unit 6: functions - part 2

28
1 MATHEMATICS Learner’s Study and Revision Guide for Grade 12 FUNCTIONS Part 2 INVERSE FUNCTIONS Revision Notes, Exercises and Solution Hints by Roseinnes Phahle Examination Questions by the Department of Basic Education

Upload: kagiso-trust

Post on 09-Feb-2016

220 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Unit 6: Functions - Part 2

TRANSCRIPT

Page 1: Unit 6: Functions - Part 2

1  

MATHEMATICS

Learner’s Study and

Revision Guide for

Grade 12

FUNCTIONS ‐ Part 2 

INVERSE FUNCTIONS 

         

Revision Notes, Exercises and Solution Hints by 

Roseinnes Phahle  

Examination Questions by the Department of Basic Education 

Page 2: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

2  

Contents 

Unit 6

Revision notes                    3 

The inverse graph                  5 

Inverse function                  10 

Examination questions with solution hints and answers          13 

More questions from past examination papers            17 

Answers                    26 

How to use this revision and study guide

1. Study the revision notes given at the beginning. The notes are interactive in that in some parts you are required to make a response based on your prior learning of the topic from your teacher in class or from a textbook. Furthermore, the notes cover all the Mathematics from Grade 10 to Grade 12. 

2. “Warm‐up” exercises follow the notes. Some exercises carry solution HINTS in the answer section. Do not read the answer or hints until you have tried to work out a question  and are having difficulty. 

3. The notes and exercises are followed by questions from past examination papers. 

4. The examination questions are followed by blank spaces or boxes inside a table. Do the working out of the question inside these spaces or boxes. 

5. Alongside the blank boxes are HINTS in case you have difficulty solving a part of the question. Do not read the hints until you have tried to work out the question and are having difficulty. 

6. What follows next are more questions taken from past examination papers. 

7. Answers to the extra past examination questions appear at the end. Some answers carry HINTS and notes to enrich your knowledge. 

8. Finally, don’t be a loner. Work through this guide in a team with your classmates. 

   

Page 3: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

REVISION UNIT 6: THE INVERSE GRAPH AND THE INVERSE FUNCTION 

Recall the definitions of the domain and range of a relationship we have loosely called a function. 

Domain:  all the values of  x for which  y or  )(xf can be evaluated are known as the domain and 

are denoted by the symbol  fD . 

Example 1: If  ( )5

3−

=x

xf  we can evaluate  ( )xf  for all real values of  x except  5=x . At  5=x

,  ( )xf  is said to be undefined. The domain of  ( )xf  can thus be expressed as  { }5: −ℜ∈xDf . 

 Illustration: 

 

       

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

 

 

As can be seen in the illustration, at  5=x there is an asymptote which in this case is a line the 

graph of  ( )xf  neither crosses nor touches. 

Range: all the values of  y or  )(xf which correspond to the values of  x in the  fD  are known as 

the range and are denoted by  fR  . 

In the graphical illustration of the above example, it can be seen that  y  or  ( )xf  takes all real 

values except  0=y  which is also an asymptote. Thus  { }0: −ℜ∈yRf . 

Page 4: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

4  

Example 2: Consider  ( ) 52 += xxf . 

Illustration: 

     

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f(x) = 2x+5

 

 

It can be seen from the graph that  ( )xf  is defined for all real values of  x  so that the domain is 

      ( )∞∞−∈ ;: xDf   or  ℜ∈xDf :  

Notice also from the graph that  y  or  ( )xf  takes all real values so that the range is 

      ( )∞∞−∈ ;: yRf   or  ℜ∈yRf :  

Restriction of the domain 

Instead of defining  ( )xf  for all teal values of  x from  ∞−  to ∞ , we can restrict the domain. 

Example 3: Consider  ( ) 52 += xxf  defined over the domain  [ )1;4−∈x .  

Recall that using a bracket like this means that  14 <≤− x . In other words,  x takes all the values between ‐4 and 1 including ‐4 but excluding 1. The interval  [ )1;4−  is said to be closed at 

the left hand side end and open at the opposite end. Graphically, a closed end of the interval is demoted by • and an open end by  o . 

   

Page 5: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

Illustration:       

   

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f(x) = 2x+5

 

By inspecting the above graph, it can be seen that the range of  ( )xf  is given by   

    73: <≤− yRf   or  [ )7;3: −∈yRf  

THE INVERSE GRAPH 

The inverse graph is the reflection of a graph in the line  xy = . 

Illustration: 

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f(x) = 3x-7

y=x

Line of reflection

Mirror

f-1(x)=(x+7)/3

 

 

   

Page 6: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

6  

How to find the equation of the inverse graph 

In the illustration above, look at the coordinates of a few points on the line 52 += xy  and the 

coordinates of their reflections across the mirror line  xy = : 

Line  52 += xy   Reflection in mirror line  xy =  (0;  5) (‐1;  3) (‐2;  1) (‐3;  ‐1) 

(5;  0) (3;  ‐1) (1;   ‐2) (‐1;  ‐3) 

 What do you notice from the above? 

 ( )yx;   ( )xy;  

 

As can be seen from the above table, the reflection of a point  ( )yx;  in the line  xy =  is given by 

the point  );( xy . That is, the  x  and  y values are simply interchanged or swapped.  

Also clear from the swapping of  x and  y is that the inverse performs the opposite operation to 

the function. The operation takes elements in the domain of the function and makes them elements of the range, and vice a versa. 

The swapping of  x  and  y  in an equation will give us the equation of the inverse graph. The 

steps to be taken in finding the equation of the inverse are shown in the box below: 

 Finding the equation of the inverse 

 Step 1: Swap the  x  and  y  

               Step 2: Make  y the subject of the equation   Example 4:  Apply these steps to finding the inverse of  73 −= xy  

Solution:  Step 1:  Swap the  x  and  y :      73 −= yx   Step 2:  Make  y  the subject of the equation:  

yx 37 =+  

  so    ( )731

+= xy  

Page 7: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

Notation for the inverse 

The inverse of  f  or  ( )xf is denoted by  1−f  or  ( )xf 1− . 

In the above example: 

      if  ( ) 73 −= xxf  or  73: −→ xxf  

      then  ( ) ( )7311

+=−

xxf  or  ( )731:1 +→− xxf  

Graphical illustration:  

   

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f(x) = 3x-7

y=x

Line of reflection

Mirror

f-1(x)=(x+7)/3

   

Example 5: We have previously considered  ( ) 52 += xxf and worked out its inverse to be 

( ) ( )5211 −=− xxf . Let us now restrict its domain to  [ )1;4: −∈xDf . With the help of a sketch, 

answer the following questions: 

1. What is the range of  ( )xf ? 

 

2. What is the domain of  ( )xf 1− ? 

 

3. What is the range of  ( )xf 1− ? 

Page 8: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

8  

Sketch: 

 

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f

f-1

y=x

 

 

1. Range of  ( )xf  

By inspection of the graph the range is given by  [ )7;3: −∈yRf . 

2. Domain of  ( )xf 1−  

By inspection of the inverse graph the domain is  [ )7;3:1 −∈− xDf

 

3. Range of  ( )xf 1−  

By inspection of the inverse graph the range is  [ )1;4:1 −∈− yRf

 

Page 9: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

A summary of the above results is shown in the box below: 

  52: +→ xxf ( ) 2/5:1 −→− xxf  Domain  [ )1;4−   [ )7;3−  Range  [ )7;3−   [ )1;4−  

 What can clearly be seen in the box is that the domain of  f is the range of  1−f ; and the range 

of  f is the domain of  1−f . That is , the domain and range make a swap in the same way the  xand  y values of the coordinates swap on reflection in the line  xy = , confirming an earlier observation that  the inverse performs an opposite operation to the function.  Function: We have tended to speak about functions in a loose manner. But in Mathematics a function has a specific definition. A function is a relationship in which each  x  value corresponds to only one y value. This is said to be a one‐to‐one relationship. 

A  function is also defined if more than one  x take on the same  y value. This is said to be a many‐to‐one relationship. 

A relationship between  x and  y  does not define a function if each  x has more than one  y  

value. This is said to be a one‐to‐many relationship. 

Vertical line test: A quick and easy way to test whether an expression is a function or not is to draw a graph and then a vertical line to cut its graph. If all vertical lines cut the graph only once then the equation of the graph is a function. 

Example 6: Use the vertical line test to find if  ( ) 2xxf = is a function. 

Solution: The graph of  ( ) 2xxf =  is shown below. 

   

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

 

  A vertical line is drawn anywhere to cut the graph as shown above. 

Page 10: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

10  

  The vertical line cuts the graph of  ( ) 2xxf =  at one and only one point. 

  Therefore  ( ) 2xxf = is a function.  INVERSE FUNCTION 

 An inverse function is an inverse that is also a function. Apply the vertical line test to the graph 

of  1−f  to see if the inverse is indeed a function. 

Example 7: Find the inverse of   ( ) 2xxf = and find out if the inverse is a function. 

Solution:  Replace  ( )xf  by  y  so that  2xy =  

Step 1: Swap the  x  and  y :  2yx =  

Step 2: Make  y  the subject of the equation:  xy ±=   

  Thus the inverse is  ( ) xxf ±=−1   

But the inverse of  2xy = is not a function because, as the ±   double sign indicates, for every 

value of  x  there are two of y .  It is a one‐to‐many value relationship.  

That  xy ±=  is not a function can also be seen by drawing its graph and applying the vertical 

line test to the graph: 

   To draw the graph of  xy ±=  we reflect the graph of  2xy =  in the line  xy = : 

   

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f

f-1

Vertical line test

y=x

 

As can be seen, the graph of the inverse is cut at two points by any vertical line confirming that the inverse is not a function. 

Page 11: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

Changing the domain of a function in order to make its inverse a function as well 

If we now define  ( ) 2xxf = so that its domain is restricted to  0≥x  then the inverse  ( )xf 1−  will 

be a function as can be verified from the sketch below: 

 

   

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

f

f-1

Vertical line test

y=x

 

 

   

Page 12: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

12  

Example 8: Find the inverse of  xy 3=  

Step 1: Swap the  x  and  y :  yx 3=  Step 2: Make  y  the subject of the equation:  xy 3log=  

 The inverse of  xy 3= is a function as can be verified by sketching it and applying the vertical line 

test. 

Use these axes to sketch the graphs of  xy 3=  and its inverse. Remember to show the line of reflection. Draw a vertical line to verify that the inverse is indeed a function.      

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

    

 

Page 13: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

PAPER 1  QUESTION 5                     DoE/ADDITIONAL EXEMPLAR 2008 

 

 

 

   

Page 14: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

14  

PAPER 1  QUESTION 5                   DoE/ADDITIONAL EXEMPLAR 2008 

Number  Hints and answers  Work out the solutions in the boxes below 5.1  Given a point on the curve, you 

should be able to work out the value of a  by substituting the coordinates of the point into the equation of the curve.  Work out a .   Answer: 

21

=a  

 

5.2  What do you have to do to determine the equation of the inverse of a function?  Swap  x and  y , and make  y the subject.  Answer: 

xy21log=  or  xy 2log−=  

or 21log 2=y  

 

5.3  The answer is clear from a rough sketch of the inverse function.  So use the space opposite to make a rough sketch.    Answer: 

80 << x  

 

5.4  Go for it by turning the verbal expression of the transformation into a mathematical expression!  Answer: 

  ( )3

21 −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

x

xq  or   ( ) 32 +−= xxq  

 

 

Page 15: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

PAPER 1  QUESTION 5                 DoE/NOVEMBER 2008 

 

   

Page 16: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

16  

PAPER 1  QUESTION 5                 DoE/NOVEMBER 2008 

Number  Work out the solutions in the boxes below 5.1  Sketch the graphs below.                              DIAGRAM SHEET 1 5.2                      

 5.3 

 Answer: You write down the answer. 

 

 5.4 

 You are given  ( )xh .  

So what is  ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

21xh ? This means replace  x  in 

( )xh  by 21

+x . 

 What is  ( )xh2 ? This means multiply  ( )xh  by 2.  You may have to simplify the resulting expressions to show that they are identical. Do this and you will have shown what you are required to show.  

 

Page 17: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

MORE QUESTION FROM PAST EXAMINATION PAPERS

EXEMPLAR 2008

Page 18: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

18  

Preparatory Examination 2008

Page 19: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

Feb – March 2009

Page 20: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

20  

DIAGRAM SHEET 1

Page 21: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

November 2009 (Unused paper)

Page 22: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

22  

DIAGRAM SHEET 1

Page 23: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

November 2009 (1)

Page 24: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

24  

Page 25: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

Feb – March 2010

DIAGRAM SHEET 2

Page 26: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

26  

ANSWERS

Exemplar 2008 

6.1   21

=a  

6.2     xy21log=  

6.3     Not a function because  ( ) 1-or 11 =− xg  

6.4     [ )∞∈ ;0x   or   ( ]0;∞−∈x   6.5.1    10 << x  6.5.2     0=x   Preparatory Examination 2008 7.1.1     xy 4log=  

7.1.2     1−f  is a function because              only one correseponding y value for every   x  value. 

7.1.3      ( )x

xh ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

41

 

 7.2         4=a  

7.3         ( ) 12

4−

−=

xxm  

7.4         x ‐intercept is (6;  0)                y ‐intercept is (0;  ‐3)  

Feb/March 2009 7.1     ( )1;0Q  

7.2     2=a  7.3     xy 2log=  7.4     Sketch: 

 7.5      5,0>x  7.6       36,11−=x  

     

   

Page 27: Unit 6: Functions - Part 2

Functions – Part 2 

Feb/March 2009 7.1     ( )1;0Q  

7.2     2=a  7.3     xy 2log=  7.4     Sketch: 

 7.5      5,0>x  7.6       36,11−=x  

 November 2009 (unused papers) 5.1     2=b  5.2     ( )2;1D  is the turning point of  g . 

5.3       xy 2log=   5.4     Sketch:  

              

 

  5.5     ( ) 2xxh −=  

5.6      0≤x    or     0≥x  5.7     Maximum value = 4  November 2009(1) 6.1 

  6.2      ( ) 2+= xxh  6.3      2−= xy   6.4 

   

Page 28: Unit 6: Functions - Part 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

 

28  

November 2009 (1) 8.1      0>x     or     ( )∞∈ ;0x  

8.2       xy −= 2     or     x

y ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

21

 

8.3        0=y   8.4.1    Reflect the graph of  f  over the  x ‐axis              Or              For each point the  y ‐coordinate changes              sign. 8.4.2    Reflect the graph of  f  over the line  xy = .              Then shift the graph down 5 units.              (This answer can be expressed in  other               ways as well).  8.5         80 << x     or      ( )8;0∈x  Feb/March 2010 7.1     xy 3log=  

 7.2     Sketch:  

 7.3       52 << x