유리함수의 역함수를 직접 구하기
다음 유리함수의 역함수를 구해 보자.
집합의 원소는 모두 실수로 생각한다. 정의역은 이고, 공역은 치역과 같은 로 둔다. 역함수에서는 가 서로 바뀐다.1
먼저 가 주어졌을 때의 를 구한다. 분모를 곱하고 가 있는 항을 모으면
이다. 이제 의 이름을 바꾸면 역함수는
가 된다. 원함수에서 를 제외했던 것과 달리, 역함수에서는 를 제외한다.
계수의 변화를 배열로 보면 규칙이 잘 드러난다.
즉, 의 자리를 바꾸고 의 부호를 바꾼다. 서로 다른 숫자를 넣어 각 계수가 어디로 가는지 보자.
역함수는
이다. 분자의 계수 1과 분모의 상수항 4는 자리를 바꾸고, 2와 3은 각각 -2와 -3이 된다. 원함수와 역함수의 제외 입력은 각각 , 이다.
원함수의 점대칭과 역함수의 선대칭
유리함수 의 점근선은
이다. 그래프는 두 점근선의 교점 에 대하여 점대칭이다.2
한편 원함수와 역함수의 두 그래프는 직선 에 대하여 선대칭이다. 이때 점근선도 서로 반사되므로 교점의 좌표가 바뀐다.
| 구분 | 원함수 | 역함수 |
|---|---|---|
| 수직점근선 | ||
| 수평점근선 | ||
| 두 점근선의 교점 |
앞의 에서는 , 이다. 두 그래프의 대칭 중심이 다르므로 원함수와 역함수는 일치하지 않는다.
유리함수의 원함수와 역함수가 일치하려면
두 그래프가 일치하려면 점근선도 같아야 한다. 따라서 를 에 대하여 반사한 점 가 다시 가 되어야 한다. 즉, 점근선의 교점이 위에 있어야 한다.
이 조건이면 역함수식도 원래 식과 같아진다. 따라서 앞에서 정한 전체 정의역을 사용하는 유리함수에서는 이것이 두 함수가 일치할 필요충분조건이다.3
예를 들어
의 점근선은 , 이고 교점은 이다. 역함수를 구하면
이므로 같은 함수가 된다.

그림에서 와 의 중점은 이다. 이 두 점은 중심 에 대하여 점대칭이다. 또 와 는 에 대하여 선대칭이며 같은 곡선 위에 있다. 이 예에서는 원함수와 역함수를 한 곡선으로 나타낼 수 있다. 는 점근선의 교점이며 그래프 위의 점은 아니다.
연립방정식을 행렬로 풀기
다음 연립방정식을 생각하자.
계수와 미지수, 우변을 따로 모으면
로 쓸 수 있다. 즉,
라 놓으면 이다. 우리가 구하려는 것은 이므로, 왼쪽에 곱해진 를 되돌릴 방법이 필요하다.
이 에 대하여
가 성립한다. 는 곱해도 원래 값을 그대로 두는 단위행렬이다. 이처럼 에 곱해 단위행렬을 만드는 행렬을 의 역행렬이라 하고 로 나타낸다. 따라서 양변의 왼쪽에 이 행렬을 곱하면
이다. 구한 해는 , 이며 원래 두 방정식에 대입해도 맞는다. 일반적으로도 역행렬이 존재하면 에서 를 구할 수 있다. 역행렬은 를 만족한다.
역함수와 같은 계수 규칙
일반적인 행렬을
라 하자. 를 행렬 의 행렬식이라 한다. 앞에서 역함수를 구할 때의 계수 배열을 곱하면
이다. 곱한 결과가 가 되도록 로 나누면
를 얻는다. 앞의 예에서는 이므로 을 곱했다. 역함수에서 보았던 의 자리 교환과 의 부호 변경이 역행렬에도 나타난다.4
가 0인지 확인하는 이유
이 글에서 다루는 유리함수에서는 가 0인지 아닌지가 역함수와 역행렬의 존재를 가른다.
- 이면 역함수와 역행렬이 존재한다.
- 이면 유리함수는 상수함수가 되어 역함수가 없고, 계수행렬에도 역행렬이 없다.
예를 들어
에서는 이다. 서로 다른 입력이 모두 2로 가므로 거꾸로 입력을 하나로 정할 수 없다. 역함수의 계수 규칙이나 역행렬 공식을 적용하기 전에 이 조건을 확인해야 한다.
예제
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의 역함수와 정의역·치역을 구하라.5
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의 원함수와 역함수가 일치하는지 점근선의 교점으로 판단하고, 역함수식을 구해 확인하라.6
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일 때, 를 만족하는 를 역행렬로 구하라.7
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에 역함수가 있는지 설명하고, 계수행렬 의 행렬식과 연결하라.8
Footnotes
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가 가능하다고 하면 에서 가 되어 가정과 모순이다. 반대로 이면 로 놓을 수 있고 이다. 이 는 원래 정의역에 속하며 함숫값이 이므로 치역은 정확히 이다. ↩
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식을 로 정리할 수 있다. 와 의 부호를 함께 바꾸어도 두 값의 곱은 변하지 않으므로 에 대한 점대칭이다. ↩
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를 역함수식에 넣으면 가 되어 원래 식과 같다. 두 정의역에서 제외하는 값도 로 같아진다. 이 결론은 , 이고 정의역을 추가로 잘라내지 않은 현재의 함수에 대한 것이다. ↩
-
행렬 의 두 성분은 , 이다. 위 성분을 아래 성분으로 나눈 값이 원래 유리함수다. 역행렬에서도 이므로 두 성분의 비는 이다. 분자와 분모에 붙은 같은 상수가 소거된다. ↩
-
역함수는 이다. 원함수의 정의역은 , 치역은 이며 역함수에서는 두 집합이 바뀐다. ↩
-
점근선은 , 이므로 교점 가 위에 있다. 역함수도 이다. 두 함수의 정의역도 로 같으므로 일치한다. ↩
-
이고 이다. 따라서 이다. 원래 식에 대입하면 이다. ↩
-
에서 인 상수함수이므로 역함수가 없다. 계수행렬은 이고 이므로 역행렬도 없다. ↩