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周期函數概念的解析·比較·疑惑(周期函數和周期的概念)

一般地,對于函數f (x),如果存在一個常數T(T≠0),使得當x取定義域D內的任意值時,都有f (x T)=f (x)成立,那么函數f (x)叫做周期函數,常數T叫做函數f (x)的周期.對于一個周期函數f (x)來說,如果在所有的周期中存在一個最小正數,那么這個最小正數就叫做函數f (x)的最小正周期

一、對于概念中“任意”的理解

如何正確理解概念中“當x取定義域D內的任意值時,都有f (x T)=f (x)成立”,首先要將其中的“任意”與“存在”類結論進行區分.例如,判斷函數f (x)=sinx(x≠0)是不是周期函數.我們知道f (x)=sinx(x∈R)是一個周期為2π的周期函數,然而應當注意到定義域中挖去0后,當x=-2π時,f (x 2π)=f (0)無意義.于是該函數并不是周期函數,因為有一個地方不滿足要求,不符合“任意”一詞。也就是說,周期性應當是函數的整體性質,并不存在函數局部滿足周期性的說法.

而進一步挖掘概念中這句話,我們可以得到一個隱含的條件“若x∈D,則必有x T∈D”.于是就有了這樣的結論: “若函數f (x)存在正周期T,則其定義域必定正向無界,也就是自變量的值可以趨向正無窮;若函數f (x)存在負周期T,則其定義域必定負向無界,也就是自變量的值可以趨向負無窮.”于是對于如y=sinx這樣的既有正周期又有負周期的函數而言,其定義域必定可以趨向正無窮和負無窮. 于是在判斷一個函數是否為周期函數時,定義域可以作為一個先決的條件.

二、概念理解中的兩個常見誤區

(1)是否所有的周期函數都一定存在最小正周期呢? 其實不然,比如函數y=sinx(x≤0),因為滿足sin(x-2kπ)=sinx(k∈N * ),所以它有負周期-2kπ(k∈N * ),卻不存在正周期,更不存在最小正周期.

那么,如果將這個命題改為“所有存在正周期的周期函數都一定存在最小正周期”,又是否正確呢?其實仍然可以找到反例,比如,常值函數y=1(x∈R),顯然任意的正實數都是它的正周期,但不存在最小正周期.

我們不妨再進一步,如果將命題改為“所有存在正周期的非常值函數的周期函數都一定存在最小正周期”,又是否正確呢? 其實這個命題仍然錯誤,比如Dirichlet函數:

https://baike.baidu.com/item/狄利克雷函數/951546?fr=aladdin

所有的有理數都是它的周期,自然存在正周期,同時也是非常值函數,然而它還是不存在最小正周期.

(2)若函數f (x)存在周期T,則kT(k為非零整數)一定也是f (x)的周期嗎? 這個命題對于初學的學生來說,是很容易弄錯的. 因為如果僅著眼于如y=sinx這樣的既有正周期又有負周期的函數, 那么就無法找到反例.事實上,對于像前面提到的函數y=sinx(x≤0)這樣,僅存在負周期而無正周期的函數而言,不難發現,若T和kT都是其周期,命題中的常數k必須是正整數.同樣,對于僅存在正周期而無負周期的函數也是如此.

三、概念的幾何解釋

從概念上理解,不難得到周期函數的圖像存在這樣的特征:若周期T>0(T<0),則函數圖像上任意一點向右(左)平移T個單位后仍在該函數圖像上.為了辨析理解,筆者在課上設計了兩個函數的圖像(圖1、圖2),其實只要理清周期函數的圖像特征,不難發現它們都不是周期函數.

周期函數概念的解析·比較·疑惑(周期函數和周期的概念)

至此,我們對于周期函數的圖像特征似乎已經挖掘得較為透徹.然而,更多的學生對于周期函數的圖像停留在了“周而復始”、 “不斷重復” 這樣的印象上.那么,周期函數的圖像是否一定是學生所認為的“周而復始”、 “不斷重復” 呢? 我們不妨來考查這樣一個函數: 我們將周期函數f(x)=|x-2k| (x∈[2k-1,2k 1],k∈N)的圖像僅僅取

周期函數概念的解析·比較·疑惑(周期函數和周期的概念)

…(其中m∈N)的部分,于是就得到了如圖3所示的函數圖像.從圖像上來看,似乎與印象中的“周而復始”、“不斷重復”并不吻合,該圖像上相鄰兩段通過平移并不能重合,然而這的確是一個周期函數,滿足周期的定義:當x取定義域D內的任意值時,都有f (x 2)=f (x)成立,所以這是一個周期為2的函數.

周期函數概念的解析·比較·疑惑(周期函數和周期的概念)

四、概念的延伸

若定義域為R的函數f (x)、g(x)都是周期函數,那么f (x) g(x)也一定是周期函數嗎? 對于這個命題,甲給出這樣的解答:假設函數f (x)的周期為T 1 ,函數g(x)的周期為T 2 ,則有f (x T 1 )=f (x),g(x T 2 )=g(x),所以只需取T=[T 1 ,T 2 ]([T 1 ,T 2 ]為T 1 和T 2 的最小公倍數),那么f (x T) g(x T)=f (x) g(x),所以T為函數f (x) g(x)的周期.如此解答粗看似乎挺有道理,但其實經不起推敲,倘若T 1和T 2 不存在最小公倍數呢, 比如T 1 是無理數,T 2 是有理數,那就找不到這樣的周期T了.所以這個命題其實是假命題.同樣地,對于兩個周期函數作其他四則運算也是如此.

反過來,如2016年上海高考卷第18題,判斷命題真假:設f (x)、g(x)、h(x)是定義域為R的三個函數,若f (x) g(x),f (x) h(x),g(x) h(x)均是以T為周期的函數,則f (x)、g(x)、h(x)均是以T為周期的函數.這個命題是真命題,因為條件中這三個函數的周期相等,那么它們作四則 運 算 的 結 果 也 都 是 周 期 函 數 .

那么對于兩個定義域為R的函數的復合函數y=f (g(x))呢? 容易發現,若f (x)是周期函數,而g(x)不是,則函數y=f (g(x))不一定是周期函數;若g(x)是周期函數,則無論f (x)是不是周期函數,函數y=f (g(x))一定是周期函數.

反過來,若函數y=f (g(x))是周期函數,那么定義域為R的兩個函數f (x)、g(x)是否至少有一個是周期函數呢? 其實,這還是一個假命題.

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