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词条 周期函数
释义

定义

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。

周期函数性质

(1)若T(≠0)是f(X)的周期,则-T也是f(X)的周期。

(2)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。

(3)若T1与T2都是f(X)的周期,则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*的正整数倍。

(5)T*是f(X)的最小正周期,且T1、T2分别是f(X)的两个周期,则 f(X)不存在最小正周期(Q是有理数集)

(6)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。

(7)周期函数f(X)的定义域M必定是至少一方无界的集合。

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。

∵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<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’)- 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)。

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<T’< )是f(ax+b)的周期,

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:(1)f(X)=Sin(cosx),(2)f(X)=Sin(tgx),(3)f(X)=Sin2x,(4)f(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:

(1)f(X)=cos ;

(2)f(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。

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)。

(1)设sina1x-cosa2x为周期函数,则必存在常数T>0,

使sina1(x+T)-sina1x=cosa2(x+T)-cosa2x 2cos(a1x+ )sin = -2sin s(a2x+ ) sin (1)。

令x= 得2cos(a1x+ ),则 (K∈Z)。(2)

或 C∈Z(3)

又在(1)中令 2sin(a2x+ )sin =-2sin =0

由(4)

由sin (5)

由上述(2)与(3),(4)与(5)都分别至少有一个成立。

由(3)、(5得 )(6)

∴无论(2)、(4)、(6)中那一式成立都有a1/a2 。

(2)设sinaxcosa2x为周期函数,则 是周期函数。

非周期函数的判定

(1)若f(X)的定义域有界

:f(X)=cosx( ≤10)不是周期函数。

(2)根据定义讨论函数的周期性可知非零实数T在关系式f(X+T)= f(X)中是与X无关的,故讨论时可通过解关于T的方程f(X+T)- f(X)=0,若能解出与X无关的非零常数T便可断定函数f(X)是周期函数,若这样的T不存在则f(X)为非周期函数。

例:f(X)=cos 是非周期函数。

(3)一般用反证法证明。(若f(X)是周期函数,推出矛盾,从而得出f(X)是非周期函数)。

例:证f(X)=ax+b(a≠0)是非周期函数。

证:假设f(X)=ax+b是周期函数,则存在T(≠0),使对 ,a(x+T)+b=ax+b ax+aT-ax=0 aT=0 又a≠0,∴T=0与T≠0矛盾,∴f(X)是非周期函数。

例:证f(X)= 是非周期函数。

证:假设f(X)是周期函数,则必存在T(≠0)对 ,有(x+T)= f(X),当x=0时,f(X)=0,但x+T≠0, ∴f(x+T)=1,∴f(x+T) ≠f(X)与f(x+T)= f(X)矛盾,∴f(X)是非周期函数。

例:证f(X)=sinx2是非周期函数

证:若f(X)= sinx2是周期函数,则存在T(>0),使对 ,有sin(x+T)2=sinx2,取x=0有sinT2=sin0=0,∴T2=Kπ(K∈Z),又取X= T有sin( T+T)2=sin( T)2=sin2kπ=0,∴( +1)2

T2=Lπ(L∈Z+),∴

与3+2 是无理数矛盾,∴f(X)=sinx2是非周期函数。

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更新时间:2024/12/24 9:54:58