每日一题(8):求证函数的周期性

题:设 \(y=f(x), x \in (-\infty, +\infty)\) 的图形关于 \(x=a, x=b\) 对称(\(a<b\))。

求证:\(y=f(x)\) 是周期函数并求其周期。

求解:正道题目书上给出来的答案显然是存在缺陷的。如果仔细看书上的问题和答案,会发现它为了规避“缺陷”,在题目和答案上都留下了“小心思”。

题目中问的是“求其周期”,答案中给出来的是“这是一个周期”,都规避掉了“最小”这个说法。因为一旦说出来“最小”这个词,就要证明找到的周期T是最小的周期。但显然书上的答案中并没有提及“最小”,因而也就无需论证了。而它的答案之所以敢于忽视“最小”,恰恰是因为题目中也没有提及“最小”。

但是我觉得这样不好,所以还是对题目重新调整一下,调整之后:设 \(y=f(x), x \in (-\infty, +\infty)\) 的图形关于 \(x=a, x=b\) 对称(\(a<b\))。求证:\(y=f(x)\) 是周期函数并求其最小周期。

如此的话,整个题目要想完成解答,需要分成4部分:1、先搞清楚什么是“对称性”;2、然后证实函数是周期函数;3、找出周期函数的周期T;4、对T进行进一步的分析,证实T的确是函数的最小周期。

按照如上的思路,解答过程如下:

第一步、对称性

如果函数 \(f(x)\) 关于 \(C\) 点对称,意味着函数满足:\(f(C+x)=f(C-x)\)。

此时重新设自变量为 \(t\),且\(t=x-C\),依然满足上述对称性关系式。即:\(f(C+t) = f(C-t) \Rightarrow f(C+(x-C)) = f(C-(x-C))\)。整理后得到 \(f(x) = f(2C-x)\)。

这样得到的函数的对称性可用于后面的推导,将原题目中的对称点带入,将函数对称性列出来备用:

关于\(a\)点对称:\(f(x) = f(2a-x)\)

关于\(b\)点对称:\(f(x) = f(2b-x)\)

第二步、证实函数是周期函数

书上是直接给出了周期假设:\(T=2(b-a)\),我是完全没搞明白它凭什么就这么准确的假设出来。而且通过画图也可以发现,在某些图形表现下,也可以实现 \(T=b-a\) 为其周期性:

【图】

抛弃书上的方法,观察 \(f(x) = f(2a-x)\) 和 \(f(x) = f(2b-x)\)。尝试使用①式构建 \(f(2a-y) = f(y)\),结合②式,可以得到 \(f(2a-(2b-x)) = f(2b-x) = f(x)\)。

这样经过整理之后,就可以得到 \(f(2a-2b+x) = f(x+(2a-2b)) = f(x+T) = f(x)\),其中 \(T\) 即为函数的周期长度,也就是 \(T=2a-2b\)。但是注意到题目中给出的 \(a<b\),所以周期应该是个正数,所以调整一下确保符号正确,最终得到的周期是 \(T=2b-2a\)。

第三步、证实T是函数的周期

以上是找出了函数拥有 \(f(x+T)=f(x)\) 的性质,说明了这是一个周期函数。顺带找出了其中的一种周期性。因为发现T的过程是通过演算得到、而非灵感假设出来的,所以证实其实没有必要了。但依然可以证实一下。已知周期 \(T=2b-2a\),将它带入函数进行验证:

\(f(x+T) = f(x+(2b-2a)) = f(2b – (2a-x)) = f(2a-x) = f(x)\),可以看出来 \(T\) 为周期。

第四步、证实T是函数的最小周期

这里的第4步是我比较郁闷的地方,现在虽然知道了 \(T=2b-2a\) 是函数的周期,但是它并不一定是函数的最小周期,也就是说 \(T=b-a\) 也可能是函数的周期,这里应该怎么解决呢?

最后给出结论:题目中的函数,的确是一个周期函数,且它的最小周期是 \(T=2b-2a\)。

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