周期函數(shù) - 解析幾何的定理
對于函數(shù)y=f(x),如果存在一個不為零的常數(shù)T,使得當(dāng)x取定義域內(nèi)的每一個值時,f(x+T)=f(x)都成立,那么就把函數(shù)y=f(x)叫做周期函數(shù),不為零的常數(shù)T叫做這個函數(shù)的周期,事實上,任何一個常數(shù)kT(k∈Z且k≠0)都是它的周期。如果在所有正周期中有一個最小的,則稱它是函數(shù)f(x)的最小正周期。由定義可得:周期函數(shù)f(x)的周期T是與x無關(guān)的非零常數(shù),且周期函數(shù)不一定有最小正周期。故討論時可通過解關(guān)于T的方程f - X+T- f - X=0,若能解出與X無關(guān)的非零常數(shù)T便可斷定函數(shù)f - X)是周期函數(shù),若這樣的T不存在則f - X)為非周期函數(shù)。
定義
對于函數(shù)y=f(x),如果存在一個非零常數(shù)t,使得對于定義域內(nèi)每一個x,關(guān)系式f(x+t)=f(x)都能成立,那么函數(shù)y=f(x)稱為周期函數(shù)。常數(shù)t稱為該函數(shù)的周期。如果所有周期中存在最小正數(shù)t,那么t稱為函數(shù)y=f(x)的最小正周期,簡稱“周期”。
性質(zhì)
周期函數(shù)的性質(zhì)共分以下幾個類型:
(1)若T(≠0)是f(x)的周期,則-T也是f(x)的周期。
(2)若T(≠0)是f(x)的周期,則nT(n為任意非零整數(shù))也是f(x)的周期。
(3)若T1與T2都是f(x)的周期,則T1±T2也是f(x)的周期。
(4)若f(x)有最小正周期T*,那么f(x)的任何正周期T一定是T*的正整數(shù)倍。
(5)若T1、T2是f(x)的兩個周期,且T1/T2是無理數(shù),則f(x)不存在最小正周期。
(6)周期函數(shù)f(x)的定義域M必定是至少一方無界的集合。
判定定理
周期函數(shù)定理,一共分以下幾個類型。
定理1
若f(x)是在數(shù)集M上以T*為最小正周期的周期函數(shù),則K?f(x)+C(K≠0)和1/?f(x)分別是集M和集{X/?f(x)?≠0,X?∈M}上的以T*為最小正周期的周期函數(shù)。
證:
∵T*是f(x)的周期,∴對?有X±T*?且f(x+T*)=?f(x),∴K?f(x)+C=K?f(x+T*)+C,
∴K?f(x)+C也是M上以T*為周期的周期函數(shù)。
假設(shè)T*?不是Kf(x)+C的最小正周期,則必存在T’(0<T’<T*)是K?f(x)+C的周期,則對T’(0<T’<T*)是K?f(x)+C的周期,有K?f(x+T’)+C=K?f(x)?+C?,K[f(x+T’)-?f(x)]=0,∵K≠0,∴f(x+T’)-?f(x)=0,∴f(x+T’)=?f(x),
∴T’是f(x)的周期,與T*是f(x)的最小正周期矛盾,∴T*也是K?f(x)+C的最小正周期。
同理可證1/?f(x)是集{X/?f(x)?≠0,X?}上的以T*為最小正周期的周期函數(shù)。
定理2
若f(x)是集M上以T*為最小正周期的周期函數(shù),則f(ax+b)是集{x|ax+b∈M}上的以T*/?a為最小正周期的周期函數(shù),(其中a、b為常數(shù))。
證:
先證f(ax+b)的周期。
∵T*是f(x)的周期,∴f(x±T*)=f(x),有X±T*∈M,以ax+b替換x得,f(ax±T*+b)=f(ax+b),此時ax+b∈M,提取a為公因式得,f[a(x+T*/a)+b]=f(ax+b)∴T*/a是f(ax+b)的周期。
再證是f(ax+b)的最小正周期。
假設(shè)存在T’/a(0<T’<T*;)是f(ax+b)的周期,則f(a(x+T’/a)+b)=f(ax+b),用x/a-b/a替換x,得f(x+T’)=f(x)
∴T’是f(x)的周期,但?T’<T*這與T*是f(x)的最小正周期矛盾。
∴不存在T’/a(0<T’<T*;)是f(ax+b)的周期,即f(ax+b)的最小正周期為T*/?a。
定理3
設(shè)f(u)是定義在集M上的函數(shù),u=g(x)是集M1上的周期函數(shù),且當(dāng)X∈M1時,g(x)∈M,則復(fù)合函數(shù)f(g(x))是M1上的周期函數(shù)。
證:
設(shè)T是u=g(x)的周期,則?1有(x±T)∈M1且g(x+T)=g(x)∴f(g(x+T))=f(g(x))
∴=f(g(x))是M1上的周期函數(shù)。
例1
設(shè)=f(u)=u2是非周期函數(shù),u=?g(x)=cosx是實數(shù)集R上的周期函數(shù),則f(g(x))=cos2x是R上的周期函數(shù)。
同理可得:⑴f(x)=Sin(cosx),⑵f(x)=Sin(tgx),⑶f(x)=Sin2x,⑷f(n)=Log2Sinx(sinx>0)也都是周期函數(shù)。
例2
f - n=Sinn是周期函數(shù),n=g - x=ax+b - a≠0)是非周期函數(shù),f - g - x=Sin - ax+b是周期函數(shù)(中學(xué)數(shù)學(xué)中已證)。
例3
f - n=cosn是周期函數(shù),n=g - x=?(非周期函數(shù))而f - g - x=cos?是非周期函數(shù)。
證:假設(shè)cos?是周期函數(shù),則存在T>0使cos?(k∈Z)?與定義中T是與X無關(guān)的常數(shù)矛盾,
∴cos?不是周期函數(shù)。
由例2、例3說明,若f - u是周期函數(shù),u=?g - X)是非周期函數(shù),這時f - g - x))可能是,也可能不是周期函數(shù)。
定理4
設(shè)f1(x)、f2(x)都是集合M上的周期函數(shù),T1、T2分別是它們的周期,若T1/T2∈Q則它們的和差與積也是M上的周期函數(shù),T1與T2的公倍?數(shù)為它們的周期。
證:
設(shè)?((p·q=1)設(shè)T=T1q=T2p,則有:有(x±T)=(x±T1q)=(x±T2p)∈M,且f1 - x+T?±f2(x+T)=?f1 - x+T1q?±f2(x+T2p)=?f1 - X)±f2 - X?,∴f1 - X?±f2 - X)是以T1和T2的公倍數(shù)T為周期的周期函數(shù)。同理可證:f1(x)、f2(x)是以T為周期的周期函數(shù)。
推論
設(shè)f1(x)?、f2(x)……fn(x)?是集合M上的有限個周期函數(shù)T1、T2……Tn分別是它們的周期,若,?…?(或T1,T2……Tn中任意兩個之比)都是有理數(shù),則此n個函數(shù)之和、差、積也是M上的周期函數(shù)。
例1
f(x)=Sinx-2cos2x+sin4x是以2π、π、π/2的最小公倍數(shù)2π為周期的周期函數(shù)。
例2
討論f - X=?的周期性。
解:2tg3?是以T1=?為最小正周期的周期函數(shù)。
5tg?是以T2?為最小正周期的周期函數(shù)。
tg2?是以T3=為最小正周期的周期函數(shù)。
又都是有理數(shù)
∴f(x)是以T1、T2、T3最小公倍數(shù)(T1、T2、T3)=為最小正周期的周期函數(shù)。
同理可證:
⑴f(x)=cos?;
⑵f(x)=sin2xcos2x+cos2xcos3x+cos3xsin3x。是周期函數(shù)。
定理5
設(shè)f1(x)=sin?a1x,f2(x)=cos?a2x,則f1(x)與f2(x)之和、差、積是周期函數(shù)的充要條件是a1/a2∈Q。
證:
先證充分性:
若a1/a2∈Q,設(shè)T1、T2分別為f1(x)與f2(x)的最小正周期?,由定理4,可得f1(x)與f2(x)之和、差、積是周期函數(shù)。
再證必要性(僅就f1(x)與f2(x)的差和積加以證明)。
⑴設(shè)sina1x-cosa2x為周期函數(shù),則必存在常數(shù)T>0,
使sina1(x+T)-sina1x=cosa2(x+T)-cosa2x?2cos(a1x+T)sin?=?-2sin(a2x+T)sin?⑴。
令x=?得2cos(a1x+T),則?(K∈Z)。⑵
或?C∈Z⑶
又在⑴中令?2sin(a2x+Tsin?=-2sin?=0
由⑷
由sin?⑸
由上述⑵與⑶,⑷與⑸都分別至少有一個成立。
由⑶、⑸得⑹
∴無論⑵、⑷、⑹中那一式成立都有a1/a2。
⑵設(shè)sinaxcosa2x為周期函數(shù),則?是周期函數(shù)。?
判定方法
周期函數(shù)的判定方法分為以下幾步:
(1)判斷f(x)的定義域是否有界;
例:f(x)=cosx(≤10)不是周期函數(shù)。
(2)根據(jù)定義討論函數(shù)的周期性可知非零實數(shù)T在關(guān)系式f(x+T)=?f(x)中是與x無關(guān)的,故討論時可通過解關(guān)于T的方程f(x+T)-?f(x)=0,若能解出與x無關(guān)的非零常數(shù)T便可斷定函數(shù)f(x)是周期函數(shù),若這樣的T不存在則f(x)為非周期函數(shù)。
例:f(x)=cosx^2?是非周期函數(shù)。
(3)一般用反證法證明。(若f(x)是周期函數(shù),推出矛盾,從而得出f(x)是非周期函數(shù))。
例:證f(x)=ax+b - a≠0)是非周期函數(shù)。
證:假設(shè)f(x)=ax+b是周期函數(shù),則存在T(≠0),使之成立?,a(x+T)+b=ax+b?ax+aT-ax=0,aT=0?又a≠0,∴T=0與T≠0矛盾,∴f(x)是非周期函數(shù)。
例:證f(x)=?ax+b是非周期函數(shù)。
證:假設(shè)f(x)是周期函數(shù),則必存在T(≠0)對?,有(x+T)=?f(x),當(dāng)x=0時,f(x)=0,但x+T≠0,∴f(x+T)=1,∴f(x+T)?≠f(x)與f(x+T)=?f(x)矛盾,∴f(x)是非周期函數(shù)。
