f(f(x))型の関数

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ある関数の定義域がさらにその関数である \(f(f(x))\) 型の関数について考えていきます。

\(f(x)=2x+1\)のとき\(f(f(x))\)はどうなるか分かりますか? \(f(f(x))=2f(x)+1=2(2x+1)+1\)
\(=4x+3\) です。\(f=2□+1\)の□に\(2x+1\)を放り込んだ形です。

 

(問題)
\(x\) (\(0≦x≦1\)) の関数\(y=f(x)\)を次のように定義する。

\(
\begin{eqnarray}
f(x)
=
\begin{cases}
2x & (0≦x<\displaystyle\frac{1}{2})\\
2-2x & (\displaystyle\frac{1}{2}≦x≦1)
\end{cases}
\end{eqnarray}
\)

(1)\(y=f(x)\)のグラフをかけ。
(2)\(y=f(f(x))\)のグラフをかけ。

 

(1)は単なる定義域で式が異なる関数です。
(解答)
(1)グラフは以下のとおり。
合成1次1
(2)
\(f(x)\)は \(0≦x<\displaystyle\frac{1}{2}\) と \(\displaystyle\frac{1}{2}≦x≦1\)の定義域で場合分けされています。\(f(f(x))\)の外側の\(f()\)の定義域は\(f(x)\)なので、\(0≦f(x)<\displaystyle\frac{1}{2}\) と \(\displaystyle\frac{1}{2}≦f(x)≦1\) でさらに場合分けします。
(a) \(0≦f(x)<\displaystyle\frac{1}{2}\)のとき、(1)のグラフより
\(0≦x<\displaystyle\frac{1}{4}\) または \(\displaystyle\frac{3}{4}<x≦1\)

(b)\(\displaystyle\frac{1}{2}≦f(x)≦1\)のとき、(1)のグラフより
\(\displaystyle\frac{1}{4}≦x≦\displaystyle\frac{3}{4}\)なので、

もとの関数の場合分けの境目 \(x=\displaystyle\frac{1}{2}\)も含めて、4通りに分けます。(a)のときは外側の関数の形は\(2□\)で、(b)のときは外側の関数の形は\(2-2□\)となります。□に入るのはもちろん\(f(x)\)です。

①\(0≦x<\displaystyle\frac{1}{4}\)のとき
\(f(f(x))=2f(x)=2(2x)=4x\)

②\(\displaystyle\frac{1}{4}≦x<\displaystyle\frac{1}{2}\)のとき
\(f(f(x))=2-2f(x)=2-2(2x)=-4x+2\)

③\(\displaystyle\frac{1}{2}≦x≦\displaystyle\frac{3}{4}\)のとき
\(f(f(x))=2-2f(x)=2-2(2-2x)=4x-2\)

④\(\displaystyle\frac{3}{4}<x≦1\)のとき
\(f(f(x))=2f(x)=2(2-2x)=-4x+4\)

①と②、③と④が中身の\(f(x)\)が同じ組み合わせ (\(x=\displaystyle\frac{1}{2}\)が境目)で、①④、②③が外側の関数の形が同じ組み合わせです(\(f(x)=\displaystyle\frac{1}{2}\)が境目)。

以上をグラフにすると以下の通りとなる。

合成1次2

 

※ややこしい問題なのでじっくり考えてください。

 

 

以上になります。お疲れ様でした。
ここまで見て頂きありがとうございました。

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