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考研数学一—满分学习笔记
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高等数学 · 第 1 讲

反双曲正弦型函数的反函数

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题目

题目:

求函数

\[ y=f(x)=\ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ) \]

的反函数 \(f^{-1}(x)\) 的表达式及其定义域。

题解

思路入口:

本题表面上是“从

\[ y=\ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ) \]

中解出 \(x\)”,但若直接去解含根式方程,容易把式子平方得很繁。更好的入口是注意到

\[ \left (x+\sqrt {x^2+1}\right )\left (\sqrt {x^2+1}-x\right )=1. \]

也就是说,\(x+\sqrt {x^2+1}\) 的倒数正好是 \(\sqrt {x^2+1}-x\)。这会把对数式变成一对互补关系:

\[ e^y=x+\sqrt {x^2+1},\qquad e^{-y}=\sqrt {x^2+1}-x. \]

从思维上看,这仍然是方程组思维:把 \(x\) 和 \(\sqrt {x^2+1}\) 暂时看成两个需要消元的对象,通过两条同源方程联立,最后用相减消去根式。

详细解答:

由题设

\[ y=\ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ). \]

因为 \(\sqrt {x^2+1}>|x|\),所以

\[ x+\sqrt {x^2+1}>0, \]

对数对任意实数 \(x\) 都有意义。两边取指数,得

\[ e^y=x+\sqrt {x^2+1}. \tag {1} \]

再看 \(-y\)。由对数性质

\[ -y=-\ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ) =\ln \frac {1}{x+\sqrt {x^2+1}}. \]

对分母有理化:

\[ \frac {1}{x+\sqrt {x^2+1}} =\frac {\sqrt {x^2+1}-x}{\left (\sqrt {x^2+1}+x\right )\left (\sqrt {x^2+1}-x\right )} =\sqrt {x^2+1}-x. \]

所以

\[ -y=\ln \left (\sqrt {x^2+1}-x\right ), \]

进而

\[ e^{-y}=\sqrt {x^2+1}-x. \tag {2} \]

此时 \((1),(2)\) 可以看成关于 \(x\) 与 \(\sqrt {x^2+1}\) 的二元一次方程组。用 \((1)-(2)\),根式项抵消:

\[ e^y-e^{-y}=2x. \]

因此

\[ x=\frac {1}{2}\left (e^y-e^{-y}\right ). \]

这已经把原来的自变量 \(x\) 表示成了函数值 \(y\) 的函数,即

\[ x=f^{-1}(y)=\frac {1}{2}\left (e^y-e^{-y}\right ). \]

按通常书写习惯,将自变量记回 \(x\),得到

\[ f^{-1}(x)=\frac {1}{2}\left (e^x-e^{-x}\right ). \]

定义域与值域:

原函数的定义域为

\[ (-\infty ,+\infty ). \]

\[ \eta =\frac {1}{2}\left (e^y-e^{-y}\right ) \]

可知,对任意 \(y\in \mathbb {R}\),都能找到唯一实数 \(\eta \) 使 \(f(\eta )=y\)。所以原函数值域为 \(\mathbb {R}\),反函数的定义域为

\[ (-\infty ,+\infty ). \]

对应地,反函数的值域等于原函数定义域,也是

\[ (-\infty ,+\infty ). \]

于是最终答案为

\[ \boxed {f^{-1}(x)=\frac {1}{2}\left (e^x-e^{-x}\right ),\qquad x\in (-\infty ,+\infty )}. \]

为什么它一定有反函数:

本题不只要会算,还要知道为什么可以谈反函数。函数

\[ f(x)=\ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ) \]

是严格递增函数。可以从反函数表达式看出,\(x=\frac 12(e^y-e^{-y})\) 对每个 \(y\in \mathbb {R}\) 都给出唯一的 \(x\);也可以在后续学到导数后验证

\[ f'(x)=\frac {1}{\sqrt {x^2+1}}>0. \]

因此原函数一一对应,有反函数。

考场满分写法:

必须写:

\[ e^y=x+\sqrt {x^2+1},\qquad e^{-y}=\sqrt {x^2+1}-x. \]

其中第二式要通过倒数有理化说明:

\[ \frac {1}{x+\sqrt {x^2+1}}=\sqrt {x^2+1}-x. \]

然后相减得

\[ x=\frac 12(e^y-e^{-y}). \]

最后交换 \(x,y\),并写出

\[ f^{-1}(x)=\frac 12(e^x-e^{-x}),\qquad x\in \mathbb {R}. \]

可以略写的是原函数单调性的详细证明,但不能漏掉反函数定义域。

答案:

\[ \boxed {f^{-1}(x)=\frac {1}{2}\left (e^x-e^{-x}\right ),\quad x\in \mathbb {R}}. \]

知识点

核心知识点:

函数

\[ \ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ) \]

常记为反双曲正弦函数 \(\operatorname {arsinh}x\),它的反函数是双曲正弦函数

\[ \sinh x=\frac {e^x-e^{-x}}{2}. \]

本题不是要求记忆函数名,而是要掌握有理化消根号的结构:

\[ \left (x+\sqrt {x^2+1}\right )\left (\sqrt {x^2+1}-x\right )=1. \]

可迁移方法:

遇到

\[ \ln \left (x+\sqrt {x^2+a^2}\right ) \]

这类结构时,优先尝试对倒数有理化,构造 \(e^y\) 与 \(e^{-y}\)。若根式前后正负号互补,通常相加或相减可以消去根式或消去 \(x\)。

这类题的本质不是单纯“有理化技巧”,而是“制造第二个方程,再联立消元”的方程组思维。只不过第二个方程不是题目直接给的,而是由倒数有理化主动构造出来的。

母题模板:

\[ y=\ln \left (x+\sqrt {x^2+1}\right ) \quad \Longrightarrow \quad \begin {cases} e^y=x+\sqrt {x^2+1},\\ e^{-y}=\sqrt {x^2+1}-x, \end {cases} \]

所以

\[ x=\frac 12(e^y-e^{-y}). \]

易错点

易错点:

  • 把反函数误认为倒数: \(f^{-1}(x)\) 是反函数,不是 \(\frac {1}{f(x)}\)。

  • 硬平方导致计算膨胀: 直接由 \(e^y=x+\sqrt {x^2+1}\) 移项平方也能做,但更容易漏项;本题最快入口是倒数有理化。

  • 忘写定义域: 反函数的定义域等于原函数的值域,本题为 \(\mathbb {R}\)。

  • 对数合法性漏检: 需要知道 \(x+\sqrt {x^2+1}>0\),原函数才在全体实数上有定义。

复盘提醒:

看到 \(\ln (x+\sqrt {x^2+1})\),要立即联想到“倒数有理化”和“双曲正弦”。考场上不要先平方硬解,先写出 \(e^y\) 与 \(e^{-y}\) 这对式子。

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