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Funzioni elementari: dominio, grafici, composizione e inverse

Le fondamenta prima dei limiti: leggere una funzione, trovare dominio e immagine, riconoscere le famiglie e trasformare i grafici senza perdere le condizioni.

Sezione: Analisi Aggiornato:

Laboratorio delle funzioni elementari

Indice del percorso

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Funzioni elementari: dominio, grafici, composizione e inverse

40 min

Prima di calcolare un limite o una derivata conviene capire quale funzione abbiamo davanti: dove esiste, quali valori può assumere e come nasce da funzioni più semplici. Questo capitolo apre il percorso di Analisi e costruisce un vocabolario comune, con esempi, controlli e un laboratorio di grafici, composizioni e inverse.

Laboratorio delle funzioni elementari · Indice del percorso

1. Una funzione non è soltanto una formula

Una funzione f:D→C associa a ogni elemento x del dominio D uno e un solo valore f(x) nel codominio C. Ingressi diversi possono avere lo stesso risultato: x² manda sia 2 sia −2 in 4. Non è invece permesso assegnare due risultati diversi allo stesso ingresso. Perciò y=±√x non definisce una singola funzione, mentre y=√x sceglie la radice non negativa.

Dominio, codominio e regola fanno parte della descrizione. La stessa formula x² su ℝ e su [0,+∞) descrive funzioni con proprietà diverse: solo la seconda è iniettiva. Un modello di costo f(t)=3+2t può avere t≥0 come dominio fisico, anche se la formula è calcolabile per ogni t reale.

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2. Leggere f(x), il grafico e gli intervalli

f(x) indica il valore della funzione nell’ingresso x, non un prodotto f×x. Se f(x)=x²+1, allora f(−2)=5 e f(x+1)=(x+1)²+1: sostituiamo l’intero ingresso, con le parentesi. Il grafico è l’insieme dei punti (x,f(x)). Una retta verticale non può incontrarlo in due punti distinti con la stessa ascissa.

[a,b] include i due estremi; (a,b) li esclude; [a,b) include solo a. Con ±∞ la parentesi è sempre aperta: l’infinito non è un estremo reale incluso. Il simbolo ∪ unisce intervalli; ℝ∖{c} esclude c. Gli zeri risolvono f(x)=0; l’intersezione con l’asse verticale è (0,f(0)), ma solo se 0 appartiene al dominio.

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3. Dominio: tutte le condizioni contemporaneamente

Nel dominio reale naturale cerchiamo tutti gli ingressi per cui l’espressione ha significato. I polinomi non impongono esclusioni; un denominatore deve essere diverso da zero; una radice di indice pari richiede radicando ≥0; un logaritmo richiede argomento >0. Una radice di indice dispari ammette anche numeri negativi. Le condizioni simultanee si intersecano, non si uniscono.

Per 1/√(4−x²), la radice è anche al denominatore: serve 4−x²>0, non ≥0. Quindi D=(−2,2). Per √(ln x), servono x>0 e ln x≥0: D=[1,+∞). Per ln(√x), servono x≥0 e √x>0: D=(0,+∞). L’ordine delle operazioni modifica il dominio.

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4. Semplificare non cancella il dominio

(x²−1)/(x−1)=(x−1)(x+1)/(x−1)=x+1 solo per x≠1. Il grafico è una retta con il punto (1,2) escluso. La funzione x+1 definita su tutto ℝ è un prolungamento, non esattamente la funzione iniziale.

Per √[(x−1)/(x+2)] imponiamo x≠−2 e (x−1)/(x+2)≥0. Il rapporto è positivo per x<−2, negativo per −2<x<1, nullo in 1 e positivo per x>1. Dunque D=(−∞,−2)∪[1,+∞). Non possiamo sostituirlo ovunque con √(x−1)/√(x+2): quest’ultima espressione perderebbe il ramo x<−2, dove numeratore e denominatore del rapporto sono entrambi negativi.

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5. Immagine e codominio: non sono sinonimi

Il codominio è l’insieme di arrivo dichiarato; l’immagine Im f={f(x):x∈D} raccoglie i valori effettivamente raggiunti. Se f:ℝ→ℝ, f(x)=x²+2, il codominio è ℝ ma l’immagine è [2,+∞). Infatti x²+2≥2 e, per ogni y≥2, x=√(y−2) produce proprio quel valore. Non basta quindi trovare una limitazione: bisogna controllare che i valori indicati siano tutti raggiungibili.

La funzione è suriettiva quando l’immagine coincide con il codominio. x²+2 non è suriettiva verso ℝ, ma lo è verso [2,+∞). Queste parole dipendono anche dagli insiemi scelti, non soltanto dalla formula.

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6. La biblioteca dei grafici elementari

Impariamo alcune forme di riferimento. Le potenze intere positive sono definite su ℝ; quelle con esponente pari hanno immagine non negativa, quelle dispari attraversano anche i valori negativi. Le potenze intere negative escludono zero. Per le radici distinguiamo indice pari e dispari: √(x²)=|x|, mentre ∛(x³)=x per ogni x reale.

Nella tabella, c>0 e c≠1; n∈ℤ nelle esclusioni della tangente. Gli intervalli indicano i valori delle funzioni di base, non di ogni loro trasformazione. Il laboratorio permette di confrontarle tutte.

FamigliaFormulaDominioImmagine
Identitàxℝℝ
Quadratox²ℝ[0,+∞)
Cubox³ℝℝ
Valore assoluto|x|ℝ[0,+∞)
Radice quadrata√x[0,+∞)[0,+∞)
Radice cubica∛xℝℝ
Reciproca1/xℝ∖{0}ℝ∖{0}
Esponenzialecˣℝ(0,+∞)
Logaritmolog_c(x)(0,+∞)ℝ
Senosin xℝ[−1,1]
Cosenocos xℝ[−1,1]
Tangentetan xℝ∖{π/2+nπ : n∈ℤ}ℝ

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7. Zeri, segno, monotonia e simmetrie

Gli zeri di x²−4 sono −2 e 2. Il segno è positivo per x<−2 o x>2, negativo fra gli zeri. Una funzione è strettamente crescente se x₁<x₂ implica f(x₁)<f(x₂), per tutti gli ingressi considerati; per la decrescenza si inverte l’ultima disuguaglianza. x² è decrescente su (−∞,0] e crescente su [0,+∞), ma non monotona su ℝ. 1/x è decrescente su ciascuno dei due rami: non su tutto ℝ∖{0}, perché −1<1 ma f(−1)=−1<f(1)=1.

Su un dominio simmetrico rispetto a 0, f è pari se f(−x)=f(x), dispari se f(−x)=−f(x). Le pari sono simmetriche rispetto all’asse verticale; le dispari rispetto all’origine. x² e |x| sono pari, x³ e ∛x dispari. La radice √x non ha un dominio simmetrico e non rientra in queste due classi. Un grafico finito suggerisce proprietà: le identità le dimostrano.

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8. Esponenziali, logaritmi e funzioni periodiche

Per c>0, c≠1, cˣ è positiva, passa per (0,1) ed è crescente se c>1, decrescente se 0<c<1. logcx è definito solo per x>0, passa per (1,0) e ha lo stesso verso di monotonia. Le due funzioni sono inverse. ln x è il logaritmo in base e; non è una nuova regola di dominio. Le identità log(ab)=log a+log b e log(a/b)=log a−log b richiedono a,b>0 nei reali.

In radianti, sin x e cos x hanno periodo 2π e valori fra −1 e 1. tan x=sin x/cos x ha periodo π ed esclude x=π/2+nπ. Dire che T è un periodo significa che traslare l’ingresso di T conserva dominio e valori. Non tutte le funzioni oscillanti sono periodiche e una finestra corta non dimostra una periodicità.

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9. Trasformare un grafico seguendo i punti

Consideriamo g(x)=a f(b(x−h))+k, con b≠0. Se (u,f(u)) è sul grafico originale, imponiamo b(x−h)=u: ne segue x=h+u/b. Il punto diventa quindi (h+u/b, k+a f(u)). Questa corrispondenza spiega tutte le trasformazioni, senza memorizzare segni apparentemente contrari.

  • h sposta a destra se positivo, a sinistra se negativo.
  • k sposta in alto o in basso.
  • |a| cambia la scala verticale; a<0 riflette verticalmente prima della traslazione k.
  • La scala orizzontale è 1/|b|: b=2 comprime, b=1/2 dilata; b<0 riflette orizzontalmente prima della traslazione h.

Esempio: f(u)=u², a=−2, b=2, h=1, k=3. Otteniamo g(x)=−8(x−1)²+3. Il vertice (0,0) diventa (1,3); (1,1) diventa (3/2,1). L’immagine è (−∞,3]. Nel laboratorio il punto si sposta applicando queste formule, non mediante una ricostruzione dai pixel.

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10. Trasformare anche dominio e immagine

Per g(x)=a f(b(x−h))+k dobbiamo imporre b(x−h)∈Df. L’immagine è l’insieme dei valori k+ay con y∈Im f. Per g(x)=√(3−x), il radicando è −(x−3): dominio x≤3, immagine [0,+∞). L’estremo del grafico è (3,0), incluso.

Attenzione ad a=0: l’espressione 0·f(b(x−h))+k vale k soltanto dove f(b(x−h)) è definita. Per esempio 0·(1/x)+2 conserva x≠0: è una costante con un punto escluso, non la funzione costante definita automaticamente su tutto ℝ. Il laboratorio conserva questa restrizione. Il caso b=0 richiede un controllo distinto di f(0) e non è incluso nei parametri del laboratorio.

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11. Comporre: l’ordine conta

(f∘g)(x)=f(g(x)): si applica prima g, poi f. Il dominio è {x∈Dg:g(x)∈Df}. Con f(u)=√u e g(x)=x², f(g(x))=√(x²)=|x| su ℝ. Nell’ordine opposto g(f(x))=(√x)²=x, ma soltanto per x≥0. L’ordine cambia formula e dominio.

Anche quando la formula finale sembra uguale, le funzioni possono differire: eln x=x solo per x>0, mentre ln(eˣ)=x per ogni x reale. Con f=ln e g(x)=x², ln(x²)=2ln|x| per x≠0; non possiamo scrivere 2ln x sui negativi. Nel laboratorio il percorso x→funzione interna→funzione esterna mostra ogni passaggio e il dominio esatto dei casi guidati.

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12. L’inversa richiede un ritorno univoco

f è iniettiva se f(x₁)=f(x₂) implica x₁=x₂. In quel caso possiamo definire l’inversa f⁻¹:Im f→D, che riporta ogni uscita al suo unico ingresso. Per avere un’inversa sull’intero codominio dichiarato serve anche suriettività: f deve essere biiettiva. La stretta monotonia è una condizione sufficiente di iniettività, non una condizione necessaria su domini qualsiasi: 1/x è iniettiva pur non essendo globalmente monotona sul suo dominio.

Con f(x)=2x+1, poniamo y=2x+1, risolviamo x=(y−1)/2 e rinominiamo la variabile: f⁻¹(x)=(x−1)/2. Verifichiamo f⁻¹(f(x))=x e f(f⁻¹(y))=y sui rispettivi domini. Non è 1/f(x)=1/(2x+1): inversa e reciproco sono operazioni diverse.

x² su ℝ non è iniettiva: 1 e −1 producono 1. Su [0,+∞) ha inversa √x; su (−∞,0] ha inversa −√x. In entrambi i casi il dominio dell’inversa è [0,+∞), ma l’immagine cambia. I grafici si riflettono rispetto a y=x perché il punto (u,f(u)) diventa (f(u),u). Senza iniettività la riflessione è una relazione, non il grafico di un’inversa-funzione.

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13. Rami, controlli e percorso successivo

Il seno su ℝ non è iniettivo. Restringendolo a [−π/2,π/2], otteniamo l’inversa arcsin, con dominio [−1,1] e immagine [−π/2,π/2]. sin(arcsin y)=y su [−1,1], ma arcsin(sin x)=x solo nel ramo principale: per x=3π/4 il risultato è π/4. Analogamente, un’inversa richiede sempre di dichiarare quale ramo si usa.

  1. Leggi la formula con le parentesi e dichiara il dominio.
  2. Riconosci la famiglia e trova l’immagine, senza confonderla con il codominio.
  3. Se ci sono trasformazioni, segui un punto con le formule.
  4. Se c’è composizione, controlla prima la funzione interna.
  5. Se cerchi l’inversa, verifica l’iniettività e l’eventuale restrizione.
  6. Usa il grafico come controllo, non come dimostrazione.

Nel laboratorio confronta le dodici famiglie, muovi il punto con il cursore o Avvia, scambia l’ordine nelle cinque coppie e sperimenta nove casi di inverse. Il capitolo seguente sui limiti aggiunge l’idea dell’avvicinamento; lo studio di funzione riunirà poi dominio, limiti e derivate. I risultati del laboratorio sono derivati dai casi guidati, non da un risolutore universale.

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Esercizi: prova prima di aprire

1. Qual è l’immagine di x²+2 su ℝ?

Mostra la soluzione ragionata

[2,+∞): il minimo 2 si ottiene in x=0; per ogni y≥2 scegli x=√(y−2). Il codominio potrebbe essere ℝ, ma non tutti i suoi valori sono raggiunti.

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2. Dominio di 1/√(4−x²)?

Mostra la soluzione ragionata

Serve 4−x²>0 perché la radice è al denominatore. Da x²<4 otteniamo −2<x<2. Gli estremi non sono ammessi: annullerebbero il denominatore.

3. Dominio di √[(x−1)/(x+2)]?

Mostra la soluzione ragionata

Il rapporto è non negativo per x<−2 oppure x≥1. −2 è escluso, 1 incluso: (−∞,−2)∪[1,+∞). In x=−3, per esempio, il rapporto vale 4 e la radice vale 2.

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4. Quanto vale √(x²) per x=−3?

Mostra la soluzione ragionata

√9=3, non −3. La radice quadrata restituisce il valore non negativo, quindi √(x²)=|x| su ℝ.

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5. Trasforma (1,1) con a=−2, b=2, h=1, k=3.

Mostra la soluzione ragionata

x=h+u/b=1+1/2=3/2; y=k+af(u)=3−2=1. Il nuovo punto è (3/2,1). Il fattore orizzontale divide l’ascissa relativa, non la moltiplica.

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6. Dominio e immagine di √(3−x)?

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3−x≥0 implica x≤3, quindi D=(−∞,3]. La radice assume tutti i valori non negativi: immagine [0,+∞). Il punto (3,0) è incluso.

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7. Con f=√x e g=x², valuta i due ordini in x=−2.

Mostra la soluzione ragionata

f(g(−2))=√4=2. g(f(−2)) non è definita nei reali: l’operazione interna √(−2) non è ammessa. Non basta semplificare formalmente (√x)² in x.

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8. ln(x²)=2ln x vale anche per x=−2?

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No: ln4 esiste, ln(−2) no. La formula valida su x≠0 è ln(x²)=2ln|x|. Per x=−2 entrambi i membri di questa formula valgono ln4.

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9. e^(ln x) e ln(e^x) sono la stessa funzione?

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No: entrambe si semplificano in x, ma la prima ha dominio (0,+∞), la seconda ℝ. Le identità inverse valgono sui rispettivi domini.

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10. Qual è l’inversa di x² sul ramo x≤0?

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−√x, con dominio [0,+∞) e immagine (−∞,0]. Per esempio −3→9→−3. La radice positiva tornerebbe al ramo sbagliato.

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11. Per f(x)=2x+1, confronta inversa e reciproco.

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L’inversa è (x−1)/2, definita su ℝ. Il reciproco è 1/(2x+1), con x≠−1/2. Sono funzioni diverse e rispondono a domande diverse.

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12. Quanto vale arcsin(sin(3π/4))?

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π/4, perché arcsin restituisce il valore nel ramo [−π/2,π/2]. 3π/4 è fuori da quel ramo; il seno non è globalmente iniettivo.

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Limiti · Derivate

Riferimenti per approfondire