一般周期函数的判定方法

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2021年02月13日 23:15
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2021年2月13日发(作者:女飞行员余旭)


一般周期函数的判定方法



周期性是函数的一条 特殊而有趣的性质,


在高中数学中仅三角函数与周期数列的通项公式中

< br>涉及到周期函数,


对一般的周期函数未作重点讨论。


本文 在高中数学的基础上,


对周期函数


的定义、性质、周期函数和非 周期函数的判定,用初等的方法进行一些探讨。



1


、周期函数的定义及性质



定义:设


f(x)


是定义在数集


M


上的函数,如果存在非零常数


T

具有性质;



(


1


)对



有(X±T)



;



(


2


)对


< /p>


有


f


(


X+T< /p>


)


=f


(


X


)



则称


f


(


X


)是数集


M


上的周期函数,常数


T


称为


f


(


X


)的一个周期。如果在 所有正周期中


有一个最小的,则称它是函数


f

< br>(


X


)的最小正周期。



由定义可得:周期函数


f


(

< br>X


)的周期


T


是与


X


无关的非零常数,且周期函数不一定有最小


正周期 。



例


1



常数值函数


f


(


X


)


=C


(


C


是常数)


是实数集


R


上以任意非零实数为周期的周期函数。



狄利克莱函数


D


(


X


)


=



是实数集上任意非零有理数为周期的周期函数。



由于正实数和正有理数都没有最小的,因而它们都没有最小正周期。



2


、性质:



(


1


)若


T


( ≠0)是


f(X)


的周期,则


-T


也是


f(X)


的周期。


(因


f[x+(T-T)]=f[X+(-T)]=


f(X)


)


。



因而周期函数必定有正周期。



(


2


)若


T


(≠0) 是


f(X)


的周期,则


nT

< p>
(


n


为任意非零整数)也是


f(X)


的周期。



证:当


n


>


0


时,

< p>
f(x+nT)=f[x+(n-1)T+T]=f[x+(n-


1)T] =……



=f


(


x+T


)


=


f(X)


。



当


n


<


0


时, ∵


-n


>


0


, 由前证和性质


1


可得:



nT=-


(


-nT


)是


f(X)


的周期。∴当


n

< br>为任意非零整数时命题成立。



(


3


)


若


T1


与


T2


都是


f(X)

< br>的周期,


则


T1±T2


也是


f(X)


的周期。


(


因


f[x+


(


T1±T2)


]=f


(


x+T1


)< /p>


=


f(X)


)


。



(


4


)


、


如果


f(X)


有最小正周期


T*


,


那么


f(X)


的任何正周期


T


一定是


T*


的正整数倍。


否则必


存在


n1r


Z+


(


Z+< /p>


为正整数)使


T=n1T*+r


(


0


<


r


<

< p>
T*


)


,则对



(


f(X)


的定义域)有


f(X)=f


(


x+T


)

< p>
=f


=(


x+n1T*+r


)


=f


(


x+r

)


,∴


r


也是

f(X)


的正周期,与


T*


是


f(X)


的最小正周期矛


盾。∴

< p>
T


必是


T*


的正整数倍。



(


5


)


T*


是


f(X)


的 最小正周期,且


T1


、


T2

< p>
分别是


f(X)


的两个周期,则

< br>


(


Q


是有理数集)

< p>


证:据条件和性质


4


知 ,存在


K1


、


K2



Z


,使


T1 =K1T*


,


T2=K2T*


,∴



。



(


6


)若


T1


、


T2


是


f(X)


的两个 周期,且



是无理数,则


f(X)


不存在最小正周期。


(用反证法


据性质


5


即可证得)


。



(


7


)周期函数


f(X)


的定义域


M


必定是双方无界 的集合。



证:若


T

< br>是


f(X)


的周期,则


nT


(


n


,n≠0)也是

f(X)


的周期,∴



有


X±nT



M


,∴


M


双


方 无界,


但并非


M


必定

< br>(


-


∞、


+∞)


,


如


tgX


和


ctgX


的定义域分别为


X≠K


π


+


π


/2


和


X≠K


π


(


K


)


。



例


2


:


f(X)=sinX


(



≤10


π


)不是周期函数。



3


、周期函数的判定



定理


1



若


f(X)


是在集


M

上以


T*


为最小正周期的周期函数则


K


f(X)+C


(


K≠0)


和


1/


f(X)


分 别是集


M


和集{


X/


f(X)


≠0,


X


}上的以


T*


为最小正周期的周期函数。



证:


∵


T*


是


f(X)


的周期,


∴对< /p>



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*

< p>
为周期的周期函数。




- 1 -


假设


T*


不是


Kf(X)+C


的最小正周期,


则必存在


T’


(


< p>
0


<T’<


T*


)


是


K


f(X)+C


的周期,


则


对



,


有


K


f(X+T’)+C=K



f(X)


+C


K[f(X+T’)


-


f(X)]=0


,


∵


K≠0


,


∴


f(X+T’)

< p>
-


f(X)=0


,∴f(X+T’)=



f(X)


,∴T’是


f(X)


的周期,与


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。



同理可证


1/


f(X)


是集{


X/


f(X)


≠0,


X


}上的以


T*


为最小正周期的周期函数。



定理


2


:若


f(X)


是集


M


上以


T*


为最小正周期的周期函数,


则

< p>
f(aX+n)


是集{


X/aX+


b


}


上


的以


T*/


为最小正周期的周期函数,


( 其中


a


、


b


为 常数)


。



证:


(


先证





是


f(a x+b)


的周期)


,


∵


T*


是


f(X)


的周期,


∴



,


有


X±T*∈


M


,


∴


(


a


X±





)


+b= ax+b±T*∈


M


,且


f[a


(


X+





)


+b]=f


(ax+b±


T*


)


=f

< p>
(


ax+b


)∴是


f


(


ax+b


)的周


期。



再证







是


f


(


ax+b


)的 最小正周期



假设存在


T’(


0


<T’<





)是


f


(< /p>


ax+b


)的周期,则


f


(


a


(x+T’)


+b


)


=f


(


ax+b< /p>


)


,


即


f


(ax+b+aT’)


=f


(


ax+b


)


,因当


X


取遍{


X/X


∈


M,a x+b


∈


M


}的各数时


,ax+b


就取遍


M


所


有的各数,∴aT’是


f(X)


的周期,但< /p>



<







=T*


这与


T*


是


f (X)


的最小正周期矛盾。



定理


3


:


设


f(u)< /p>


是定义在集


M


上的函数

< br>u=g


(


x


)

< br>是集


M1


上的周期函数,


且当< /p>


X


∈


M1


时,< /p>


g(x)


∈


M


, 则复合函数


f(g(x))


是


M1


上的周期函数。



证


:


设


T


是


u =g(x)


的


周


期

,


则



1


有


(


x±T


)


∈


M1


且


g


(


x+T


)


=g(x)



∴


f(g(x+T))=f(g(x))



∴


=f(g(x))


是


M1


上的周期函数。



例


3



设< /p>


=f(u)=u2


是非周期函数,


u=


g(X)=cosx


是实数集


R


上的周期函数,则


f(g(x))=cos2x


是


R


上的周期函数。



同理可得:


(


1


)


f(X)=Sin(cosx)


,


(

< p>
2


)


f(X)=Sin(tgx)


,


(


3


)

f(X)=Sin2x


,


(


4


)


f(n)=Log2Sinx(sinx


>


0)


也都是周期函数。


< p>
例


4


,


f(n)=Sin n


是周期函数,n=g(x)=ax+b(a≠0)是非周期函数,

f(g(x))=Sin(ax+b)


是周


期函数(中学数 学中已证)


。



例

5


,


f(n)=cosn


是周期函 数,


n=g(x)=


(非周期函数)而


f(g(x))=cos


是非周期函数。



证:假设


cos


是周期函数,则存在


T


>


0


使


cos




(< /p>


k


∈


Z


)



与定义中


T


是与< /p>


X


无关的常数矛盾,∴


cos


不是周期函数。







由例< /p>


4


、例


5


说明, 若


f(u)


是周期函数,


u=


g(X)


是非周期函数,这时


f(g(x))


可


能是,也可能不是周期函数。







定理


4


:设


f1( X)


、


f2(X)


都是集合

< p>
M


上的周期函数,


T1


、


T2


分别是它们的周期,


若

< p>
T1/T2


∈


Q


则它们的 和差与积也是


M


上的周期函数,


T1< /p>


与


T2


的公倍



数为它们的周期。







证:设



((p·q)=1)设


T=T1q=T2p


则有:



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


的公倍数


T


为周期的周期函数。同理可证:


f1(X)


、


f2(X)

< p>
是以


T


为周期的周期函数。







推论:设


f1(X)


、f2(X)……fn(X)



是集< /p>


M


上的有限个周期函数


T1


、T2……Tn


分别是它们的周期,若,



…



(或


T1


,T2……Tn


中任意两个之比)都是有理数,则此

< p>
n


个函数之和、差、积也是


M

上的周期函数。




例


6


,


f( X)=Sinx-2cos2x+sin4x


是以


2

< p>
π


、


π


、


π


/2


的最小公倍



数


2


π


为周期的周期函


数。



例


7< /p>


,讨论


f(X)=


的周期性



解:


2tg3


是以


T1=


为最小正周期的周期函数。



5tg


是以


T2


为最小正周期的周期函数。




- 2 -

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