周期函数,复合函数,分段函数的精讲与练习(快速提高解函数题的能力)

周期函数

通俗定义

对于函数y=f（x），如果存在一个不为零的常数T，使得当x取定义域内的每一个值时，f（x+T）=f（x）都成立，那么就把函数y=f（x）叫做周期函数，不为零的常数T叫做这个函数的周期。事实上，任何一个常数kT （k∈Z且k≠0）都是它的周期。

严格定义

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：f （x+T）=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（x）的最小正周期。

由定义可得：周期函数f（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。

正弦函数图象

编辑本段周期函数性质

⑴若T（≠0）是f(X）的周期，则-T也是f(X）的周期。

⑵若T（≠0）是f(X）的周期，则nT（n为任意非零整数）也是f(X）的周期。

⑶若T1与T2都是f(X）的周期，则T1±T2也是f(X）的周期。

⑷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*的正整数倍。

⑸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

⑹若T1、T2是f(X）的两个周期，且T1/T2是无理数，则f(X）不存在最小正周期。

⑺周期函数f(X）的定义域M必定是至少一方无界的集合。

编辑本段判定

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。[1]

证：

∵T*是f(X）的周期，∴对有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*为周期的周期函数。

假设T* 不是Kf(X)+C的最小正周期，则必存在T’（0

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，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f(aX+n）是集{X/aX+ n }上的以T*/ a为最小正周期的周期函数，（其中a、b为常数）。

证：

先证是f(ax+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+ T）+b]=f（ax+b±T*）=f（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

则f（a（x+T’）+b）=f（ax+b），即f（ax+b+aT’）=f（ax+b），

因当X取遍{X/X∈M,ax+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 <=T*这与T*是f(X）的最小正周期矛盾。

定理3

设f(u）是定义在集M上的函数u=g（x）是集M1上的周期函数，且当X∈M1时，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1

设=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：⑴f(X)=Sin(cosx），⑵f(X)=Sin(tgx），⑶f(X)=Sin2x，⑷f(n)=Log2Sinx(sinx>0）也都是周期函数。

例2

f(n)=Sinn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3

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 （k∈Z）与定义中T是与X无关的常数矛盾，

∴cos 不是周期函数。

由例2、例3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M上的周期函数，T1、T2分别是它们的周期，若T1/T2∈Q则它们的和差与积也是M上的周期函数，T1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）是以T为周期的周期函数。

定理4推论

设f1(X) 、f2(X）……fn(X) 是集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n个函数之和、差、积也是M上的周期函数。

例4

f(X)=Sinx-2cos2x+sin4x是以2π、π、π/2的最小公倍数2π为周期的周期函数。

例5

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。

tg2 是以T3= 为最小正周期的周期函数。

又都是有理数

∴f(X）是以T1、T2、T3最小公倍数（T1、T2、T3）= 为最小正周期的周期函数。

同理可证：

⑴f(X)=cos ;

⑵f(x)=sin2xcos2x+cos2xcos3x+cos3xsin3x。是周期函数。

定理5

设f1(x)=sin a1x，f2(x)=cosa2x，则f1(x）与f2(x）之和、差、积是周期函数的充要条件是a1/a2∈Q。

证

先证充分性：

若a1/a2∈Q，设T1、T2分别为f1(x）与f2(x）的最小正周期，则T1= 、T2= ，又∈Q

由定理4可得f1(x）与f2(x）之和、差、积是周期函数。

再证必要性（仅就f1(x）与f2(x）的差和积加以证明）。