是把轴上的每个 x 抬到它的函数值那么高。两条轴把平面分成四个象限,从右上开始按逆时针编号。

笛卡儿与解析几何

1637 年,法国哲学家笛卡儿把《几何学》作为《方法论》的附录出版。他指出,曲线可以写成方程,方程也可以画成曲线,因此几何问题可以用代数来解决。大约同一时期,费马也有同样的想法。“笛卡儿坐标”这个名字来自笛卡儿的拉丁文名字 Cartesius,而带有两条垂直坐标轴的网格是后来才形成今天的样子。

其他坐标系

网格并不是描述点的唯一方式。极坐标使用到中心的距离和一个角度,这让圆和螺线变得简单:r = 1 就是一个圆。经度和纬度用来定位圆形地球上的地点,而 x、y、z 三条轴可以描述空间。对数坐标轴能把极大的范围压缩进一个视图,使指数增长显示为一条直线。

常见问题

什么是渐近线?

图像越来越接近却永远达不到的一条直线。1/x 在 x = 0 处有一条竖直渐近线,在 y = 0 处有一条水平渐近线;tan x 在 π/2 的每个奇数倍处都有竖直渐近线。

参数 a 有什么作用?

它把一个公式变成一族图像。在 a*x^2 中,a 越大抛物线越窄,a 为负时开口朝下;在 sin(a*x) 中,波形变得更密。拖动滑块就能看到公式的每一部分如何塑造曲线。

为什么叫笛卡儿坐标系?

它以笛卡儿命名,他用拉丁文写作时署名 Cartesius。他 1637 年的著作展示了如何把点和数联系起来,这正是本页每一幅图像背后的思想。

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